10kV架空绝缘线路防雷问题的研究
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作者: 蔡永斌 蔡红
摘 要： 随着绝缘导线这一技术的成熟及在10kV配电线路中的不断应用，配电线路的运行状况得到了很大的提高。但10kV架空绝缘线路在运行过程中又出现新的问题，其中最为严重的是容易遭受雷击而发生断线事故。笔者通过对架空绝缘线路雷击故障的分析和研究，找出雷害事故频发的原因，提出架空绝缘导线防雷问题改进和完善的措施。
关键词： 架空； 绝缘线路； 防雷； 分析； 措施
中图分类号： TM862 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2010）08-0047-02
一、雷击对配电线路的影响
10kV配电线路受雷击后，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：
1. 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。
2. 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。
3. 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。
由于配电网的绝缘水平低，网架结构复杂，且配电线路没有避雷线、耦合地线、线路避雷器等保护措施，因此，配电线路遭受直击雷时根本无法防护，因为直击雷过电压，即雷电直接击中电气设备，或线路，这种过电压的幅值一般较高，高达数百千伏，雷电流高达数十千安，这种过电压的破坏性极大，造成的损坏也较大[1]，直击雷过电压的雷击跳闸率为100%。但是在配电线路中发生直击雷事故所占比例并不高。
根据资料显示，配电线路由雷击引起的线路闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压而是感应过电压，感应过电压导致的故障比例超过90%。感应雷过电压主要是针对架空线路作用，而对电缆线路的影响比较小，但是在城市配电网由于有高层建筑物对配电线路起到了屏蔽作用，所以在城市配电网遭受感应雷过电压的影响比较小，因此，对配电网的防雷保护应放在城乡结合部的架空配电线路上。
二、架空绝缘导线雷击断线问题的分析
日本专家在70年代初经研究得出结论：绝缘导线雷击必断；公开的权威的绝缘导线雷击断线机理是：雷击裸导线时，电弧弧根在工频电流电动力作用下向背离电源方向轴向移动而不会严重烧伤导体；雷击绝缘导线时，击穿的绝缘层呈一针孔状，接续的工频短路电流电弧受到周围绝缘的阻隔，电弧的弧根只能固定在针孔处燃烧，在极短的时间内，导线就被整齐地烧断。1969~1971年日本全国中压配电线路事故统计显示，裸导线雷击断线率为475/539=88.1%，绝缘导线雷击断线率为460/475=96.8%[2]。统计数据验证了绝缘导线雷击必断的结论基本正确，但它仅比裸导线雷击断线率高8.7%，说明弧根受绝缘层阻隔而固定燃烧不是它雷击断线的主要原因。
直击雷和感应雷在绝缘导线最容易发生电弧通道的位置留下击穿的针孔，并在导体表面留下裂纹痕，接续的工频短路电流产生高温的弧根因绝缘层而固定在击穿的针孔处炙烤熔点为660℃的铝绞线(而不是熔点为2050℃的氧化铝薄膜)，使其脆化，扩大热裂纹的深度，从而降低导线拉断强度；弧根温度很高，相间短路开关跳闸时间t(一般为1s)很短，弧根所产生的热量(Q=I2Rt)不足以熔化铝导线，雷击绝缘导线出现整齐断裂现象说明了这一点；弧根既是热源，也是力源[3]，高、低压电极形成的电弧通道所产生的电磁推力方向总是由小截面(高阻抗)处指向大截面(低阻抗)处[3]，电磁推力大小随工频50HZ的正负半波而交变，与工频短路电流的平方成正比；根据作用力与反作用力相等的原理，与电弧电磁推力反向的垂直分量(即冲击载荷)1s内交变100次，反复作用在电弧固定处的导线截面上。另外，截面处受到因自重而产生的轴向张力T1、T2(对于240mm2导线，当安全系数取3时，张力约8kN)，大小相等，方向相反。当材料处于单向拉伸应力下，呈现塑性，当材料处于3向拉伸应力下，则易呈现脆性，尤其处于交变应力[4]，工频电磁推力属于交变应力。这样，以上4种原因促成了绝缘导线整齐断裂。金属脆性断裂的特征是，断裂时没有明显的塑性变形，两个断口能够吻合得很好，并且断口颜色光亮，呈结晶状；金属韧性断裂的特征是，断裂时有明显的塑性变形，吸收的能量大，断口形貌是灰暗色，纤维状。根据多次绝缘导线雷击断线情况，由多股绞合而成的导线断口特征介于脆性断裂和韧性断裂之间，说明断裂是综合原因促成的。单纯的固定弧根高温熔断或烧断，断裂面应呈不规则状，不会出现整齐断裂现象。
