1、雷电断线分析
针对10kV架空绝缘线路来讲,目前雷击后造成断线较为普遍。从雷电过电压机理来看,根据(DL/T620-1997)交流电气装置的过电压保护和
绝缘配合,10kV以上电压等级线路主要通过架设避雷线来防止直击雷,并降低感应雷、侵入波陡度,通过避雷器、进线段保护完成堵塞,有效阻
止侵入波对电站设备侵扰。目前电网系统防雷设计思想主要是堵塞型,10kV架空绝缘线路由于自身特点的不同,造成雷击断线防范的空白点。
雷电过电压主要是直击雷与感应雷,直击雷又以下行负雷为多,下面主要以下行负雷为例加以说明。在下行负雷先导发展的过程中,架空绝
缘线路强电场处发出向上迎面先导,随后产生雷电主放电阶段。目前从运行实际和现场条件来看,迎面先导的发出点应该是瓷瓶等线路较高点
或突出点,同时我们采用的瓷瓶绑扎均为裸铝扎线,也是一个薄弱点,雷击断线的部位也绝大部分是导线支撑、悬挂点附近。
目前对于雷击绝缘导线断线,普遍认同的机理是架空绝缘线路因雷电过电压造成闪络时,瞬间电弧电流很大但时间很短(约几微秒至几毫秒
),仅在架空绝缘导线绝缘层上形成击穿孔,不会烧断导线。但是,当雷电过电压闪络,特别是在两相或三相(不一定是在同一电杆上)之间闪络而
形成金属性短路通道,引起数千安培工频续流,电弧能量将骤增。此时,由于架空绝缘导线绝缘层阻碍电弧在其表面滑移,高温弧根被固定在绝
缘层的击穿点而在断路器动作之前烧断导线。对于裸导线,电弧在电磁力的作用下,高温弧根沿导线表面滑移,并在工频续流烧断导线或损坏绝
缘子之前引起断路器动作,切断电弧。因此,裸导线的断线故障率明显低于架空绝缘导线。感应雷过电压也是如此,通过运行实践,在市郊空旷
地带zui常发生。
2、腐蚀断线分析
绝缘导线在实际运行中,也时常发生非雷击断线,通常是在线路的弧垂低点处,其主要原因是绝缘导线进水受潮,电化腐蚀加剧造成导线脆
断。有的线路耐张线夹选用的是剥皮型,有时即使加装保护罩,因没有进行密封处理造成水气进入。同时线路上大量使用的穿刺线夹以及导线
接头处都可能导致。水气通常在弧垂处聚集,由于绝缘层厚度较大(3-5mm),不易挥发,铝芯线腐蚀加快,同时由于水分的存在,畸变了绝缘层的
电场分布,局部气泡放电产生大量的O3、NO、NO2,更加剧了绝缘层和芯线的电化腐蚀,zui终造成断线故障。南通地区实际运行中发生过绝缘层
完好内部导线腐蚀断线的故障，从外表看线路依然完好，经反复查找才找到故障点，这就要求我们在绝缘导线的施工中严格按施工工艺施工，
不留事故隐患。
3、目前各种处理方法简述
防止雷击断线目前可采取的技术手段主要有架设避雷线、避雷器、过电压保护器、提高全线路绝缘水平等。日本、芬兰、俄罗斯等发达国
家由于使用绝缘历史较长,累积了较多的运行经验,主要采用钳位绝缘子、限流消弧角、防导线熔断装置以及增长闪络路径等方式。
由于国内目前绝缘线路应用时间较短,运行经验不多,同时,分析事故原因不透彻,发生机理研究不够深入,防范绝缘线路断线措施和技术手段单
一,国家电力公司发输电输[2001]7号文件《城市电网架空绝缘导线应用研讨会纪要》中提出:宜使用架空绝缘线路过电压保护器来防止架空绝
缘电缆雷击断线事故。
3.1架设避雷线
避雷线降低直击雷危害效果明显,也能有效减小感应雷过电压幅值与来波陡度,但由于10kV线路绝缘配合、耐雷水平较低,极易造成反击
,从而工频续流烧断导线。总的来说,避雷线对防雷击断线有一定效果,尤其是直击雷较多区域。但对于老线路而言,面临改造较多、投资较大
、施工较为困难。对于新线路经济效益也不明显，一般来说配网极少使用避雷线作为防雷措施。
3.2装设避雷器
装设避雷器是前几年广泛采用的一种方法,一可降低过电压幅值,二可限制工频续流。从上面分析可知,持续在击穿点的工频续流是导致绝
