技术︱新型10kV架空绝缘导线防雷击断线用防雷金具探讨
国网浙江乐清市供电公司运维检修部的研究人员胡茜、林余杰、胡朋杰，在2015年第12期《电气技术》杂志上撰文，结合A市近些年来10kV架空绝缘导线雷击断线事故的发生情况，对断线原理加以剖析，并简单介绍了国内外目前采用较多的预防措施。然后提出一种新型防雷击断线用防雷金具的设计，分析了新装置的结构、工作原理和性能技术要求，并通过试验和与其他防护措施的综合比较，证实了该装置的性能与优势。
我国经济正处于腾飞阶段，社会各方面用电量骤增，需铺设更长的输配电线路，以缓解供电紧张。电缆敷设进度慢，投资较大，而架空裸导线存在着走廊和安全问题，故架空绝缘导线在当前应用最为广泛。其优点固然很多，但也有弊端，最为突出的就是雷击断线故障。
架空绝缘导线长期暴露于空气中，难免会遭到雷击，一旦断线，将影响到整个输配电线路。从近几年相关数据分析来看，国内外每年都有多次雷击断线事故发生，不但造成了巨大的经济损失，还容易导致居民伤亡。
国内电网事业发展前景良好，随着城乡生活水平提升，10kV架空绝缘导线长度不断增加。安全问题永远在第一位，线路密集带来了一定的风险，为抑制雷击断线事故的上升趋势，需果断采取有效措施。
1 案例分析
上世纪80年代初，随着改革开放之风蔓延，国家制定了一系列政策，A市凭借自身优势条件，在政府领导和政策鼓励下，经济进步，成绩斐然。几年后，用电量超了3倍，为满足各方面用电，对配电网架空线路做了重新规划，10kV架空绝缘导线得以广泛使用。
相关运行资料显示，绝缘导线长度越来越长，雷击断线事故发生次数也随之增加。2000~2005年间，每年每一百公里约有3次雷击断线事故。2006年，该市出现8次雷击断线事故，因此导致了近600次线路故障。2007年7月，该市某高中附近发生雷击断线，造成13名学生重伤，停电也给当地居民带来诸多不便。
经计算，若10kVkV配电线路负荷为4500kV，每次修复时间4~5h，所花总费用在12~15万元之间。可知，雷击断线事故会直接造成经济损失，若能控制事故发生率，可避免很多损失。
2 关于10kV架空绝缘导线雷击断线的原理分析及现有预防对策
2.1原理分析
雷击是一种带电云层与地面放电的自然现象，通常分为直击雷和感应雷，前者是指云层直接对地面某一点放电，破坏力巨大；后者又叫二次雷，多指直接雷发生后，所产生的余波，对周围事物造成的放电现象。
过电压击中裸导线后，工频电弧会沿着导线移动，因为弧腹温度低于弧根，而弧根沿着导线表面滑动，弧腹则向空中飘浮，导体通常不会被烧损，也就不会发生断线故障。而绝缘导线被雷电过电压击中时，过电压势能大但时间短，通常会引起绝缘层被击穿，从而发生绝缘子闪络现象。
同时，工频短路电流受限，不像裸导线被击中时那般，弧根在表面滑动，以至于高温度的弧根，容易集中在被击穿后的绝缘层处燃烧，最终因雷击导致断线。
2.2预防手段
目前国际上多通过两种方式预防雷击断线：
一是疏导法，该方法通过裸露化绝缘子附近的绝缘导线，达到弧根移动的目的，如此一来，高温弧根就不再集中于一点燃烧，绝缘导线也就不易烧损。该方法成本较低，操作难度不高，不过绝缘导线一旦裸露化，绝缘性和密封性就会受到影响；
二是堵塞，在绝缘导线上安装避雷针等装置，提高其绝缘性，从而降低闪络发生率，阻止雷击后工频电流起弧。该方法具有良好的保护效果，但是成本昂贵，安装具有很大难度。
按具体的方法来分，有以下多种：安装氧化锌避雷器、架空避雷线，使用钳位绝缘子，增强导线绝缘能力，加长闪络路径，使用防弧金具、过电压保护器等。最后两种方法在我国应用较为普遍，虽能起到很好的保护效果，但在运行维护等方面仍有不足。
随着现代化科技的进步，一些新的防雷击断线的技术逐渐兴起，A市自2007年开始研制一种新型的穿刺型防雷金具，并于2009年投入使用，经过多年监测观察，雷击断线事故得到较好的控制。
3 新型10kV架空绝缘导线防雷击断线用防雷金具的设计分析
3.1结构组成
此新型防雷金具结构图如图1所示，主要由绝缘导线、绝缘子、绝缘子下部金属电极、穿刺线夹、硅橡胶护套、延伸电极和屏蔽电极几部分组成。它可以直接安装在绝缘子上端，除了良好的防雷击断线功能，运行安全度大大提高，且安装工作简单，维护难度小，非常适用于10kV架空绝缘导线。
3.2工作原理
在该装置中，利用穿刺线夹，放电间隙可移至绝缘子下部金属电极和屏蔽电极之间加以固定。穿刺刀片和导体直接相连，当雷电过电压击中10kV架空绝缘导线时，在穿刺刀片导引作用下，过电压会被转移流向绝缘子下端的金属电极和屏蔽电极上，并对此直接放电。
如此一来，产生的工频续流电弧就解决了在架空绝缘导线上集中于一点燃烧的问题，而是在装置的放电间隙燃烧，从而避免了断线。从其实质上看，即在绝缘子处依照裸导线的结构将绝缘导线进行改变，保证其不被烧损。
