架空绝缘线路断线探析

　　【摘要】:架空配电线路绝缘化对解决树线矛盾、降低瞬时性故障概率效果十分明显，但是雷击断线问题却十分突出。本文通过分析雷电断线机理，对几种防雷措施进行了分析比较，并给出了推荐方式。
　　【关键词】:雷电断线，腐蚀断线，处理方法，改进措施
　　为了减少树木、鸟类、积雪等外部原因引起的架空配电线路故障，提高供电可靠性，发达国家从六十年代后期开始逐渐在配网建设中采用架空绝缘导线，日本的架空配电线路二十世纪末已基本实现绝缘化。南通地区从九十年代开始对部分居民小区进行配电线路绝缘化改造试点，2000年前后开始在配网中大量使用绝缘导线，截止2009年6月底市区有架空绝缘线路512公里，约占总配电线路的22.55%。
　　绝缘导线确实解决了裸导线所解决不了的走廊和安全问题，与电缆相比，投资省、建设快，优点十分明显，但是雷击断线问题却十分突出，2008年南通市区雷击断线11次，2009年1~7月份已发生雷击断线9次。
　　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,在市郊空旷地带最常发生。
　　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,最终造成断线故障。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。避雷器最好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
　　综上所述,结合线路现状,推荐采用过电压保护器进行改造,其结构如图2所示:
　　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.能耐受最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,这一绝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,最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。要保证在最大操作过电压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,最好选用成套产品。
　　(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最上两层横担边线,对于同杆四回路安装在顶线及最上两层横担边线。
　　(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专用工具,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。