缘线烧断的根本原因,因此可有效保护架空线。但也存在一定问题。目前同杆双回、三回、四线较多,如采取每隔1-3基杆加装,数量较多,施工
较复杂。同时由于避雷器与架空线芯线直接接触,即使采用穿刺线夹,由于点多面广,极易造成密封不良水气进入。避雷器选用带串联间隙
氧化锌避雷器,避雷器发生故障后不至于影响线路正常运行状态,也延长了避雷器的使用寿命。从实际运行来看，装设避雷器对10KV架空绝缘
线的保护效果不是很明显，南通市2007年8月大庆线雷击断线的断线点就紧靠避雷器。
3.3限流消弧角
日本研制的限流消弧角主要由环形角(引流环)、ZnO、安装支架组成,主要结构如图1所示。该结构与目前上海等地区使用的过电压保护器
结构类似。当发生雷电过电压时,导线与环形角之间的空气隙被击穿,并通过ZnO将雷电流引入大地,由于ZnO的优异性能,工频续流截断,从而保
护导线不被熔断。如雷电流过大安装支架与环形角之间空气隙将被击穿,进一步提高了ZnO的通流能力,有效避免氧化锌避雷器爆炸,即使ZnO损
坏,由于环形角并不与导线直接接触,也不会发生单相接地故障。同时安装时由于不需剥离绝缘层,有效防止了绝缘层进水,综合性能较好。
3.4其它措施
芬兰的防导线熔断装置(SAX系统),就是将导线固定处(瓷瓶处)前后各30cm~50cm绝缘层全部剥离,加装厚金属线夹,以承托弧根,保护导线
不在工频续流下熔断。这比较适用于直线杆采用悬式瓷瓶的线路,我国架空绝缘线路采用支柱瓷瓶不适用,而且剥离绝缘层一旦密封处理不好
,反而增加隐患点。
日本的放电钳位绝缘子也是剥离绝缘层,加装金属线夹,同时设引弧放电间隙,其核心也是保护导线不在工频续流下熔断,其缺点与SAX系统
一样。
增大闪络路径,降低工频建弧率也是非常好的思路,如加大导线固定处导线的绝缘强度,提高局部耐雷水平。俄罗斯在这一思路下提出在横
担上安装U型绝缘环,头部绝缘剥离,使得U型绝缘环与导线之间间隙的冲击放电电压比针式瓷瓶低,其闪络路径增加至足够长时,可有效阻止工
频建弧。但其安装方式在同杆多回路上实施较为困难,应用实例也不多见。
4、设备选择
过电压保护器由ZnO1串联不锈钢引流环2,并与架空绝缘线路3之间构成的间隙4组成。ZnO用于截断工频续流,所以必须考虑在工频过电压
下流过它的电流,按DL/T620-1997,对于中压10kV系统,工频过电压不超过1.1p.u,选择ZnO额定电压为12.7kV,直流1mA下参考电压在18kV及
以上,这样在13.8kV工频过电压下,不考虑串联间隙影响下,流过避雷器的工频续流0.1A左右,表明ZnO能够很好切断工频续流,再加上外串联间
隙,对于小电流的切断效果更为明显。
通流能力上,按DL/T620-1997,我国一般地区雷电流幅值超过I的概率为P=10(-I/88),雷电流可能达到的幅值与所处区域、运行时间有关,一
般来说,ZnO运行时间取20年是比较合理的数值,同时按DL/T620-1997推荐,对于雷暴日T=40的地区,每百公里每年的雷击次数为
N=0.28*4h(h为架空线平均高度,选取10米左右),则雷电流幅值超过I的雷击次数N=11.2*10(-I/88)。再考虑运行时间20年,每百公里雷击次
数N=224*10(-I/88),通常10kV每档线平均距离为50米,则每基杆20年雷电流幅值超过I的雷击次数为N=0.112*10(-I/88),由此可以计算
,10000基杆在20年时间,雷电流超过200kA的次数为6次。实际上,市区内的配电线路由于周围建筑物的屏蔽作用,实际次数要远远小于这个数
值,而对于郊区空旷地带,根据运行经验,又要远远大于这个数值。以上计算虽然为200kA,实际流过ZnO的雷电流极少,这样若选择接地电阻
