中壓架空絕緣線(xiàn)路雷擊斷線(xiàn)淺析


為了解決外物如樹(shù)枝、拋物等對(duì)架空裸線(xiàn)的影響，減少停電，提高供電可靠性，我局于80年代末開(kāi)始使用絕緣線(xiàn)。采用了絕緣線(xiàn)后，因短路故障而線(xiàn)路跳閘事件急劇減少，有效地減少了停電時(shí)間。

與地下電纜相比，絕緣線(xiàn)路具有投資省、建設(shè)快的優(yōu)點(diǎn)，但也帶來(lái)了一些新的技術(shù)問(wèn)題，絕緣導(dǎo)線(xiàn)在運(yùn)行中遭受雷擊斷線(xiàn)故障就是其中之一。



架空線(xiàn)路上產(chǎn)生雷電過(guò)電壓有兩種，一種是雷直擊線(xiàn)路引起的直擊雷過(guò)電壓，另一種是雷擊線(xiàn)路附近由于電磁感應(yīng)所引起的感應(yīng)雷電過(guò)電壓。配電線(xiàn)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(guò)20kA，約80%是感應(yīng)雷，其中95%以上感應(yīng)雷的放電電流小于1000A。配電線(xiàn)路絕緣水平低，即便裝設(shè)避雷線(xiàn)也會(huì)反擊，防止直擊雷的作用不大。配電線(xiàn)路主要是防止感應(yīng)雷電過(guò)電壓。造成絕緣線(xiàn)路雷擊斷線(xiàn)的主要原因是雷電閃絡(luò)后工頻續(xù)流燒斷導(dǎo)線(xiàn)引起的。



一、統(tǒng)計(jì)

日本采用絕緣線(xiàn)路比較早，積累了較多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。表1是日本的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)字。



表1 1969~1971年三年日本全國(guó)中壓配電線(xiàn)路事故表

　

從表1可以看出，采用絕緣線(xiàn)后，配電線(xiàn)路事故率大為降低，為裸線(xiàn)的15.3%，絕緣化效果明顯。但雷擊故障數(shù)基本差不多，這是因?yàn)榕潆娋€(xiàn)路總長(zhǎng)度大致相同，落雷次數(shù)相當(dāng)。其中絕緣線(xiàn)雷擊事故占其總事故數(shù)的36.8%，而雷擊斷線(xiàn)率為460/475=96.8%。



二、絕緣線(xiàn)雷擊斷線(xiàn)的原因

裸線(xiàn)路被雷擊閃絡(luò)后工頻續(xù)流電弧因電動(dòng)力作用將向?qū)Ь€(xiàn)的負(fù)荷方向側(cè)移動(dòng)，并在工頻電流燒斷導(dǎo)線(xiàn)前引起變電站出線(xiàn)開(kāi)關(guān)跳閘，一般導(dǎo)線(xiàn)損傷不大，不會(huì)造成斷線(xiàn)。



絕緣導(dǎo)線(xiàn)的絕緣被雷擊閃絡(luò)而擊穿，雷電流很大但時(shí)間很短，一般為幾微秒至幾毫秒，因而雷擊閃絡(luò)只會(huì)在絕緣導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層上形成一針孔而不會(huì)引起斷線(xiàn)。雷擊閃絡(luò)多會(huì)導(dǎo)致兩相之間或三項(xiàng)之間閃絡(luò)，工頻電弧續(xù)流（幾千安培）被集中固定在絕緣導(dǎo)線(xiàn)絕緣擊穿針孔處穩(wěn)定燃燒直至斷線(xiàn)。



三、防止雷擊斷線(xiàn)的措施



1．安裝接地避雷線(xiàn)