三、架空绝缘导线雷击防护的措施
根据对雷击架空绝缘线路断线机理的分析并结合实验室试验的结果分析，针对雷击架空绝缘线路的断线事故提出三点措施进行预防：
（一）提高线路局部绝缘水平
对于已有线路采取修补措施：直线杆上针式绝缘子金属绑扎线改为芳纶纤维绳，避免电弧通道在弧根（金属绑扎线)绝缘子钢脚形成，烧伤绝缘子；在针式绝缘子两侧、角钢横担下方安装引弧跳线，使跳线与角钢横担的间隙小于针式绝缘子上方导线与角钢横担的间隙，以便将电弧引到角钢横担与跳线之间。由引弧跳线与主导线建立的电气模型，相当于对角钢横担产生屏蔽作用，根据楞次电磁感应定律的左、右手定则，磁场将改变电弧中电子的方向，有利于熄弧。
耐张线夹采用压缩型(如液压或钳压)，直接固定导体，将因雷击而产生的电弧弧根引到耐张线夹上，避免断线；绝缘导线和压缩管之间采用辐射交联热缩管密封，防止受潮。
在绝缘导线不切断的情况下，T型接续管和验电接地环应采用新型设计，即：包塑铝抱箍两端(各长10mm)内径5比中间(长80mm)内径D大绝缘层厚度d的1.5倍，以便压紧两端的绝缘层，在包塑铝抱箍的压板之间垫上改性氯丁橡胶密封条，防止进潮。
对于新建线路可采取：绝缘铝导线绝缘化前，外表面的强氧化措施可使导体表面形成一层致密的氧化铝薄膜，表面熔点温度可提高3倍。
（二）安装避雷线、避雷器进行保护
在空旷地区对配电线路设置接地避雷线进行屏蔽，导线上的感应过电压将降为1~k倍，k为避雷线与导线之间的耦合系数与冲击系数之积。对于导线高度为11m，导线间距为0.7m的配电绝缘线路，假设雷击点距离此线路50m，雷电流幅值为100kA，未架设地线时，感应过电压的最大值为550kV；如果安装了一根架空地线，高度为12m，则感应过电压的最大值可降低为330kV，降低了40%。可见采用架空地线限制感应过电压的作用还是比较大的。但是因为中压配电线路的绝缘水平较低，雷击架空地线后极易造成反击闪络，仍然会发生工频续流烧断绝缘导线。所以此方式对防止雷击断线而言并不能起到多大作用。并且这一方案改造难度及投资均较大。因此，在直击雷频繁区域架设地线，以防直击雷，并作为防止感应雷电过电压雷击断线的辅助手段。
使用避雷器，对架空绝缘线路形成有效的保护。由于无间隙避雷器长期承受工频电压，还要间歇地承受雷电过电压及工频续流，避雷器容易老化，所以避雷器故障很多，影响配电线路的供电可靠性[5]。因此，在配电线路中可选用免维护氧化锌避雷器，对配电线路中的易击段进行有选择的安装，安装处除线路中的易击段外还应在相应的配电设备(配电变压器、柱上开关等)进行安装，对配电线路进行全面的保护。
（三）在绝缘子两端并联放电间隙防止绝缘导线的绝缘层击穿
只要把间隙的放电电压调整到等于或略大于绝缘子的冲击放电电压，线路的雷电放电就会在保护间隙之间发生，从而可以有效防止绝缘导线的击穿，也就彻底解决了绝缘导线的雷击断线问题。
参考文献：
[1] 张纬钹.过电压防护及绝缘配合[M].北京：清华大学出版社，2002.
[2] 黄庆祥.中压架空绝缘线路雷击断线浅析[J].高电压技术，2001.27（增刊）：61-62.
[3] 陈祝年.焊接工程师手册[M].北京:机械工业出版社，2004.
[4] （美）梅尔.库兹（MYER KUTZ）.材料选用手册[M].陈祥宝等，译.北京：化学工业出版社，2005.
[5] 王茂成，吕永丽，邹洪英.10kV绝缘导线雷击断线机理分析和防治措施[J].高电压技术，2007.33（1）：102-105.
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