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摘要：以某供电所配电线路10KV配电线路跳闸故障数据为样本，统计分析数据对比得到10KV配电线路跳闸的主要原因。结合配线路感应雷跳闸的特征，建立了避雷器感应雷跳闸模型。根据感应雷频率的变化规律，提出了有效的防雷措施。
关键词：10KV配电线路；避雷器；雷击故障点
引言
随着国民经济的快速发展，人们对电能的质量越来越强，对供电的可靠性要求越来越高[1]。配电线路的建设任务也越来越重大。所有学过中国地理的人都知道，中国南方各省，大部分都是丘陵或者山地中，而且夏季受大陆季风气候的影响，夏季多雷电。南方各省的配电线路常处于雷电频繁的地区，增加量雷击事故的发生。中国中压配电网主要采用10KV和35KV电压等级，其中10KV配电网络所占比例超过80%。10KV架空配电线路因其自身绝缘水平低、分布广，造成跳闸故障居高不下。在跳闸事故中，雷击所占比例很大[2].配电线路的主要防雷措施为：架设避雷线、加装耦合底线、改善保户角、降低杆塔接地电阻、增加绝缘子数量、装设自动重合闸装置等等。以上方法能有效降低线路跳闸次数。但在绕击雷、反击雷对输电线路造成影响以及高土壤电阻率的线路杆塔防雷问题上，仍得不到特别有效的解决方法。
随着现代合成材料的应用和发展，发达国家开始安装避雷器在配电线路易受雷击的地段和杆塔，以提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率，提高线路的稳定性，降低雷击跳闸的次数，确保输电线路安全稳定运行。本文将探析线路避雷器在10KV配电线路防雷性能。
1 避雷器的工作原理
避雷器是一种连接在导线和大地之间的防止雷击的设备，安装的时候通常与被保护设备并列。线路在正常工作电压下运行时，避雷器不会工作，处于短路状态，当出现高电压，避雷器立即动作，将高压电流导向大地，从而稳定了电压幅值，保护电气设备绝缘。当过电压消失后，避雷器恢复原状，保证供电系统的正常供电。避雷器主要通过并联放电间隙的作用，对流动波进行削幅，降低被保护设备所受过电电压幅值，从而保护电力设备，避免了因电力设备受损，带来的线路跳闸问题。
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图表 1 避雷器和被保护电力设备
图1 说明，线路避雷器的伏一秒特性比被保护的伏一秒特性的配合关系，雷绕击时，避雷器伏一秒特性要比被保护设备的伏一秒特性低15%以上；雷反击时，可以低20%以上。
避雷器的作用主要用于降低输电网络的雷击跳闸次数，并非限制操作过电压。避雷器在电路出现高电压时，就会工作，保护电力设备免受损害。
2 10KV 配电线路的感应雷跳闸的原因
在我国，输电网络中≤60KV电压等级的，一般采用中性点非直接接地的方式。当一相绝缘闪络后，接地电流非常小，电弧也会很快自熄，不会发生跳闸现场，线路可以继续供电；但当放生两相绝缘闪络时，则会形成相位间短路，引起线路跳闸，导致供电的中断。图2 设定10KV 线路附近招雷击时，线路附近大地感应雷过电压示意图。由图2 可知，雷击点与线路的水平距离为S 。当放生雷击时，A、B、C三相电同时产生感应电流。当A、B、C，任意两相产生的感应过电压大于绝缘子串最大电压值U50%时，将同时对地闪络，造成相间短路，导致线路跳闸；当A、B、C三相同时大于绝缘子串最大电压值U50%时，三相几乎同时对地闪络，造成三相短路，使线路跳闸。雷击大地使配电线路的导线产生感应过电压公式为：