在空曠地區(qū)對(duì)配電線(xiàn)路設(shè)置接地避雷線(xiàn)進(jìn)行屏蔽，導(dǎo)線(xiàn)上的感應(yīng)過(guò)電壓將降為1-k倍，k為避雷線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)之間的耦合系數(shù)與沖擊系數(shù)之積。對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)高度為11m，導(dǎo)線(xiàn)間距為0.7m的配電絕緣線(xiàn)路，架設(shè)雷擊點(diǎn)距離此線(xiàn)路50m，雷電流幅值為100kA，未架設(shè)地線(xiàn)時(shí)，感應(yīng)過(guò)電壓的最大值為550kV；如果安裝了一根架空地線(xiàn)，高度為12m，則感應(yīng)過(guò)電壓的最大值可降低為330kV，降低了40%。可見(jiàn)采用架空地線(xiàn)限制感應(yīng)過(guò)電壓的作用還是比較大的。但是因?yàn)橹袎号潆娋€(xiàn)路的絕緣水平較低，雷擊架空地線(xiàn)后極易造成反擊閃絡(luò)，仍然會(huì)發(fā)生工頻續(xù)流燒斷絕緣導(dǎo)線(xiàn)。所以此方式對(duì)防止雷擊斷線(xiàn)而言并不能起到多大作用。因此只有在直擊雷頻繁區(qū)域架設(shè)地線(xiàn)以防直擊雷，并作為防止感應(yīng)雷電過(guò)電壓雷擊斷線(xiàn)的輔助手段。

2．安裝避雷器

在配電線(xiàn)路上安裝避雷器是世界各國(guó)廣為采用的一種方法。其限制配電線(xiàn)路雷電過(guò)電壓的作用大致有兩個(gè)方面：一是限制感應(yīng)過(guò)電壓幅值，二是雷擊閃絡(luò)后吸收放電能量，限制工頻續(xù)流，達(dá)到保護(hù)導(dǎo)線(xiàn)的目的。



從前面雷擊斷線(xiàn)分析可以看出，持續(xù)在擊穿點(diǎn)的工頻續(xù)流是導(dǎo)致絕緣線(xiàn)燒斷的根本原因，限制工頻續(xù)流能有效地減少雷擊斷線(xiàn)故障。



對(duì)避雷器的選擇應(yīng)綜合考慮。為了降低避雷器的故障率、延長(zhǎng)避雷器的使用壽命，避免因加裝的避雷器缺陷引起線(xiàn)路故障，宜采用有間隙的氧化鋅避雷器，ZnO閥片正常時(shí)不承受工頻電壓作用，不老化，只在雷電過(guò)電壓及工頻續(xù)流時(shí)才動(dòng)作。因?yàn)?5%以上的感應(yīng)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(shù)經(jīng)濟(jì)性，宜選用5kA的限流元件。但遭受直擊雷時(shí)雷電流大多超過(guò)20kA，此時(shí)避雷器將因其通流能力不足而爆炸。



內(nèi)置間隙的氧化鋅避雷器安裝時(shí)需剝除一段導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層，因?yàn)槔讚糸W絡(luò)點(diǎn)一般在瓷瓶綁扎處30cm附近，因此絕緣剝離長(zhǎng)度宜長(zhǎng)于60cm，安裝后再用絕緣罩密封，施工較復(fù)雜。日本研制的限流消弧角可解決這一問(wèn)題。



如圖1所示，限流消弧角主要由環(huán)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(dāng)發(fā)生雷擊閃絡(luò)時(shí)，閃絡(luò)擊穿點(diǎn)與環(huán)形角之間的空氣間隙擊穿，BIL為60kV，雷電流經(jīng)ZnO限流元件流通至地，氣候的工頻續(xù)流被ZnO元件高阻阻斷滅弧，有效地避免絕緣線(xiàn)被燒斷。如雷擊電流過(guò)大，環(huán)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(dǎo)線(xiàn)與環(huán)形角之間的空氣間隙也不會(huì)發(fā)生接地故障。安裝限流消弧角不需剝離導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層，在原線(xiàn)路改造安裝時(shí)可不觸及有電部分，因此在無(wú)法停電時(shí)如采用帶電作業(yè)進(jìn)行安裝也較為方便。



3．安裝防導(dǎo)線(xiàn)熔斷裝置

芬蘭的SAX系統(tǒng)將導(dǎo)線(xiàn)固定處絕緣層玻璃，加裝厚實(shí)金屬線(xiàn)夾以承受電弧，可保護(hù)導(dǎo)線(xiàn)免受工頻續(xù)流燒損斷線(xiàn)。當(dāng)相間閃絡(luò)時(shí)，電弧在兩厚實(shí)線(xiàn)夾處燃燒直至線(xiàn)路跳閘，因此對(duì)此厚實(shí)線(xiàn)夾有特殊要求，另外我國(guó)一般在直路桿采用針式瓷瓶導(dǎo)線(xiàn)綁扎方式，并不采用懸垂線(xiàn)夾。所以這種方式改造量大，不適合我國(guó)國(guó)情。