3.3技术性能要求
为体现此新型防雷金具的优势，对其技术性能有要求，需满足以下三点：首先，穿刺电极和绝缘导线部分保持紧密的接触，并保证其热稳定性。一般会开展热稳定试验，电流有效值为20kA，持续1s；其次，PS-15型绝缘子在10kV架空绝缘导线配电线路中应用较多，以此为例，新型防雷装置的雷击闪络电压至少要达到105kV；最后，该装置需经过工频短路电流试验和相应的电弧试验，并达到试验要求，即保证绝缘导线不被烧损，但允许高压电极和低压电极局部被烧。
电弧试验包括大电流试验和小电流试验，前者的短路电流有效值为12.5kA，时间0.3s，试验次数5次；小电流电弧试验短路电流有效值为1.5KA，时间1s，试验次数5次。
4 通过开展试验分析新型防雷金具的可行性
4.1热稳定试验
为保证新型防雷金具能起到良好的防雷击断线效果，需通过几项试验对其各项性能进行检测。热稳定试验由沈阳机械工业高压电器质量检测中心负责，试验用的电源频率为50Hz，功率因数在0.15以内。试验前，把该装置直接安装在截面面积为180mm2的10kV架空绝缘导线上，绝缘子采用PS-15型。
本试验要求的短路电流值为20kA，实际值为22.5kA；要求的时间为1s，实际值为1.05s。试验结果见表1，试验前后穿刺电极和导线间的接触电阻变化情况见表2。
表1 22kA短时耐受电流热稳定试验
表2 试验前后的接触电阻变化情况
从试验结果来看，试品损伤较小，没有明显痕迹，前后的接触电阻变化率为3%，在试验前的20%以内，说明该新型装置热稳定试验通过。
4.2雷电冲击放电试验
图2是雷电冲击电压试验线路原理图。
从前面分析可知，新装置的雷击闪络电压最少要达到105kV，需要分为正极和负极，分别开展试验，图3是本次试验的波形图，如其中负极性标准雷击放电电压波形图所示，临界击穿电压为241.3kV；正极性图的临界击穿电压为214.5kV，高于要求的105kV。在没有安装此新型防护装置时，考虑到现实中雷击以负极性为主，其负极性波形图的临界击穿电压为260kV。
相比之下，安装与否并没有很显著的差异，究其原因，主要在于安装在PS-15型绝缘子上的穿刺型高压电极没有使绝缘子表面的电场分布得到明显改变，所以对其击穿闪络特性影响较小。
图3
4.3工频电弧试验
为保证新防雷金具在遭受雷击后，工频续流电弧能够被引导至绝缘子下部金属电极和屏蔽电极之间的放电间隙，并在此燃烧，避免绝缘导线被烧损，需开展工频电弧试验。试验接线图见图4。
图4
试验前，将该装置直接安装于绝缘导线，采用PS-15型柱式绝缘子，所有的试验在同一个样品上开展。试验过程分为两步：第一，完成连续5次大短路电流工频电弧试验，电流为12.5kA，电弧燃烧时间0.3s；第二，完成连续5次小短路电路工频电弧，电流为2.5kA，电弧燃烧时间0.5s。此外，为保证试验的科学性和精确性，10次试验总时间必须控制在30min以内。
表3为工频5次大电流电弧试验结果，表4为工频5次小电流电弧试验结果。对两个表格进行分析，该新型装置经过10次电弧灼烧试验，虽然高压电极被烧损，低压电极也有明显损伤，但绝缘导线基本上保持完好，并未被明显烧损，整个防雷金具性能不受影响，说明此次试验通过，试品符合要求。
由此可知，新型防雷金具选择耐烧灼金属材料具有其合理性，可保证绝缘子被烧损的情况下不会断线，其抗电弧灼烧性要明显高于其他普通防雷击方式，用于10kV架空绝缘导线，对降低雷击断线事故发生率大有帮助。
表3
表4
5 新型防雷金具与过电压保护器、防弧金具在各方面的对比分析
前面三个试验表明：不管是在热稳定性，还是工频电弧等方面，该市设计的新型防雷断线用防雷金具均符合要求，具有良好的使用价值，值得进一步推广。为进一步求证其经济使用价值，该市在研究过程中，从其他市区选择了过电压保护器、防弧金具两种防雷击断线装置，与新型装置的综合性能加以对比分析。对比结果如表5所示，共涉及稳定性、经济性、实际能力、安装难度、免维护性等七个方面。
表5 新型防雷金具与过电压保护器、防弧金具在各方面的对比
对比分析结果显示，经稳定性、经济性等方面的综合比较，新型10kV架空绝缘导线防雷击断线金具的综合性能要优于过电压保护器和防弧金具两种防护方式。该市2009年开始使用这种新型装置，每年大约可减少75%的雷击断线故障，应用效果明显。
6 结束语
作为当前社会不可缺的资源，电能供求日益紧张，配电网中10kV架空绝缘导线明显增多，随之而来的安全问题也不容忽视。雷击断线是发生率较高、威胁最大的一种故障，必须采取有效的措施尽量避免。当前已有的防护措施大都存在有弊端，在此提出了一种新型防雷金具，今后可加以推广。
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