10kV配電網(wǎng)雷擊斷線故障及優(yōu)化措施探討

10kV配電網(wǎng)雷擊斷線故障及優(yōu)化措施探摘要：本文主要對(duì)10kV配電網(wǎng)雷擊故障進(jìn)行分析，首先簡(jiǎn)要分析雷擊斷線故障的特性，進(jìn)一步探討了雷擊斷線原因；最后提出配電網(wǎng)防雷優(yōu)化措施，從而提高電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的方式，以提高防雷能力、增強(qiáng)電網(wǎng)的韌性。關(guān)鍵詞：10kV；配電網(wǎng)；雷擊斷線；故障；措施引言10kV配電系統(tǒng)是直接連接到用戶并分配電能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其故障與否直接影響著客戶用電體驗(yàn)°10kV配電系統(tǒng)主要由電桿、鐵塔、架空輸電線路、避雷線、電纜、避雷器、變壓器、繼電保護(hù)裝置等組成，其覆蓋面大且線路較長(zhǎng)。由于大部分地區(qū)配電網(wǎng)架構(gòu)薄弱，設(shè)備數(shù)量、種類眾多，因此運(yùn)維難度較大，每當(dāng)經(jīng)歷極端惡劣天時(shí)將會(huì)對(duì)其安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大挑戰(zhàn)。下文研究導(dǎo)致配網(wǎng)雷擊事故原因，進(jìn)而建立綜合評(píng)估體系，對(duì)提高10kV配電網(wǎng)供電可靠性與保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。雷擊斷線故障特性分析10kV配電線路跳閘故障次數(shù)及其相關(guān)數(shù)據(jù)是決定電力部門合理地分配資源的關(guān)鍵所在，對(duì)搶修與運(yùn)維工作具有重要意義。因此，本文通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維記錄的10kV配電線路相關(guān)數(shù)據(jù)分析雷擊斷線故障的特性，如表1所示。表12017-2020年某地區(qū)10kV配網(wǎng)雷擊斷線次數(shù)統(tǒng)計(jì)表由表中可以看出，該地區(qū)由于架空絕緣導(dǎo)線長(zhǎng)、絕緣化率高、地閃密度較大雷擊斷線次數(shù)較多，特別是2018年，雷擊斷線故障高達(dá)38次。值得注意的是當(dāng)發(fā)生雷擊斷線故障時(shí)，線路保護(hù)會(huì)根據(jù)斷線故障的不同表現(xiàn)，產(chǎn)生不同的反應(yīng)。（1）當(dāng)一相發(fā)生斷線后，如果電源側(cè)導(dǎo)線落在橫擔(dān)或者地上，發(fā)生金屬性接地時(shí)，保護(hù)會(huì)發(fā)單相接地告警，調(diào)度隨即拉停線路；（2）當(dāng)發(fā)生雷擊故障后，線路發(fā)生瞬時(shí)性相間短路，如果只有一相發(fā)生斷線，且斷點(diǎn)沒有直接和橫擔(dān)或地面接觸，保護(hù)跳閘后重合成功，并不會(huì)有單相接地告警，這種情況下線路仍然帶電，后段會(huì)缺相運(yùn)行，這給處于斷線處附近的人員帶來極大安全隱患，容易引發(fā)次生災(zāi)害；（3）若雷擊導(dǎo)致兩相及以上斷線，保護(hù)會(huì)跳閘并且重合不成功；（4）還有一種情況是，雷擊瞬間因種種原因，保護(hù)不動(dòng)作，且產(chǎn)生一相斷線后，也未發(fā)生單相接地，此時(shí)缺相線路除了負(fù)荷有下降外，調(diào)度側(cè)沒有任何故障信號(hào)，只能靠周圍群眾發(fā)現(xiàn)明顯故障，匯報(bào)給運(yùn)行人員，斷線處的帶電導(dǎo)線可能引起人身傷亡事故。雷擊斷線原因分析絕緣子在發(fā)生雷電災(zāi)害時(shí)，由于線路耐雷水平小于遭受的雷電強(qiáng)度高，而造成閃絡(luò)。同時(shí)，由于閃絡(luò)轉(zhuǎn)瞬即逝，因此并不會(huì)引起線路跳閘。而當(dāng)雷擊造成的極大電流被分流后，由于工頻持續(xù)電流作用于輸電線路，進(jìn)而產(chǎn)生持續(xù)短路電弧從而擊穿線路絕緣保護(hù)層，導(dǎo)致線路跳閘。