10 kV绝缘架空导线雷击断线分析与建议.pdf

2第 51 卷2023 年 8 月Vol.51 No.4Aug.2023云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER10 kV绝缘架空导线雷击断线分析与建议和治翔1，邵力2，贺飞3，廖龙4（1.云南电网有限责任公司迪庆供电局，云南 迪庆 674400；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650214；3.云南电网有限责任公司普洱供电局，云南 普洱 665000；4.云南电网有限责任公司德宏供电局，云南 德宏 678400）摘要：绝缘导线因其良好的绝缘性和安全性，以及在防小动物和缓解线树矛盾方面的优异表现，在10 kV架空配电线路中得以大量使用。但随着10 kV架空配电线路绝缘化程度不断提升，雷击断线故障越来越突出，严重影响了电力设备安全稳定运行。本文结合一起10 kV绝缘架空导线雷击断线故障进行分析，根据现有配网防雷技术，提出防雷治理建议。关键词：10 kV架空配电线路；绝缘导线；雷击；断线Analysis and Suggestions on Lightning Breakage of 10 kV Insulated Overhead ConductorHe Zhixiang1,Shao Li2,He Fei3,Liao Long4（1.Diqing Power Supply Bureau,Yunnan Power grid Co.,Ltd,Diqing 674400,China;2.Yunnan electric power research institute,Yunnan Power grid Co.,Ltd,Kunming 650000,China;3.puer Power Supply Bureau,Yunnan Power grid Co.,Ltd,Puer 665000,China;4.dehong Power Supply Bureau,Yunnan Power grid Co.,Ltd,Dehong 678400,China）Abstract:Insulated conductors are widely used in 10 kV overhead distribution lines because of their good insulation and safety,and excellent performance in preventing small animals and alleviating the contradiction between lines and trees.However,with the continuous improvement of insulation degree of 10 kV overhead distribution lines,lightning bolt failure has become more and more prominent,which has seriously affected the safe and stable operation of power equipment.In this paper,a lightning bolt failure of 10 kV insulated overhead conductor is analyzed,and according to the existing lightning protection technology of distribution network,some lightning protection suggestions are put forward.Key words:10 kV overhead distribution line;insulated conductor;lightning strike;disconnection中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2023）04-0002-030前言10 kV 架空配电线路雷击断线故障必然造成客户停电，因断线故障抢修耗时长，停电时间久，容易引发客户不满和投诉，造成一系列不良社会影响。此外，10 kV 架空配电线路雷击断线故障还可能造成人身事故或引发次生灾害，为了便于运维，多数 10 kV 架空配电线紧邻道路、农田及其他人员活动区域，发生雷击断线后，若电源侧导线断落，可能造成人员触电；在山区10 kV架空配电线路穿越林区现象极为普遍，发生雷击断线，若电源侧导线断落，极可能引发山火，给供电企业和国家造成重大损失。所以，预防 10 kV 架空配电线雷击断线对于提高客户供电可靠性、防人身触电和防山火等方面都具有重要意义。110 kV绝缘架空配电线路雷击断线1.1雷击故障10 kV 配电线路数量庞大，分支线延申范围广泛，遭雷概率高1，由于绝缘水平低，雷击后极易发生故障引起跳闸。据统计，每年雷击3第 51 卷2023 年第 4 期10 kV 绝缘架空导线雷击断线分析与建议故障约占 10 kV 配网总故障的 25%左右。线路雷击形式主要为直击雷过电压和感应雷过电压2。由于架设高度相对较低，10 kV 架空配电线路90%以上的雷击为感应雷过电压。