隨著國(guó)家配網(wǎng)線路絕緣化率的提高，雷擊斷線成為配網(wǎng)線路主要事故之一，其危害性日益嚴(yán)重。提高架空絕緣線路絕緣水平可以減少配電網(wǎng)雷擊跳閘及絕緣導(dǎo)線雷擊斷線，10 kV架空線路桿頭空間有限，因此國(guó)家電網(wǎng)公司將絕緣橫擔(dān)列為新技術(shù)推廣用于防雷。本文就10 kV架空絕緣線路使用絕緣橫擔(dān)防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1  原理描述

    線路遭受雷擊有直擊雷和感應(yīng)雷兩種。直擊雷是閃電直接擊中導(dǎo)線或桿塔，通過(guò)導(dǎo)線和桿塔與大地構(gòu)成放電通道。閃電的平均電流是30 kA，最大電流可達(dá)300 kA。閃電的電壓很高，約為10萬(wàn)～100萬(wàn)kV。因此對(duì)直擊雷，不可能做到絕緣耐受，只能走線時(shí)利用地形地物減少直擊雷幾率。

    感應(yīng)雷是指當(dāng)雷云來(lái)臨時(shí)，導(dǎo)線和桿塔由于靜電感應(yīng)，產(chǎn)生出很高的感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓幅值一般不大于400 kV，其幅值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

    我國(guó)以往沒(méi)有開(kāi)展過(guò)配電線路雷擊形式觀測(cè)，根據(jù)日本上個(gè)世紀(jì)的短期觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，城市配電線路遭受感應(yīng)雷和直擊雷的比例可近似按9:1對(duì)待。因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，絕緣橫擔(dān)防雷僅考慮對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù)，可達(dá)到線路防雷的目的。

    導(dǎo)致架空絕緣線路斷線的根本因素是雷擊閃絡(luò)后的工頻續(xù)流電弧，針對(duì)工頻續(xù)流采取的措施不同，防護(hù)絕緣線路雷擊斷線的具體方法可歸納為疏導(dǎo)式和堵塞式兩種。采用絕緣橫擔(dān)防雷可歸類為堵塞式方法。這種方法主要包括加強(qiáng)線路絕緣、加設(shè)避雷線、加設(shè)氧化鋅避雷器等。10 kV線路設(shè)置絕緣橫擔(dān)防雷措施后，已經(jīng)可以將線路雷擊故障率控制在工程運(yùn)行可接受范圍內(nèi)，基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)性考慮，不建議對(duì)采用絕緣橫擔(dān)的線路再配置地線。

    因耐張絕緣橫擔(dān)技術(shù)還不成熟，耐張桿用絕緣橫擔(dān)還未推廣。一般是直線桿采用絕緣橫擔(dān)，耐張桿（塔）及分支線路加設(shè)氧化鋅避雷器。直線桿采用絕緣橫擔(dān)提高耐雷水平，保證雷電流在耐張桿、分支桿等處通過(guò)金屬氧化物避雷器泄流，達(dá)到防止絕緣導(dǎo)線燒傷斷線的目的。

    基于以上防雷原理，10 kV絕緣橫擔(dān)防雷設(shè)計(jì)要解決兩個(gè)問(wèn)題，即10 kV直線桿絕緣橫擔(dān)干弧距離和耐張桿氧化鋅避雷器的設(shè)置。

2  絕緣橫擔(dān)干弧距離的設(shè)定

2.1  絕緣橫擔(dān)干弧距離定義

    干弧距離(也稱電弧距離)：絕緣橫擔(dān)在正常帶有運(yùn)行電壓的兩個(gè)金屬附件之間外部空氣間的最短距離。如圖1所示。

2.2  干弧距離基礎(chǔ)值設(shè)計(jì)

    從經(jīng)濟(jì)角度考慮，絕緣橫擔(dān)防雷僅考慮對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù)，感應(yīng)雷其過(guò)電壓幅值一般不大于400 kV。在海拔1 000 m下，通過(guò)對(duì)整支橫擔(dān)進(jìn)行正極性U50耐壓試驗(yàn)（試驗(yàn)方法及結(jié)果見(jiàn)中國(guó)電力科學(xué)研究院《配電網(wǎng)10 kV線路用絕緣橫擔(dān)特性研究》），絕緣距離為600 mm時(shí)，U50試驗(yàn)數(shù)據(jù)大于400 kV。由于正極性閃絡(luò)電壓較負(fù)極性低，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出U50閃絡(luò)電壓為395 kV，考慮老化，其設(shè)計(jì)壽命內(nèi)雷電沖擊耐受水平不低于350 kV。

    感應(yīng)雷電流的幅值服從一定的概率分布，一般認(rèn)為服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，我國(guó)電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)采用以下公式：