國(guó)內(nèi)10kV配網(wǎng)線路大多采用非直接接地方式，雷擊極易引起絕緣水平較低的線路產(chǎn)生對(duì)地閃絡(luò)°10kV配網(wǎng)線路遭受雷擊可分為兩類情況：第一類是雷擊導(dǎo)致一相線路對(duì)地短路，不過此時(shí)在工頻電流影響下并不會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作跳閘，能夠繼續(xù)供電一段時(shí)間并等待檢修人員前往維修；第二類是雷擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻持續(xù)電流，進(jìn)而形成相間短路，此時(shí)的短路電流超過限值，線路保護(hù)動(dòng)作跳閘。可以看出，線路雷擊跳閘率受系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式和防雷性能的影響較大。線路發(fā)生雷擊斷線的事故中95%是絕緣線，這是因?yàn)榻^緣線的絕緣層會(huì)限制電弧移動(dòng)，造成固定位置的電弧灼燒形成斷線。雷電沖擊閃絡(luò)過后，持續(xù)的工頻短路電弧受位置固定的影響無法移動(dòng)，而采用裸導(dǎo)線的架空線路則與其不同。裸導(dǎo)線受雷擊發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，雖然工頻持續(xù)電流會(huì)使得電弧起燃，由于受到電磁力的驅(qū)使，電弧會(huì)以裸導(dǎo)線表殼指向負(fù)荷電流的方向發(fā)生位移，而并不會(huì)只在導(dǎo)線上的某個(gè)特定位置發(fā)生燃燒反應(yīng)，因此不會(huì)導(dǎo)致斷線故障。配電網(wǎng)防雷優(yōu)化措施運(yùn)用線路型避雷器實(shí)現(xiàn)防雷線路型避雷器主要是針對(duì)架空線路防雷的避雷器，一旦輸變電線路被雷電擊中，能夠及時(shí)將雷電流分流，有效限制雷電流在可承受水平，從而提高線路的耐壓水平，提升了防雷能力。與此同時(shí)，部分雷電流不可避免的流經(jīng)線路，受到電磁耦合作用的影響，絕緣子能夠因?yàn)閷?dǎo)線與桿塔的電位差的減小而降低了閃絡(luò)的概率，進(jìn)一步提高了線路的供電可靠性。在架空線路與架空線路或者架空線路與電纜的分支點(diǎn)安裝有線路型避雷器，能夠更好的發(fā)揮避雷器的保護(hù)作用，擴(kuò)大保護(hù)范圍而不僅限于桿塔，以及改善之前線路型避雷器在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中遇到的缺陷。通過總結(jié)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，線路型避雷器對(duì)于瓷橫擔(dān)型和3片或4片型絕緣子串，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響其在運(yùn)行中的動(dòng)作值，不利于提高動(dòng)作可靠性。通過優(yōu)化改進(jìn)為5片型絕緣子串，能夠有效解決這個(gè)缺陷。雷擊斷線事故就是因?yàn)閹чg隙避雷器并不能完全保證一定防雷成功，是有漏洞的，從而導(dǎo)致其沒有成功動(dòng)作。對(duì)于這個(gè)漏洞，可以通過增加可調(diào)式過電壓保護(hù)間隙裝置進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行，一旦避雷器無法動(dòng)作時(shí)能夠及時(shí)預(yù)防事故的產(chǎn)生，同時(shí)也能對(duì)避雷器起到保護(hù)作用。減小桿塔接地阻抗實(shí)現(xiàn)防雷根據(jù)前面的內(nèi)容可知，配電線路發(fā)生雷擊現(xiàn)象時(shí)，會(huì)形成雷電流，這個(gè)雷電流流入大地，過程中和分流有關(guān)。而在雷擊桿塔的時(shí)候，雷電流入地的電流值與桿塔本身的接地電阻有很大關(guān)系。以大地為參考零電位，則只需要計(jì)算桿塔的塔頂電位。這個(gè)電位受桿塔周圍土壤率的影響，以及桿塔的接地阻抗的影響。部分線路桿塔的接地阻抗數(shù)值超過正常值，因此要采取相關(guān)措施來降低其接地阻抗。常用的降低接地阻抗的方法有如下幾點(diǎn)：（1）桿塔的沖擊接地電阻由兩部分構(gòu)成，首先是位于桿塔上的工頻接地電阻，再者是由估算得到的沖擊系數(shù)，兩者之積就是實(shí)際的沖擊接地電阻。對(duì)于出現(xiàn)接地電阻數(shù)值超標(biāo)的現(xiàn)象，常用水平外延接地的方式，通過降低工頻接地電阻的同時(shí)，也能降低沖擊接地阻抗的大小，達(dá)到所需要求。（2）桿塔的電位取決于周圍的土壤率，對(duì)于有較低阻抗率的土壤深處，將接地極深埋或者是采用豎井型可以有效避免這個(gè)問題。