架空绝缘配电线路综合防雷措施的应用研究.doc

架空绝缘配电线路综合防雷措施的应用研究上海兆邦电力器材有限公司1.引言无论国内或国外，在配电线路上，现在都已广泛地应用了绝缘导线。可以说，配电网的绝缘化，已是一项成熟的技术。但是，绝缘导线在应用过程中，也出现了一些新的问题。其中，最为突出的问题，是遭受雷击时，容易发生断线事故。据有关资料的统计，浙江地区到2004年为止，雷击断线事故与雷击跳闸事故约为395次：上海地区使用绝缘导线以来，已造成近百起雷击闪络事故。国外也有资料介绍雷击断线事故约占总雷击的96.8%，日本的资料表明，雷击断线事故约占配电网绝缘事故得36.8%。 以上一些统计资料表明：雷击断线事故，是应用绝缘导线中最突出的一个严重问题，这引起国内外防雷工作者们的广泛注意，并积极开展对等试验研究工作，并找到许多有效的防治措施。我公司在已有的经验的基础上，开展了绝缘配电线路防雷综合措施的应用研究，取得了较好的成效，现总结介绍如下2线路防雷的基本常识2.1雷电的危害性 雷电引起的过电压，叫做大气过电压。这种过电压危害相当大。大气过电压可分为直接雷过电压和感应雷过电压两种基本形式。 雷电有下列危害：（1） 雷电的机械效应击毁杆塔和建筑，伤害人畜。（2） 雷电的热效应烧毁导线、烧毁设备、造成火灾。（3） 电的电热效应产生过电压，击穿电气绝缘、绝缘子闪络、开关跳闸、线路停电或引起火灾、人身伤亡等。根据模拟试验和运行经验，平均高度为h米的线路将吸引宽度为5h的雷电击中线路，所以线路的等值受雷宽度为10h。如果落雷密度Y-0。015次/km雷电日，线路经过地区年平均雷电日为T，则100公里长每年的落雷数： N=r10h/1000100T=YhT 次/百公里年若T=40雷电日/年，则每百公里线路平均落雷次数 N=0.01540h=0.6h次/百公里40雷电日例如，10kv线路，平均高度h=8m线路长度一般小于50公里，平均每年受雷击数： N=0.6850/100=2.4次 由此可见，配电线路若不采取防雷措施，是不能保证安全的2.2线路防雷中常用的几个概念 （1）绕击、反击和感应雷 线路受雷击后，绝缘子串二端电压升高，会引起绝缘子串闪络，根据雷击点位置不同，引起雷击闪络的原因，基本上有下列三种： 雷击线路附近的地面，在绝缘子二端产生电磁感应电压，通常称为感应雷过电压。 雷击塔顶或塔头附近避雷线，雷电流通过杆塔入地，杆塔电位升高，绝缘子串发生闪络，当雷击避雷线挡距中央时，地线电位升高，也可能引起导线、地线间的空气间隙s闪络。这两种现在统称为反击。它们都是原来接地的物体（杆塔、避雷器），受雷击后电位升高，反过来对原来是高电位的导线放电。 雷绕过避雷线，击中相导线，这种由导线电位升高所引起的绝缘子串闪络称为绕击。在高压线路中，绕击与反击之和就是线路总的雷击闪络次数。绕击和反击时，雷电直接流过杆塔或导线。因此，这时产生的过电压又称为直击雷过电压。 图1 不同的雷击（2）绝缘子串的冲击闪络特性：在雷的冲击作用下，绝缘子串可能产生冲击闪络，绝缘子串的予放电时间不同，其闪络路径也不同：tp3S 按最短空气隔离闪络：tp=1S，放电沿绝缘子上瓷瓶：tp1S冲击放电紧贴瓷裙，沿每一瓷裙的上下表面串级闪络。 冲击闪络后，随后建立的工频短路电弧将沿冲击电弧路径发展，会在瓷裙上留下痕迹。（3）耐雷水平在雷冲击的作用下，绝缘子串是否闪络与雷电流的大小及防雷措施的好坏有关，因此可以引入一个叫“耐雷水平的”参景来表示。我们把能引起绝缘闪络的最小临界雷电流称为耐雷水平。耐雷水平是判断输电线路耐雷性能的一个重要数据，也称保护水平。耐雷水平愈高、意味着线路防雷措施愈完善，绝缘子串冲击闪络的概率愈小，输电线路的电压 等级愈高，其重要性愈大，因而要求有较高的耐雷水平。（4）雷击跳闸率建弧率前面介绍了雷冲击时绝缘子串发生冲击闪络的过程，雷冲击电压过去后，弧道仍有一定程度的游离，在工频电压的作用下，将有短路电流流过闪络通道，形成工频电弧。