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式中：I 表示雷的电流，一般不大于100KA； hc表示线路平均高度；S表示雷击点距线路的水平距离；
研究表明，当雷击点距离线路65m以内时，会直接击在杆塔或者配电线路[3]。因此可以认为65m是10KV配电线路发生感应雷过电压的最短距离。
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图表 2 10kv配电线路感应雷放电特性示意图
当雷的电流幅值为定值I时，由以上公式可推出造成线路感应雷过电压的最大距离Sm为：
式中：U50%表示线路绝缘子串冲击闪络电压。
由此可推算得：10KV配电线路感应雷击跳闸频率为：
式中：ρ(I)表示雷电流幅值概率密度函数，我国规定的雷概率密度函数为：
发生双回路的情况时，感应雷过电压跳闸频率：
3 避雷器分类
为了有效避免雷电导致的跳闸现象，提高避雷效果的主要途径是改善和提高避雷设施。研究发现，绝缘水平低是10KV输电线路导致跳闸事故的根本原因。因此，可以通过增加绝缘线路来提高线路的耐雷水平。现在，国家电网主要通过对输电线路进行了以下方面的改造：
1）替换耐受冲击电压更高的绝缘子；
2）采用不平衡绝缘配置方法；
3）采用绝缘塔头和横担
通过一系列措施，可以降低10KV线路雷击跳闸问题，保证了配电线路正常供电。但随着10KV配电线路绝缘水平的提高，会让雷电波在线路中传播至线路终端，增加终端设备避雷动作的频率，进而导致损坏事故的频发。甚至造成变压器被烧坏，造成更大的经济损失。
目前为止，安装避雷器是降低10KV配电线路跳闸故障次数的最有效方式之一。避雷器主要分为以下类型：
1)保护间隙避雷器。根据避雷器的结构形状，分为棒形、角形、环形、球形等。这类避雷器包括:主间隙和辅助间隙串联而成，具有造价低、结构简单既降低了线路改造的成本和改造的难度。但是，由于放电间隙暴露在空气中，导致放电分散性大，并且保护间隙的电场的不均匀性，造成伏特曲线比较陡，不能和被保护设备的绝缘配合不够理想，放电的时候会发生截波，对有线圈的设备造成危害。间隙存在灭弧能力差，不能对间隙动作后流过的工频续流不能自行熄灭，引起断路器跳闸。保护间隙避雷器，经常与自动重合装置配合使用。
2)管型避雷器。管型避雷器是保护间隙避雷器的一种，一般用在供电线路上，能发挥好的功能，有效的保护各种设备。
3)阀型避雷器。阀型避雷器一般由火花间隙和阀片电阻组成。阀片电阻是一种特种碳化硅材料制作。这种特种碳化硅制作的发片电阻可以有效的防止雷电和高电压，有效的保护设备。阀型避雷器的工作原理：当遇到高电压时，火花间隙被击穿，阀片电阻的阻值降低，将雷电电流引入大地，保护电气设备被雷电流击穿。
4)氧化锌避雷器。这是一种保护性能优越、质量轻、阀片性能稳定的避雷设备。氧化锌避雷器不仅仅可作为雷电过电保护，还可以内部操作过电压保护。稳定的氧化锌避雷器，可以有效的防止雷电高压或者操作过电压进行保护，在危机情况下，能够有效地保护电力设备不受损是一种应用范围较为广泛的避雷器。
每种避雷器各自有各自的有点和不足，需要根据配电线路的运行环境合理使用，才能达到良好的效果。避雷器在额定电压下相当于绝缘体，不会有任何的动作。当出现危机或者高电压的情况下，避雷器就会启动，将电流导向大地。保护电力设备免受高电压的冲击。
4避雷器安装基础原则