日本東京電力公司采用放電鉗位絕緣子，在絕緣線(xiàn)固定處剝離絕緣層，加裝金屬線(xiàn)夾以承受工頻續(xù)流，并設(shè)置引弧放電間隙，使工頻續(xù)流不燒傷絕緣子。變電站出線(xiàn)開(kāi)關(guān)跳閘以熄滅工頻續(xù)流。據(jù)其統(tǒng)計(jì)，絕緣線(xiàn)斷線(xiàn)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(duì)針式瓷瓶更換，并在絕緣線(xiàn)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(zhǎng)閃絡(luò)路徑

通過(guò)增長(zhǎng)閃絡(luò)路徑、降低工頻建弧率，是防止雷擊斷線(xiàn)的另一種思路。一種方法是采用局部加強(qiáng)絕緣，即在針式瓷瓶綁扎導(dǎo)線(xiàn)部位，采用1.5m長(zhǎng)的加強(qiáng)絕緣層，提高此段絕緣強(qiáng)度，放電只能從加強(qiáng)絕緣的邊沿處擊穿導(dǎo)線(xiàn)，產(chǎn)生沿面閃絡(luò)，當(dāng)雷電流通過(guò)后，擊穿點(diǎn)距橫擔(dān)等接地點(diǎn)之間，閃絡(luò)路徑長(zhǎng)，不足以建弧形成工頻續(xù)流，從而達(dá)到保護(hù)絕緣導(dǎo)線(xiàn)的目的。此方法尚在試驗(yàn)階段，不便工程化實(shí)施。




5．提高線(xiàn)路絕緣耐壓水平

將針式瓷瓶更換為合成絕緣子，提高線(xiàn)路的沖擊耐壓水平，確保只在特別高的雷電感應(yīng)過(guò)電壓作用下閃絡(luò)，工頻續(xù)流時(shí)因放電爬距大無(wú)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(jīng)多次閃絡(luò)后將會(huì)損傷。


四、各種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

采用局部加強(qiáng)絕緣方式、增長(zhǎng)閃絡(luò)間隙方式因處在驗(yàn)證階段，不宜推廣采用。架設(shè)架空地線(xiàn)費(fèi)用高，并且不能有效消除雷擊斷線(xiàn)，也不宜用來(lái)防止感應(yīng)雷擊斷線(xiàn)，但可用于直擊雷頻繁區(qū)域以減少直擊雷的危害。表2


就安裝避雷器、防導(dǎo)線(xiàn)熔斷裝置、提高線(xiàn)路絕緣水平三種有效方式作了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。


新建線(xiàn)路，宜采用安裝防止導(dǎo)線(xiàn)熔斷裝置，也可采用合成絕緣子以降低維護(hù)工作量（考慮其爬距大，清掃維護(hù)周期長(zhǎng)）。在經(jīng)濟(jì)條件允許下，采用限流消弧角是最有效方式，如考慮我國(guó)國(guó)情，也可加裝有間隙避雷器以達(dá)到同樣目的。

　

俄羅斯提出長(zhǎng)閃絡(luò)間隙方式，原理與上類(lèi)似，再橫擔(dān)上安裝一U性絕緣棒，在U形頭部將絕緣剝開(kāi)，使U形頭部與導(dǎo)線(xiàn)之間的空氣間隙的沖擊放電電壓比針式瓷瓶低，當(dāng)雷電過(guò)電壓時(shí)，此間隙先于針式瓷瓶擊穿閃絡(luò)，閃絡(luò)路徑由此段間隙與絕緣棒構(gòu)成，當(dāng)閃絡(luò)路徑長(zhǎng)度增至足夠長(zhǎng)時(shí)，就可阻止工頻續(xù)流建弧。清華大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)室對(duì)此作了初步試驗(yàn)，證明此間隙與絕緣子在絕緣配合上容易實(shí)現(xiàn)。但要實(shí)際應(yīng)用長(zhǎng)閃絡(luò)間隙，還需進(jìn)一步試驗(yàn)，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(luò)建弧。因絕緣線(xiàn)的安裝距離呈減小趨勢(shì)，長(zhǎng)閃絡(luò)間隙與此趨勢(shì)相矛盾，應(yīng)用前途欠明朗。