即使是感应雷过电压也高达几十千伏甚至上百千伏，可轻易击穿 10 kV 架空线路和设备绝缘，导致线路和设备故障。1.2雷击故障原因分析造成 10 kV 架空配电线路雷击故障的原因主要有以下几个方面：1）线路绝缘水平低。部分 10 kV 架空配电线路绝缘子耐雷水平不高，雷击闪络、击穿概率高；2）防雷措施不完善。部分雷区 10 kV 架空线路未按要求配置避雷器、架空地线等防雷设施，雷电过电压和和雷电流无法得到限制和泄放；3）线路绝缘配合不合理。注重线路绝缘提升，却忽略防雷设备、设施建设，导致雷电对其余绝缘薄弱部分造成破坏；4）避雷器老化严重。避雷器长期承受雷电冲击及工频电流，疲劳、老化，性能大幅下降5。由于缺乏避雷器在线检测手段，绝大多数避雷器自投运至今未开展过检测，无法有效监测避雷器状态，雷击故障率高；5）接地电阻不达标。避雷器、架空地线等防雷措施都是通过将雷电压和雷电流引入大地，从而实现对线路和设备的保护，因此可靠接地成为防雷装置的关键所在3。部分防雷设备接地设置简易、接地装置材料发生劣化以及受环境影响等导致接地电阻不达标，影响防雷效果。1.3雷击断线机理因绝缘子的外绝缘空气间隙较短和绝缘子的老化原因，绝缘子附近是雷电过电压最容易击穿的位置，主要表现形式为沿绝缘子表面闪络或绝缘子击穿。绝缘子闪络击穿后雷电流对地形成短路电弧，在电网系统工频电压作用下形成工频续流，电弧能量将剧增，工频电弧弧根温度可达 1000 5000，若弧根固定于导线某一位置，则短时间内产生大量热量会造成导线烧熔断线2-3。绝缘导线和裸导线在雷击断线方面存在着明显的差异。对于绝缘导线，雷电过电压击穿会在导线绝缘层上形成一个击穿针孔，工频续流的弧根会固定在针孔位置无法移动，工频电弧会集中烧灼导致断线；对于裸导线，当雷击绝缘子闪络时，接续的工频电弧在电动力的作用下会沿导线表面滑动，不会集中在某一点烧灼，一般不会严重烧伤导线1。因此，绝缘导线比裸导线更容易发生雷击断线故障6。由于 10 kV 架空线路三相导线上的雷电感应过电压幅值相近，所以雷击可能引起多相闪络，特别是在相间之间发生闪络，容易造成多相接地或间接性相间短路断线。雷击断线故障由于导线断点位置特殊，不宜接续，往往只能进行更换，若发生多相断线，还可能引起杆塔断裂，故障范围扩大。2典型案例分析2.1故障概况2022 年 1 月 21 日 17 时 57 分，某县供电局所辖 110 kV 甲变电站 10 kV 乙线 045 断路器过流段保护动作跳闸，重合闸成功，部分用户反应无电。2022 年 1 月 21 日 20 时 10 分，运维人员发现 10 kV 乙线 A 支线 8 号杆大号侧三相导线断线脱落。断线导线断口平齐（如图 1 所示），针式绝缘子如图 2 所示。图1导线断口图2P-15针式绝缘子查询配网雷电监测系统，2022 年 1 月 21 日17 时 56 分在 10 kV 乙线 A 支线半径 1 km 范围内发生雷电 1 次，雷电最近杆塔：10 kV 乙线 A 支线 1 号杆；距离 176.87 m；电流幅值：-39.4 kA，如图 3 所示。图3配网雷电监测系统数据4云南电力技术第 51 卷2023 年第 4 期结合 10 kV 乙线 045 断路器故障跳闸时间、配网雷电监测系统监测到的雷电时间、雷击点与线路距离以及断线导线的表象特征，判断10 kV 乙线 A 支线 8 号杆绝缘导线三相断线为雷击造成。2.2故障分析一般情况下，架空配电线路雷电感应过电压可以用以下公式进行计算：2ddg1 L()1HHUk I InSS=+（1）当 S 65 m，S Hd，公式可进一步简化为：Ldg1I HUkS=（2）式中：Ug为导线上的感应雷过电压最大值，kV；k1为感应过电压系数，我国标准一般取 k1=25；IL为雷电流幅值，m；Hd为导线悬挂的平均高度，m；S 为雷击点与导线的距离，m1,4。本次雷电流幅值 IL为-39.4 kA，导线悬挂的平均高度 Hd为 10 m，雷击点与导线的距离 S为约 76.9 m，代入上式计算，得出导线上的感应雷过电压约为 128 kV。10 kV 乙线 A 支线 8 号杆采用针式绝缘子型号为 P-15 针式绝缘子，型号参数如表 1 所示。表1P-15T（M）绝缘子参数 型号公称爬电距离/mm最小去破坏负荷/kN雷电冲击耐受电压峰值/kV工频湿耐受有效值/kV绝缘配合比P-15T（M）26013.790451.5综合以上信息，判断造成本次雷击断线故障的原因为：1）10 kV 乙线 A 支线绝缘水平低，所用 P-15针式绝缘子雷电冲击耐受电压为 90 kV，而经计算导线上感应雷过电压为 128 kV，远大于绝缘子承受值，绝缘子必然发生闪络和击穿。2）该支线无线路避雷器、架空地线等防雷措施，线路防雷能力不足，感应雷过电压和雷电流在该支线未得到限制和泄放，在绝缘相对偏低的 10 kV 乙线 A 支线 8 号杆绝缘子处发生三相闪络和击穿，造成绝缘导线断线。3防雷击断线措施及建议基于 10 kV 线路断线的原理和案例分析，提出相关的改进技术措施和管理措施。3.1技术措施现有防雷技术和装置分为两种方式：堵塞式和疏导式。堵塞式以限制雷电过电压、降低雷击闪络概率或者阻止雷击闪络后工频续流建弧为目的，主要包括加强线路绝缘、安装避雷器、装设架空地线，改善接地。疏导式主要实现改变雷击闪络路径、并对后续工频电弧进行疏导、防止工频电弧烧损绝缘子及烧断导线，包括安装并联放电间隙。