雷电压持续时间很短（100S左右），绝缘子冲击闪络时间相应很短，继电保护来不及动作，所以仅有冲击闪络并不会引起开关跳闸只有当冲击闪络火花转变为稳定工频电弧，才会引起线路开关跳闸，因此一条线路的雷击跳闸数，不仅与耐雷水平有关，而且与冲击闪络之后弧道建立工频电弧的可能性、也就是建弧率有关，建弧率可用表示： =建立稳定工频电弧的次数 总的冲击闪络次数建弧率的大小，主要与工频电压作用下弧道平均场强的大小有关，也和冲击闪络是发生在工频电压的哪一部分以及弧道的去游离情况有关，如果恰好在u=0发生雷击，随后就不会产生工频电弧，根据实验及运行经验，主要与E有关、可按下式计算： =（4.5E0.75-14）10-2 式中：E绝缘子串的平均运行电压梯度（千伏 有效值/米）雷击跳闸率 一条线路的雷击跳闸次数与线路长度、雷电日的多少、以及防雷措施的好坏有关，为了分析比较二条线路防雷措施的好坏，引入雷击跳闸率n的概念：每百公里线路、40雷电日，由于雷击引起的开断数（重合成功也算一次），称为该线路的雷击跳闸率，简称跳闸率，跳闸率是衡量线路防雷性能好坏的综合指标，它可定性地用下式表示： n=NP1 式中，N线路上的总落雷数 P1是雷电流幅值等于或大于耐雷水平的概念 建弧率 NP1表示会引起闪络的雷击数。所以NP1表示会引出开关跳闸的雷击次数，即跳闸率2.3线路防雷的基本任务及措施线路防雷的基本任务是采用技术上与经济上合理的措施，将雷击事故减少到可以接受的程度，以保证供电的可靠性与经济性。为此，一般设有四道防线：（1） 不绕击用避雷线或改用电缆等措施，尽量使雷不绕击到导线上（2） 绝缘子不闪络用改善接地或加强绝缘等措施，使避雷线或杆塔受雷击后，绝缘子不闪络。（3） 不建立稳定工频电弧即使绝缘子串闪络，也要它尽量不转变为稳定的工频电弧，开关不跳闸。为此应减少绝缘子的工频电场强度或者电网中性点采用不接地或经消弧圈地的方式。这样可使由雷击引起的大多数单相接地故障能够自动消除，不致引起相间短路和跳闸。（4） 不中断电力供应这是最后一道防线，即使开关跳闸也不中断电力供应。为此，可采用自动重合闸或双回路，环网供电等措施。因此，在送电线路防雷中，允许有一小部分雷击引起线路绝缘子闪络，然后用减少建弧率以及自动重合闸的办法，把雷害引起的停电事故数减少到可以接受的程度。3.国内外对绝缘导线防止雷击断线和雷击跳闸的研究成果3.1 绝缘导线雷击断线的机理分析以前采用裸导线时，当受到雷击后（包括直接雷和感应雷），会引起线路闪络。此时，工频续流引起的电弧由于受到电磁力的作用，使电弧向导线落雷点的两侧迅速流动，雷电流经过开关、变压器等设备处的避雷器迅速流入大地，或在工频电流烧断导线之前，引起跳闸，因而很少发生断线事故。但是，当绝缘导线遭受雷击时，情况就完全不同，雷电过电压引起绝缘子闪络，并击穿导线的绝缘层。而击穿点附近的绝缘物，阻碍了电弧沿着导线表面向两侧移动。因而，电弧只能在击穿点燃烧。高达数千安培的工频电弧电流集中在绝缘击穿点上，并在断路器跳闸之前很快就把导线熔断。3.2 国内外防止绝缘导线雷击断线和雷击跳闸的防治措施国内外对防止绝缘导线雷击断线进行了许多实验研究工作，介绍防止措施的资料是很多的，归纳起来，可以总结出以下一些主要措施。（1）架设架空避雷线利用架空避雷线的屏蔽作用来保护输电线路，是一种传统的有效方法。该方法的效果较好，而且可以免除维护，但缺点是：a）投资成本较高；b）防止绕击的效果较差，易使线遭受反击。（2）安装氧化锌避雷器采用氧化锌避雷器，可以有效地截断工频续流，限制雷过电压和配电线路的感应过电压。其缺点是：a）保护范围小；b）全线装设的投资成本较大（但人行道，大门口等地域根据有关规定不允许全线装设）；c）必须剥开绝缘层，导致线芯浸水，有可能使导线内部的线芯受腐蚀；d）避雷器阀片长期承受工频电压，容易老化。（3）安装线路过电压保护器这种线路过电压保护器，相当于带有外间隙的氧化锌避雷器。