（3）降阻劑可以降低阻抗率，普通的降阻劑達(dá)不到應(yīng)有的效果時(shí)，使用高效膨潤(rùn)土降阻防腐劑，降阻性能更好。前面提到使用降阻劑可以有效降低阻抗率但是一般情況下會(huì)有一個(gè)范圍，通常來說降阻劑的阻抗率低于0.135。降阻劑還有一個(gè)外在表現(xiàn)，當(dāng)接觸到水會(huì)膨脹，因?yàn)槭呛屯寥澜佑|，土壤截面也會(huì)變大。同時(shí)，降阻劑因其吸水和保水的特性，會(huì)間接的影響到土壤參數(shù)大小，進(jìn)一步降低土壤電阻率。有些土壤的電阻率很高，為了達(dá)到降低土壤電阻率的目的，會(huì)使用降阻劑來降低其接地阻抗。相關(guān)的使用方法和注意事項(xiàng)如下圖1所示。

I，.：..計(jì)、艮：迪；乩.:如缺:豁杯.：.：.：吃;:;*甲電購(gòu)海:；覽躡;強(qiáng)辻垃:駁訛濟(jì)::釵！:閩；；；L:.I斛恥［圖1I斛恥［由圖1可知，這個(gè)效果圖由4層結(jié)構(gòu)組成，分別是回填土，降阻劑，接地體，降阻劑共4層，并且按照從上到下的層次來排。第一步是先構(gòu)造出一個(gè)挖槽挖槽的最底部先鋪上一層降阻劑，降阻劑的深度大概在30-40cm，接著第二層是水平接地體，直接鋪在降阻劑的上方，然后進(jìn)行焊接。在焊接完之后，在第二層上再鋪上一層20-30cm高度的降阻劑，最后一層鋪上回填土，值得注意的是，為了達(dá)到更好地效果，回填土要選用細(xì)土。架設(shè)耦合地線實(shí)現(xiàn)防雷地線與導(dǎo)線之間有耦合效應(yīng)，雷擊桿塔時(shí)，頂端會(huì)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，并且逐漸升高，因此絕緣子受到的沖擊電壓就會(huì)明顯降低。所以，架設(shè)耦合地線是當(dāng)無法降低或者較難降低桿塔接地電阻時(shí)的一個(gè)絕佳解決方案。與此同時(shí)，當(dāng)有較大雷電流時(shí)，耦合地線能夠?qū)⒉糠掷纂娏鞣至髦翖U塔的接地裝置起到分流的作用，桿塔的接地阻抗越大，其效果越明顯。另一方面，導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓分量會(huì)因?yàn)轳詈系鼐€的架設(shè)而減少，是得益于桿塔與線路的電位的增大，從而對(duì)于線路防雷水平的提升很有幫助，大大提高了供電可靠性。架設(shè)避雷線實(shí)現(xiàn)防雷

在10kV配電網(wǎng)中，當(dāng)發(fā)生雷擊現(xiàn)象時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雷電過電壓，其中，由70%的過電壓是感應(yīng)過電壓。之前提到了感應(yīng)過電壓決定了桿塔的塔頂電位，這個(gè)電位會(huì)進(jìn)一步影響耐雷水平。雷擊線路或者雷擊桿塔及其附近的區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生過電壓，這個(gè)過電壓的大小受到類雷電流的流向和幅值的影響。雷擊發(fā)生時(shí)，避雷線會(huì)對(duì)雷電流進(jìn)行引雷、屏蔽、分流，從而降低感應(yīng)過電壓，對(duì)于實(shí)現(xiàn)塔頂電位和絕緣子串兩側(cè)過電壓的下降大有裨益。以上整個(gè)過程對(duì)于設(shè)備的耐雷水平的提升是非常有成效的，雷擊跳閘率高的問題得以解決。根據(jù)我國(guó)的相關(guān)要求規(guī)定，在10kV的變電站中針對(duì)進(jìn)線部分必須架設(shè)避雷線，避雷線的架設(shè)點(diǎn)覆蓋在進(jìn)線的1-2km。而10kV的電網(wǎng)線路因?yàn)榻^緣水平較低，因此可以全線架設(shè)避雷線或者是在雷擊雷落發(fā)生頻率較高的地區(qū)架設(shè)避雷線優(yōu)化中性點(diǎn)接地方式電力系統(tǒng)的接地系統(tǒng)分為中性點(diǎn)有效接地和中性點(diǎn)非有效接地兩種，而對(duì)于高電壓等級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)來說，前者是最主要的運(yùn)用方式。以中性點(diǎn)不接地形式為主要特征的配電網(wǎng)，具有故障電流小的特點(diǎn)，繼而能極大地減小對(duì)電網(wǎng)的影響。