中壓架空絕緣線路雷擊斷線淺析


為了解決外物如樹枝、拋物等對架空裸線的影響，減少停電，提高供電可靠性，我局于80年代末開始使用絕緣線。采用了絕緣線后，因短路故障而線路跳閘事件急劇減少，有效地減少了停電時間。

與地下電纜相比，絕緣線路具有投資省、建設快的優點，但也帶來了一些新的技術問題，絕緣導線在運行中遭受雷擊斷線故障就是其中之一。



架空線路上產生雷電過電壓有兩種，一種是雷直擊線路引起的直擊雷過電壓，另一種是雷擊線路附近由于電磁感應所引起的感應雷電過電壓。配電線路的雷擊中約20%是直擊雷，而其中50%以上直擊雷的電流超過20kA，約80%是感應雷，其中95%以上感應雷的放電電流小于1000A。配電線路絕緣水平低，即便裝設避雷線也會反擊，防止直擊雷的作用不大。配電線路主要是防止感應雷電過電壓。造成絕緣線路雷擊斷線的主要原因是雷電閃絡后工頻續流燒斷導線引起的。



一、統計

日本采用絕緣線路比較早，積累了較多的運行經驗。表1是日本的一些統計數字。



表1 1969~1971年三年日本全國中壓配電線路事故表

　

從表1可以看出，采用絕緣線后，配電線路事故率大為降低，為裸線的15.3%，絕緣化效果明顯。但雷擊故障數基本差不多，這是因為配電線路總長度大致相同，落雷次數相當。其中絕緣線雷擊事故占其總事故數的36.8%，而雷擊斷線率為460/475=96.8%。



二、絕緣線雷擊斷線的原因

裸線路被雷擊閃絡后工頻續流電弧因電動力作用將向導線的負荷方向側移動，并在工頻電流燒斷導線前引起變電站出線開關跳閘，一般導線損傷不大，不會造成斷線。



絕緣導線的絕緣被雷擊閃絡而擊穿，雷電流很大但時間很短，一般為幾微秒至幾毫秒，因而雷擊閃絡只會在絕緣導線的絕緣層上形成一針孔而不會引起斷線。雷擊閃絡多會導致兩相之間或三項之間閃絡，工頻電弧續流（幾千安培）被集中固定在絕緣導線絕緣擊穿針孔處穩定燃燒直至斷線。



三、防止雷擊斷線的措施



1．安裝接地避雷線

在空曠地區對配電線路設置接地避雷線進行屏蔽，導線上的感應過電壓將降為1-k倍，k為避雷線與導線之間的耦合系數與沖擊系數之積。對于導線高度為11m，導線間距為0.7m的配電絕緣線路，架設雷擊點距離此線路50m，雷電流幅值為100kA，未架設地線時，感應過電壓的最大值為550kV；如果安裝了一根架空地線，高度為12m，則感應過電壓的最大值可降低為330kV，降低了40%。可見采用架空地線限制感應過電壓的作用還是比較大的。但是因為中壓配電線路的絕緣水平較低，雷擊架空地線后極易造成反擊閃絡，仍然會發生工頻續流燒斷絕緣導線。所以此方式對防止雷擊斷線而言并不能起到多大作用。因此只有在直擊雷頻繁區域架設地線以防直擊雷，并作為防止感應雷電過電壓雷擊斷線的輔助手段。

2．安裝避雷器

在配電線路上安裝避雷器是世界各國廣為采用的一種方法。其限制配電線路雷電過電壓的作用大致有兩個方面：一是限制感應過電壓幅值，二是雷擊閃絡后吸收放電能量，限制工頻續流，達到保護導線的目的。



從前面雷擊斷線分析可以看出，持續在擊穿點的工頻續流是導致絕緣線燒斷的根本原因，限制工頻續流能有效地減少雷擊斷線故障。



對避雷器的選擇應綜合考慮。為了降低避雷器的故障率、延長避雷器的使用壽命，避免因加裝的避雷器缺陷引起線路故障，宜采用有間隙的氧化鋅避雷器，ZnO閥片正常時不承受工頻電壓作用，不老化，只在雷電過電壓及工頻續流時才動作。因為95%以上的感應雷的放電電流小于95%1000A，在避雷器的通流能力選擇上考慮技術經濟性，宜選用5kA的限流元件。但遭受直擊雷時雷電流大多超過20kA，此時避雷器將因其通流能力不足而爆炸。



內置間隙的氧化鋅避雷器安裝時需剝除一段導線的絕緣層，因為雷擊閃絡點一般在瓷瓶綁扎處30cm附近，因此絕緣剝離長度宜長于60cm，安裝后再用絕緣罩密封，施工較復雜。日本研制的限流消弧角可解決這一問題。