线路避雷器的安装方案，需要根据线路雷击事件发生的频繁、长度不大且采用相关防雷措施难以取得理想的线路。有些线路还有考虑其承担负荷、电能质量的要求。线路避雷器安装设计时，采用ATP仿真软件，对线路仿真设定线路避雷器，研究其前后状态的具体防雷水平与相关参数，为避雷器安装提供设计方案，然而雷电现象存在着一定的无规律性和复杂性，线路遭遇雷击还跟线路所在地形存在的一定的联系。仅仅根据仿真结果进行安装设计方案，难以实现预定的目标。避雷器的安装需要遵循以下原则：一存在明确记录的杆塔，要提出专门的安装方案；二针对个别特殊重要的保护杆塔，需要综合考虑线路耐雷水平，对其防雷效果进行验证，合理安排，提高避雷器的性能。三避雷器安装方案，优先考虑存在雷击跳闸记录杆塔，综合考虑地形，合理取舍。下面介绍10KV线路氧化锌避雷器的安装方式
前面已经将到，在10KV线路避雷保护中，应用非常普遍的是氧化锌避雷器。但在实际应用中，也存在一些缺陷，为了提高线路的可靠性，有效减少运维工作量，一下有以下方式可供选择。
4.1 10KV 线路普通安装方式
如图3所示，安装时，避雷器底座固定在横担上，横担与地连接，上端直接与线路相接。这种安装方式具有施工简单、接线清晰、比较经济有效。但在运维过程中，存在一些缺点：如发生雷击过电后，避雷器内部在不完全击穿，外部完好的情况下，巡视无法发现，而变电站则显示不完全接地信号；雷击严重过电后，避雷器整体暴露，上端悬空后，接触其他线路或者接地，造成单相接地，或者相间短路，扩大了故障等级，影响线路正常供电；在更换避雷器时，需要分支电路停电，影响供电服务质量。
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图表 3 10KV 线路氧化锌普通安装方式
4.2 10KV 线路水平安装方式
由图4可知，这种安装工艺与普通方式相同，这种安装方式的好处可以弥补雷击过电后，避雷器完全击穿，整体爆裂，上端悬空后与其他线路或者接地体分离，降低了故障范围扩大的概率。由于避雷器水平安装，需要避雷器承受自重和引线造成的应力，降低了绝缘套管抗张强度，威胁到避雷器的密封，甚至造成避雷器断裂的可能。
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图表 4 10KV 线路氧化锌避雷器水平安装
4.3 10KV 线路氧化锌避雷器与高压隔离开关配合安装
由图5可知，在避雷器上端一侧加装一组高压隔离开关，令配合安装故障显示器来提高故障查找的准确性。这种安装方法可以定期轮换或更换击穿的避雷器，不需要线路停电，只需要将隔离开关断开即可，提高了供电可靠性。
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图表 5 10KV线路氧化锌避雷器与高压隔离开关配合安装
结束语
10kV配电线路设置多存在于自然环境中，容易受到雷击的影响，产生雷电流，对线路供电质量造成影响，严重的会破坏配电线路装置的性能。在线路中安装避雷器解决了雷电对配电线路的影响。认知线路避雷器安装方案原则和避雷器安装方法，结合线路实际情况，对10KV 线路实际的避雷安装方案进行探究，实践证明，根据线路实际情况以及周边所处的不同地形，通过计算和方案设计，在线路上合理地安装不同方式的避雷器，能有效地提高线路的避雷效果，减少因雷击影响导致的配电线路跳闸故障，提高现阶段的10kV配电线路供电可靠性。
参考文献：
[l] 李孛.10kv配电线路防雷措施研究网.长沙:长沙理工大学,2009
[2] 黄兰英.10kV配电线路防雷水平分析及提高方法的研究〔Dl.重庆:西南交通大学,2009
[3] 杨健承.10KV 配电线路防雷保护措施的研究[J].科技与创新, 2015(04):113-114
论文作者:廖泽霖
论文发表刊物:《基层建设》2015年第35期
论文发表时间:2016/12/8
标签：避雷器论文; 线路论文; 过电压论文; 电压论文; 雷电论文; 防雷论文; 间隙论文; 《基层建设》2015年第35期论文;