安装时，绝缘层不需剥开，在运行中，平时是不承受运行淡雅的，因而使用寿命较长，也可免维护。其缺点是：它仅能防护雷电过电压。（4）使用钳位绝缘子 这是一种日本的方法。在绝缘导线固定处剥开绝缘层，架装引弧放电间隙与特别设计的金属线夹。当雷击闪络时，引发的工频续流在该金属线夹与绝缘子下金属脚间燃弧，直至被线路开关跳闸切断，从而避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线。该方法的效果较好，成本也不太高。其缺点是：当雷击闪络时，工频电弧要把电瓷伞裙烧蚀损坏，需及时更换绝缘子；安装时要剥开绝缘层，易使线芯进水，容易受腐蚀；要定制钳位金属线夹配套安装在各厂各规格的支柱绝缘子上，采购及施工较麻烦。（5）使用穿刺式防弧金具其原理为：将该金具安装在线路绝缘子附近负荷一侧（背离电源侧）的绝缘导线上，当雷电过电压超过一定数值时，在防弧金具的穿刺电极和接地电极之间引起闪絡，形成短路通道，接续的工频电弧便在防弧金具上燃烧，以保护导线免于烧伤。在单向供电的老线路上采用此产品效果较好，安装方便，造价相对低一些，而环网供电的线路则需二侧安装造成工程及费用增加和线路不简洁，鸟类较多地区易受侵袭接地。（6）采用长闪络避雷器（LFA）研究表明，对于中性点非直接接地的配电系统，当线路的工作电压与闪络路径长度的比值（即电场强度E，E=Uph/L）减小时，由雷电闪络发展为工频续流的可能性将大为减小。利用上述的思想，俄罗斯学者提出了采用长闪络避雷器，解决配电线路绝缘导线的雷击断线问题。 （7）加局部绝缘层的厚度从许多绝缘导线遭雷击后断线的事故调研，发现了一个十分明显的规律：断线的部位，几乎全部都处于离开绝缘子（100-300）mm范围之内，如果在这局部范围内增加绝缘厚度，也可以防止击穿。但是，这个方法在实际工作中，不易实现。因而，该方法不为人们所采用。4、绝缘配网综合防雷措施研究通过分析对比，我们开发了一些防雷新产品。这些产品运用于绝缘配网的综合防雷，已取得了良好效果。现分别介绍如下：4.1 FEG-12/5型防雷支柱绝缘子（穿刺式/非穿刺式）上述介绍的各项措施都能在一定程度上防止雷击跳闸和减少雷击断线事故，但不能从根本上避免雷击断线事故。 FEG型防雷支柱绝缘子是新型组合式结构的二合一防雷支柱绝缘子，其绝缘子有很好的绝缘性能和防污秽水平，可适用于10KV架空电力线路中绝缘和支持导线用，而且还具有防止10KV架空绝缘导线雷击断线的保护功能。本产品还具有穿刺通电功能，安装施工极为方便可靠，不需剥开绝缘层可避免线芯进水和腐蚀，同时也极大减轻操作人员的劳动强度。由于把支柱绝缘子和防弧金具合二为一，不受环网供电负荷侧（背离电源侧）影响，更使线路简洁美观并极大地降低了造价。本产品性能可靠，投资少，收效大，为电力部门防止架空绝缘导线雷击断线提供了一条经济有效的途径本产品分穿刺式和非穿刺式（剥除绝缘层）二种，其主要由绝缘护罩、夹线铝合金金具、复合绝缘子、引弧棒、和下钢脚等组成，见示图1。示图1其主要特点：见示图21)引弧棒和夹线金具装配连接成一体，当雷击发生时，引弧棒和下钢脚之间引起闪絡放电，形成短路通道，接续的工频电弧移动到引弧棒和钢脚之间燃烧，以保护导线免于烧伤。因引弧棒绕开伞裙并调至最佳放电间隙，放电效果更好并防止烧坏绝缘子伞裙。2) 具有穿刺式的刺齿构造，刺齿可拆卸，剥皮或不剥皮用途可选择。刺齿采用比铝强度更高电性能更好的铜材料，表面经过电（渗）镀处理以防止铜铝结合时氧化，这样铜或铝线路都可使用。穿刺式的不需剥除导线绝缘层，避免线芯进水和腐蚀，安装施工极为方便，可极大地减轻操作工人的劳动强度。3) 采用复合材料制作的绝缘子比PS-15等电瓷绝缘子的绝缘性能好，并且其爬电距离大，提高了绝缘子的防污秽水平，可满足广大用户对绝缘子的防污秽要求。4) 绝缘护罩采用有硅橡胶材料制成，具有良好的绝缘性能、抗老化性能和阻燃性能。5) 已考虑到防止鸟类对架空导线造成短路危害的独特结构。