    雷電通道的等值波阻抗Z₀一般在300 Ω~3 000 Ω間變動(dòng)，雷電流幅值越小，Z₀取值越大。對(duì)應(yīng)最大電壓幅值，取雷電通道波阻抗為300 Ω，可計(jì)算出大于350 kV的雷電幾率為5.62％，即不低于350 kV的雷電沖擊耐受水平可以耐受94.38％感應(yīng)雷。因此干弧距離600 mm絕緣橫擔(dān)滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的防雷設(shè)計(jì)需求。

    綜合以上分析，10 kV絕緣橫擔(dān)在海拔1 000 m及以下時(shí)干弧距離按600 mm設(shè)計(jì)，其雷電沖擊耐受水平不低于350 kV。

2.3  干弧距離海拔修正

    絕緣強(qiáng)度隨著空氣密度減小而降低，因此為確保絕緣橫擔(dān)在高海拔地區(qū)使用時(shí)雷電沖擊耐受水平仍不低于350 kV，要考慮空氣密度的影響。根據(jù)GB 311.1-2012《絕緣配合第1部分定義、原則和規(guī)則》及Q/GDW 13001-2014《國(guó)家電網(wǎng)公司物資采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn) 高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定對(duì)絕緣橫擔(dān)最小干弧距離進(jìn)行海拔修正，海拔修正系數(shù)如下：

    其中，H₂為絕緣橫擔(dān)安裝地點(diǎn)海拔高度，H₁為絕緣橫擔(dān)試驗(yàn)地點(diǎn)海拔高度，m為海拔修正因子（工頻、雷電電壓取1，操作過(guò)電壓取0.75）。

    通過(guò)計(jì)算，絕緣橫擔(dān)在各海拔高度須滿足的干弧距離見(jiàn)表1。

3  避雷器設(shè)計(jì)

3.1  避雷器配合防雷措施

    金屬氧化物避雷器具有良好的非線性伏安特性，能有效限制架空絕緣線路上的直擊雷和雷電感應(yīng)過(guò)電壓，同時(shí)抑制工頻續(xù)流起弧。采用絕緣橫擔(dān)的10 kV配電線路，避雷器宜逐基裝設(shè)在耐張桿（塔）和分支桿（塔）上保護(hù)線路^[3]。對(duì)于多雷區(qū)或中雷區(qū)易遭雷區(qū)域、變電所出口處、變電站饋出線路1 km或2 km范圍內(nèi)、可靠性要求高的架空絕緣線路重點(diǎn)區(qū)段的耐張桿（塔）、耐張?jiān)O(shè)備桿（塔）、耐張電纜桿（塔）及耐張桿（塔）分支線路應(yīng)加設(shè)或調(diào)換大通流容量規(guī)格避雷器。

    避雷器應(yīng)設(shè)置接地體接地，接地形式應(yīng)安全可靠。為了能在雷擊時(shí)盡快泄流，架空絕緣線路每500 m范圍內(nèi)宜有一基耐張桿（塔）安裝避雷器。

3.2  避雷器選型

    根據(jù)Q/GDW 10370-2016《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》要求，帶間隙避雷器用于線路（導(dǎo)線、絕緣子），無(wú)間隙金屬氧化鋅避雷器用于保護(hù)設(shè)備（電纜桿（塔）、開(kāi)關(guān)桿、變臺(tái)桿等）。金屬氧化物避雷器一般可分為帶間隙避雷器和無(wú)間隙避雷器兩種類型。因帶間隙金屬氧化物避雷器本體不易老化損壞，正常情況下不會(huì)引起線路短路故障，因此在雷擊頻繁地區(qū)帶間隙金屬氧化物避雷器更有優(yōu)勢(shì)。

    為減少較高幅值雷電壓下避雷器的故障率，減輕查找處理故障的人力及時(shí)間，兩種避雷器選型均宜采用標(biāo)稱放電電流10 kA級(jí)的大通流容量避雷器。避雷器主要電氣參數(shù)見(jiàn)表2。

4  結(jié)論

    使用絕緣橫擔(dān)是一種有效的防雷措施，10 kV線路設(shè)置絕緣橫擔(dān)防雷措施后，可以將線路雷擊故障率控制在工程運(yùn)行可接受范圍內(nèi)。

    絕緣橫擔(dān)防雷措施要和避雷器配合使用，對(duì)雷電流“堵”“泄”結(jié)合，阻止線路產(chǎn)生工頻續(xù)流電弧，保護(hù)線路安全運(yùn)行。本文介紹的防雷配置綜合了各地運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并被國(guó)家電網(wǎng)公司編制絕緣橫擔(dān)典型設(shè)計(jì)采用，各地試點(diǎn)反應(yīng)良好。

    避雷器配置及參數(shù)選擇，各地也有很多好的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)?？傊?，應(yīng)在滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求同時(shí)，根據(jù)地區(qū)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，綜合造價(jià)分析及后期運(yùn)維成本分析，選擇安全、經(jīng)濟(jì)、適用的耐張桿（塔）避雷器安裝方案。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

龐明遠(yuǎn)1，宗  強(qiáng)2，紀(jì)瑞景3

（1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州，730050；

2. 南通電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南通，226000; 3.上海市南電力設(shè)計(jì)有限公司，上海201100）