根据 10 kV 线路断线的根本原因，综合考虑装置成本，线路防雷击断线措施以堵塞式为主，疏导式为辅。1）提高线路绝缘水平。将易击线路（区段）普通针式陶瓷绝缘子更换为瓷柱式绝缘子或复合绝缘子，增加耐张杆悬式绝缘子片数，增加线路绝缘强度，增大导线与横担距离，可减少闪络。对于极易击线路可更换瓷横担或复合横担进一步加强绝缘，但因机械强度有限，线路档距不易过大。2）增加线路避雷器，改善接地。增加易击线路（区段）避雷器布点，同步完成接地建设，提升线路限制雷电过电压和泄放雷电流的能力。对于极易击线路可采用架设架空地线的方法防雷。提升线路绝缘和安装线路避雷器须有效结合，才能使线路防雷效果最大化。3）使用放电间隙。在导线和接地端分别安装放电间隙两极，形成一个空气间隙。当过电压超过一定数值时，空气间隙被击穿，形成短路通道，泄放过电压的能量。这种防雷装置依靠自然灭弧，不能确保在线路保护动作前将电弧熄灭，可能会引起线路跳闸。4）使用多腔室吹弧式保护装置。易击线路或易击线路区段可以与绝缘子并联安装，利用多个小灭弧室将大电弧分解为小电弧，并将其吹至周围空气中，从而把电弧熄灭。装置保护范围大，寿命长，灭弧能力高，能在线路保护动作前释放雷电能量，但价格相对较高。3.2管理措施10 kV 架空线路数量庞大，且雷击具有一定的地域性和选择性，防雷治理前需要对雷击线路开展评估，根据评估结果，逐级开展治理3。根据相关研究，雷击存在一定的选择性，一般体现在以下方面：（下转第20页）20云南电力技术第 51 卷2023 年第 4 期3）通过谐波阻抗扫描，STATCOM 装置在频段 13201350 Hz、18501860 Hz、21202140 Hz存在着谐振风险，建议进一步研究通过调整 PI参数来解决谐振问题。参考文献1 张胜安,曹天成.STATCOM对电力系统的稳定性影响仿真分析J.黑龙江科学,2022,13(18):9-132 王新浩,袁绍军,刘振宇,等.无功补偿对新能源汇集送出区域静态电压稳定极限的影响J.河北电力技术,2022,41(2):1-73 徐伟丰,俞永军,蒋超俊,等.低压配电网串联无功补偿的应用分析J.电力电容与无功补偿,2021,42(01):51-574 陈凯.基于STATCOM的风光储互补系统的控制策略研究J.电工电气,2022(09):113-175 郑春,肖定垚,聂更生,等.江西南部电网受入直流电压稳定问题及无功补偿策略研究J.电力电容器与无功补偿,2022,43(2):1-76 李春敏,吴亚洲.新能源接入对电网安全稳定的影响思考J:应用能源技术,2022,(8):58-617 杨硕,王伟胜,刘 纯,等.改善风电汇集系统静态电压稳定性的无功电压协调控制策略J.电网技术,2014,38(5):1250-12568 DL/T1773-2017电力系统电压和无功电力技术导则S9 何仰赞,温增银.电力系统分析（下册）M.武汉：华中科技大学出版社,2010.收稿日期：2023-06-26作者简介：李俊杰（1993），男，硕士，工程师，中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司能源规划研究中心，从事电力系统规划及电网安全稳定风险分析工作。（E-mail）junjie_。1）在平原等空旷地区，由于尖端效应，突出地面或高耸的物体容易遭受雷击；2）山顶的突出物体、山坡迎风面、山区盆地、山沟中处于风口的物体容易遭受雷击；3）雷击与地质条件有关，地下有矿物质的地面物体容易遭受击；4）在湖沼、低洼地区及地下水位高的地区，地面物体容易遭受雷击。雷击的这一特性，可作为 10 kV 架空线路防雷评估的重要依据。再结合地区雷击强度和线路往年雷击故障次数等情况评估线路或线路区段易击等级1。4结束语本文针对 10 kV 绝缘架空配电线路雷击断线问题，分析了其故障类型、原因和机理，并提出了一套综合技术方案来防止或减少雷击断线故障的发生。除技术措施外，还需要在管理措施中加强对线路易受雷击和故障高发区段进行有效评估，明确重点治理对象，提升技术措施实用效果，切实降低雷击对线路和设备的影响。参考文献1 黎洪光.10 kV配电线路遭受雷击破坏的原因及防范J.电力安全技术,2011(3):15-18.2 李景禄.配电网防雷技术M.北京:科学出版社,2014:1-430.3 陈管丹.10 kV线路雷击过电压分析及防雷措施研究N.科技创新导报,2018(9):55-56.4 高源,孙学东,张喆,等.10 kV架空裸导线雷击断线机理仿真与试验研究J.高压电器,2017(8):129-133.5 甘景福,马鑫晟,彭珑,等.典型地区配网设备雷击故障特征与防雷措施分析J.华北电力技术,2014(7):10-13.6 王常余.架空绝缘导线雷击断线的几率高于架空裸导线的原因J.电世界,2011(8):54.收稿日期：2023-05-06作者简介：和治翔（1989），男，本科，助理工程师，配电线路工技师，云南电网有限责任公司迪庆供电局，当前从事配电线路运维。（E-mail）；邵力（1992），男，工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事配网生产工作。（E-mail）；贺飞（1987），男，高级工程师，云南电网有限责任公司普洱供电局，从事配网工作。（E-mail）。（上接第04页）