如圖1所示，限流消弧角主要由環形角、ZnO限流元件及安裝支架組成，期限流元件的放電電流選用2500A。當發生雷擊閃絡時，閃絡擊穿點與環形角之間的空氣間隙擊穿，BIL為60kV，雷電流經ZnO限流元件流通至地，氣候的工頻續流被ZnO元件高阻阻斷滅弧，有效地避免絕緣線被燒斷。如雷擊電流過大，環形角與安裝支架之間的空氣間隙也將擊穿，從而改善ZnO元件的通流，避免ZnO元件爆炸。即使ZnO元件損壞，因在導線與環形角之間的空氣間隙也不會發生接地故障。安裝限流消弧角不需剝離導線的絕緣層，在原線路改造安裝時可不觸及有電部分，因此在無法停電時如采用帶電作業進行安裝也較為方便。



3．安裝防導線熔斷裝置

芬蘭的SAX系統將導線固定處絕緣層玻璃，加裝厚實金屬線夾以承受電弧，可保護導線免受工頻續流燒損斷線。當相間閃絡時，電弧在兩厚實線夾處燃燒直至線路跳閘，因此對此厚實線夾有特殊要求，另外我國一般在直路桿采用針式瓷瓶導線綁扎方式，并不采用懸垂線夾。所以這種方式改造量大，不適合我國國情。



日本東京電力公司采用放電鉗位絕緣子，在絕緣線固定處剝離絕緣層，加裝金屬線夾以承受工頻續流，并設置引弧放電間隙，使工頻續流不燒傷絕緣子。變電站出線開關跳閘以熄滅工頻續流。據其統計，絕緣線斷線率由1982年的0.115件/百公里·年降為1991年0.005件/百公里·年，效果明顯。該方式投資可能比采用避雷器方式少，不需接地裝置，但需對針式瓷瓶更換，并在絕緣線固定處需剝離絕緣層，為防水和提高供電可靠性，又需再外罩絕緣罩，施工麻煩。



4．增長閃絡路徑

通過增長閃絡路徑、降低工頻建弧率，是防止雷擊斷線的另一種思路。一種方法是采用局部加強絕緣，即在針式瓷瓶綁扎導線部位，采用1.5m長的加強絕緣層，提高此段絕緣強度，放電只能從加強絕緣的邊沿處擊穿導線，產生沿面閃絡，當雷電流通過后，擊穿點距橫擔等接地點之間，閃絡路徑長，不足以建弧形成工頻續流，從而達到保護絕緣導線的目的。此方法尚在試驗階段，不便工程化實施。




5．提高線路絕緣耐壓水平

將針式瓷瓶更換為合成絕緣子，提高線路的沖擊耐壓水平，確保只在特別高的雷電感應過電壓作用下閃絡，工頻續流時因放電爬距大無法建弧而熄滅。但合成絕緣子高度較大，50%放電電壓為300kV的合成絕緣子高度約為400mm，并且合成絕緣子經多次閃絡后將會損傷。


四、各種方案的技術經濟比較

采用局部加強絕緣方式、增長閃絡間隙方式因處在驗證階段，不宜推廣采用。架設架空地線費用高，并且不能有效消除雷擊斷線，也不宜用來防止感應雷擊斷線，但可用于直擊雷頻繁區域以減少直擊雷的危害。表2


就安裝避雷器、防導線熔斷裝置、提高線路絕緣水平三種有效方式作了技術經濟比較。


新建線路，宜采用安裝防止導線熔斷裝置，也可采用合成絕緣子以降低維護工作量（考慮其爬距大，清掃維護周期長）。在經濟條件允許下，采用限流消弧角是最有效方式，如考慮我國國情，也可加裝有間隙避雷器以達到同樣目的。

　

俄羅斯提出長閃絡間隙方式，原理與上類似，再橫擔上安裝一U性絕緣棒，在U形頭部將絕緣剝開，使U形頭部與導線之間的空氣間隙的沖擊放電電壓比針式瓷瓶低，當雷電過電壓時，此間隙先于針式瓷瓶擊穿閃絡，閃絡路徑由此段間隙與絕緣棒構成，當閃絡路徑長度增至足夠長時，就可阻止工頻續流建弧。清華大學高壓實驗室對此作了初步試驗，證明此間隙與絕緣子在絕緣配合上容易實現。但要實際應用長閃絡間隙，還需進一步試驗，并考慮其安裝方式如何與鄰相保持距離，避免在兩相的U形頭間直接橫向短閃絡建弧。因絕緣線的安裝距離呈減小趨勢，長閃絡間隙與此趨勢相矛盾，應用前途欠明朗。