30Ω,按EMTP暂态计算程序,流过ZnO的雷电流幅值为16kA以下,虽然如此,为保证一定裕度,可选择D3阀片,它能承受65kA大电流冲击2次。若每
基杆都安装,则20年内ZnO损坏率约为万分之六,安全裕度虽高,但经济性、实用性较差。若每隔4基杆安装,损坏率为千万之2.4。同时安装太密
,对带电作业施工要求较高,故宜3基杆左右安装一组。
串联间隙,由引流环至绝缘线路之间的空气隙组成,其应满足:
A.在雷电过电压下串联间隔应可靠动作,保证绝缘子不闪络,要与绝缘子的型式进行配合,确实间隙长度。
B.能耐受zui大工频过电压不击穿。同时还要考虑污秽等外界影响。
从第1点来看,间隙距离越小越好,这样绝缘子闪络的可能性越小。但与第2点相矛盾。若以绝缘子闪络率不超过5/100000为依据,按国标雷
电冲击相对标准偏差0.03进行推算,要保证绝缘子闪络率要求,雷电过电压应小于0.88倍绝缘子50%雷电冲击闪络电压,同理要保证ZnO不动作
概率小于5/100000,那么保护器串联间隙50%雷电冲击闪络电压应小于0.88倍的雷电过电压。由此可知要保证保护器可靠动作而绝缘子不闪络
,要求绝缘子50%雷电冲击闪络电压至少要比串联间隙50%雷电冲击闪络电压高出25.6%以上,即绝缘配合系数应为1.256,这*缘配合系数与
前苏联的绝缘配合系数一致。从第2点来看,串联间隙应足够大,但与第1点相矛盾,对10kV线路而言,应能耐受1.1,绝缘配合系数应大于
1.256,同时还要考虑雨、雪等影响,增加10%,选1.35左右较适合。
还要注意在操作过电压情况下的稳定运行,zui严重的情况是开断或关合时系统已有单相接地故障,根据DL/T620-1997,可能达到4.0p.u,即
39kV左右。要保证在zui大操作过电压39kV条件下,间隙不击穿。
5、技术措施
(1)根据设备选择中计算结果,确定过电压保护器几个主要技术指标分别为,额定电压为12.7kV,直流参考电压18kV,串联间隙距离为100±
5mm。目前已有部分厂家试生产,选用成套产品。
(2)所选择安装线路宜选择郊区空旷地带或市区周围无遮挡区域,易受雷害事故影响的架空绝缘线路,不需要全线路安装。
(3)每隔150米(3基杆左右)安装一组,接地电阻宜小于4Ω,应控制在10Ω以下。在条件不具备时,可每隔250米(5基杆)安装,但接地电阻必
须控制在4Ω以下,防止地电位升高反击。
(4)对于单回路,每相均需安装,对于同杆双回路(垂直排列、三角形)安装在顶线及边线四相上,对于同杆三回路安装在顶线及zui上两层横
担边线,对于同杆四回路安装在顶线及zui上两层横担边线。
(5)对于雷击特别频繁区域的新建10kV架空绝缘线路,为提高全线路耐雷水平，耐张杆选用合成硅橡胶绝缘子，直线杆也选用合成硅橡胶
支柱绝缘子，选用合成绝缘子的施工作业强度也将大大降低。对于一般区域,耐张杆选用合成绝缘子,直线杆除合成绝缘子外,也可选用PS-
500型支柱绝缘子。
(6)对于起始杆、终端杆等架空绝缘线路与电缆线路相连接的杆位,不需再安装过电压保护器,只需安装普通电缆头部避雷器构成进线段保
护即可,不需重复安装。
(7)为防止绝缘线路水气进入,绝缘线路所用耐张线夹选用不剥皮结构,搭接头、接火点选用穿刺线夹,并同步做好密封措施。干线段耐张
杆连接处为保证连接效果,也可选用并沟线夹,但需用绝缘自粘带将破皮处包裹二层和其它密封处理。
(8)对于架空绝缘线路断线处理,宜采取压接方式处理,并用普通电缆热缩管加密封胶进行密封。
(9)施工工艺上,安装穿刺线夹一律使用工具,动作平稳,为保证穿刺效果,各类搭接头使用穿刺线夹数量根据现场情况确定,但不得少
于2个。
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