期間，系統(tǒng)的相電壓保持不變，整個(gè)電網(wǎng)的供電可以繼續(xù)維持，在出現(xiàn)故障以后仍可以帶故障繼續(xù)運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)，故障期間發(fā)出報(bào)警信號(hào)，然后相關(guān)部門人員查看故障信號(hào)發(fā)出指示，并由相關(guān)部門處理故障，恢復(fù)系統(tǒng)安全。故障時(shí)候的短路電流受電網(wǎng)電壓和對(duì)地電容的影響，根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式可知故障電流與其成正比，對(duì)地電容值與線路成正比。輸電網(wǎng)中的電容和電感元件的存在會(huì)產(chǎn)生電磁振蕩，相比較電磁振蕩，還有可能會(huì)因?yàn)楣收袭a(chǎn)生持續(xù)過渡的過電壓，最終中性點(diǎn)發(fā)生擊穿。其中，變壓器中性點(diǎn)和避雷器等等絕緣較弱的部分，受危害的影響程度很大。單相接地故障發(fā)生時(shí)，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的弧光接地過電壓能夠分為以下這兩種類型:設(shè)定一個(gè)臨界值為10A，第一種情況如下式所示：IV10A(1)c一旦對(duì)地電容電流達(dá)不到10A,間歇性接地電弧可以在電流過零和峰值時(shí)重復(fù)熄滅和重燃的循環(huán)，從而影響設(shè)備安全。第二種情況如下式所示：I>10A⑵c單相接地故障產(chǎn)生的電流對(duì)地分量一旦超過此閾值,一開始的接地電弧和式(1)提到的一樣,在電流過零的時(shí)候,會(huì)熄滅。短暫性地熄滅之后,電弧在電流達(dá)到峰值的前后會(huì)復(fù)燃,這個(gè)過程會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。不穩(wěn)定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃會(huì)引起高頻振蕩過電壓,這個(gè)電壓值會(huì)達(dá)到3.15-3.5倍的相電壓。同時(shí),單相接地短路故障會(huì)因此發(fā)展成為相間短路故障,而且這個(gè)變化的看呢個(gè)性較大,會(huì)對(duì)設(shè)備造成極大的損害,威脅電力系統(tǒng)的安全。綜上所述，需要對(duì)現(xiàn)運(yùn)行的10kV系統(tǒng)的電容電流進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量得到的電容電流的值來選擇合適的中性點(diǎn)接地方式。3.6裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置由于線路能夠恢復(fù)絕緣性能的特性，當(dāng)配電線路遭受雷電災(zāi)害的瞬間，雷電閃絡(luò)會(huì)造成穩(wěn)定的工頻持續(xù)電弧，進(jìn)而導(dǎo)致相間短路。在自動(dòng)重合閘裝置的作用下開關(guān)跳閘，此時(shí)線路中電流無法繼續(xù)流通，電弧也自然被熄滅。延時(shí)一段時(shí)間后，開關(guān)自動(dòng)重合，恢復(fù)正常供電。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，低于10kV的配電網(wǎng)線路重合閘成功概率最高能達(dá)75%。所以，雷電多發(fā)區(qū)域配網(wǎng)線路大多采用此方法，從而進(jìn)一步提高抗雷害的能力，保證供電可靠性。3.7消除絕緣弱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)防雷消除絕緣子絕緣弱點(diǎn)是維持10kV線路正常安全運(yùn)行的重中之重，特別是要注意可能會(huì)出現(xiàn)的零值或低值絕緣子，以及積污嚴(yán)重的絕緣子，必須要及時(shí)處理更換，從而保證線路的防雷效果。結(jié)束語(yǔ)我國(guó)的研究現(xiàn)狀表明，很多防雷措施的理論分析和運(yùn)行效果都來源于高電壓等級(jí)的電網(wǎng)，而中低壓配電網(wǎng)由于絕緣水平低等問題，這些防雷措施并不適用。配電網(wǎng)線路架設(shè)避雷線并不能有效達(dá)到防雷效果，同樣的還有安裝避雷針以及采用不平衡絕緣的方法，都達(dá)不到需求?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和施工難度的問題，類似加裝耦合地線和降低桿塔接地電阻等防雷措施，也很難實(shí)現(xiàn)。因此，針對(duì)配電網(wǎng)高效防雷的措施，還需要進(jìn)一步的研究。參考文獻(xiàn)