示图24.2防雷支柱绝缘子（保护型）防雷支柱绝缘子（保护型）是为了防止10kv架空绝缘导线雷击断线而开发的新产品之一。它主要由保护型金具和复合绝缘子二部分组成，其外形见图2，3所示防雷支柱绝缘子（保护型）防雷击断线的主要作用在于：1）提高绝缘子的放电距离来减少线路雷击闪络率；2）通过保护型金具将导线围绕起形成厚实的保护部件，以防止短路电弧根部的燃烧效应。闪络时，电弧在保护型金具的厚实部位之间燃烧（见图3），从而使导线免受损伤。安装方式与传统的针式绝缘子基本相同，但需对导线进行适当处理，相应地对应二种方式：1）剥皮型 为了使短路电流从导线流到保护型金具，并在金具外再罩上绝缘罩，这种结构称为电导型保护方式。这种结构会对导线造成一定损伤。2）电容型 在绝缘导线外皮上缠绕一层导体形成电容，再定位在防雷支柱绝缘子（保护型）上。示图34.3 玻璃钢绝缘横担雷击闪络取决于过电压值和线路绝缘水平，研究表明雷击引起的电弧严重程度是随着沿闪络路径的电场梯度的降低而降低，因此提高10kv线路的绝缘水平就可使雷击闪 络率大为降低，同时，即使发生雷击闪络其电弧强度也大为降低。然而由于技术经济原因，要大幅度提高支柱绝缘子水平较为困难。若将传统采用的铁横担由具有机械性能好，绝缘强度高的玻璃钢取代用作支柱绝缘子横担（见图4），则可显著增加闪络路径，从而大幅度提高线路的耐雷水平，减低线路的建弧率而避免了雷击断线事故的发生。与此同时，还可为带电作业赢得更多空间。 示图4I防雷支柱绝缘子（保护型） II 绝缘横担 III 限流间隙4.4 保护型绝缘间隙横担玻璃钢绝缘横担的应用固然可减少线路的雷击跳闸和雷击断线问题，但其过强的绝缘可能会将雷电流引向其他设备，造成其他设备的损坏事故，为使线路在遭受高强度雷击时雷电流有一个释放通道，我们在线路中采用了保护型绝缘间隙横担（见图4）。保护型绝缘间隙横担由火花放电间隙、非线性电阻限流元件、玻璃钢绝缘横担所造成火花放电间隙限制了雷电过电压幅值，通过放电间隙的调整可控制架空线绝缘闪络的局部限流元件能够在瞬间截断工频续流，有效的保护了架空绝缘导线。玻璃钢绝缘横担则可在限流元件难以承受高强度雷击作用时给线路提供一个长闪络距离的避雷保护，从而抑制工频续流的产生。4.5 低压电网的防雷当高压线路落雷时，避雷器动作在接地电阻上产生了电压IR，若以5kA和7计算，IR=35KV。这一压降使接地装置与低压侧中性点等电位，这时低压侧出线相当于经导线波阻接地。所以电压降IR基本都加在低压线圈上，由电磁感应形成逆变换高压侧线圈则按照变压比的关系感应出高电压。例如10/38KV的变压器变比为26。那么在10KV线圈两端的冲击电压将达到26*35=910（KV）由于高压侧线圈出线端的电位受避雷器控制，所以，这910KV高电位完全分布在高压线圈上，在中性点处达到最大值，可击穿中性点附近的绝缘，可能击穿高压线圈的层间或匝间绝缘，为防止低压侧落雷反击到一次侧，可在低压出口处装低压避雷器，其型号是HY3WR-0.28/1.3（见示图5）示图54.6防雷元件试验为评价防雷元件的防雷效果，我们对上述防雷元件进行了雷击冲击闪络试验，试验在华东电力研究院试验大厅进行。试验的主要目的在于：（1）观察放电部位，以了解保护金具防雷击断线效果；（2）掌握防雷元件耐雷冲击水平。试验情况表明，试验结果与设计意图相吻合，各次闪络均在保护型金具与接地端（或羊角间隙）间发生（见图2）。经历数十次冲击试验后，绝缘导线无任何损伤。各元件的耐雷水平均有较大幅度提高。有关试验结果见表2。表2 三种型式防雷元件的50%标准雷电冲击放电电压防雷元件型式U50（+）（KV）U50（-）（KV）防雷支柱绝缘子138194防雷支柱绝缘子+绝缘横担315441保护型绝缘间隙横担 防雷支柱绝缘子+绝缘横担+限流间隙220310PS-15瓷绝缘子12117510KV系统绝缘配合要求75754.7 防雷措施的综合应用针对近年来雷电活动较为频繁，而10KV架空配电线路防雷措施又较为薄弱这一特点，宁波