10kV配网线路防雷措施

雷云击中杆塔、电力装置等物体时，强大的雷电流流过该物体泻入大地，在该物体上产生很高的电压降称为直击雷过电压。由于线路的引雷特性，当雷击点与线路的最近距离小于65m时，雷电直击线路概率较大[1]。雷电直击配电线路可产生远高于线路绝缘水平的过电压，通常会导致设备损坏。

（二）感应雷过电压

当雷电击线路附近的大地时，导线上由于电磁感应产生过电压称为感应雷过电压。配网线路中，感应过电压故障一般占雷击故障的 80% 以上[1]。根据实测数据，感应过电压峰值一般可达300kV-400kV[2] 。

在开阔地区，配电线路遭受直击雷概率增加;附近有高耸建筑物、构筑物或高大树木屏蔽，遭受直击雷的概率大幅下降，遭受感应过电压的概率增大。

二、配网典型雷害 （一）雷击跳闸

目前10kV线路通常设置了零序保护，雷击线路发生闪络后电弧持续燃烧，线路上采集到零序电流，将导致线路跳闸。

对于同杆架设的多回配电线路，在雷电直击或较高感应过电压的作用下，容易发生多回线路同跳故障。此外，由于各回路间距离较小，若雷击闪络后工频续流较大，持续的接地电弧将使空气发生热游离和光游离，同样会导致多回短路故障和同时跳闸。

（二）线路故障 1.配电线路雷击断线

线路使用绝缘导线，雷击造成单相闪络或相间短路时，绝缘击穿最易发生在靠近绝缘子的位置，被击穿的绝缘层呈针孔状，并靠近绝缘子两侧特别是负荷侧。工频短路电流的电弧弧根受周围绝缘层阻隔，固定在击穿点燃烧，在较短时间内烧断导线。而当线路采用裸导线时，电弧在电磁力的作用下，高温弧根沿导线表面不断滑移，直至电弧熄灭，不会集中在某一点燃弧，因此不会严重烧伤导线，通常在工频续流烧断导线或损坏绝缘子之前，就会引起断路器动作切断电弧，因此，裸导线的雷击断线故障率明显低于绝缘导线。由于绝缘导线易断线，宜采取雷击断线保护措施，可采取加强绝缘(如采用柱式绝缘子)、装设架空地线及安装线路避雷器(无间隙、带间隙)等堵塞式防雷措施，或安装防弧金具(剥线型、穿刺型)、放电钳位绝缘子(剥线型、穿刺型)、长闪络路径熄弧装置等疏导式防雷措施。

2.配电设备雷击故障

雷击配电线路产生远高于设备绝缘水平的过电压，导致设备绝缘击穿，造成永久性故障。

3.配电变压器雷击损坏

配电变压器雷击损坏主要有以下原因:

(1)配电变压器高压侧遭受雷电直击或感应过电压，导致高压侧绝缘损坏。 (2)配电变压器高压侧遭受雷电直击或感应过电压，较高地电位通过低压绕组中性点施加在低压绕组，再经电磁相合按变比在高压绕组产生较高过电压(反变换过电压)，导致配电变压器损坏。

(3)配电变压器低压侧遭受雷电直击或感应过电压，导致低压侧绝缘损坏。 (4)配电变压器低压侧遭受雷电直击或感应过电压，低压绕组过电压经绕组间电磁藕合，按变比在高压绕组产生较高过电压(正变换过电压)，导致高压侧绝缘损坏。

因此，配电变压器高、低压侧均应装设无间隙避雷器保护。

三、提高线路耐雷水平的方式 （一）加强线路绝缘

线路其他参数不变的情况下，线路的耐雷水平与绝缘子的雷电冲击电压（U50%）值成正比，使用U50%较大的绝缘子，能显著提升线路耐雷水平，减少雷击跳闸率、雷击线路故障率。直线塔宜采用柱式绝缘子或瓷横担绝缘子，耐张段可增加1片绝缘子或采用耐雷水平更高的绝缘子。

（二）降低杆塔接地电阻

雷电流经杆塔流入大地，杆塔接地电阻越大，则杆塔顶点位越高，其与导线间的电位差越大，绝缘子越容易发生闪络，配电线路的耐雷水平越低。反之，接地电阻越小，耐雷水平越高。经仿真计算，线路耐雷水平与接地电阻的关系如图1[3]，可以看出，杆塔接地电阻对配电线路的耐雷水平有很大影响。

图1 线路耐雷水平与接地电阻的关系

在装设避雷器、避雷线时，配合降低接地电阻也能提升线路保护效果[3]。 广东电网配网防雷图形化指引手册（广电办生〔2021〕170号附件）要求：装有保护柱上设备用避雷器或装有无间隙线路避雷器时，电杆必须人工接地，以提高对设备的保护效果及避雷器使用寿命。接地电阻过高的易击杆塔、部分架设地线杆塔以及特殊杆塔（如终端塔、大跨越塔、重要T接杆塔）等宜采取人工接地。其他电杆可利用钢筋混泥土杆的自然接地作用，以提高接地技术经济性。

（三）装设避雷器

避雷器的主要作用是限制线路上的过电压，保护范围内线路出现过电压时避雷器均能动作，将雷电流导向大地，限制雷电过电压，保护线路绝缘不被击穿，并且能在工频续流第一次过零时熄灭，线路断路器不跳闸。

（四）装设避雷线

避雷线作用：1、屏蔽作用，保护线路免受直击雷影响；2、耦合作用，当线路产生感应雷过电压 时，避雷线上同样会产生一个感应电压 ，避雷线接地，为了保持避雷线的 0电位，避雷线上会有一个根导线都会耦合一个电压分量，其值为

的电压，在

的作用下，每

（k为避雷线与相导线的耦合系数），

从而降低感应过电压幅值，减少闪络形成概率[4]。

四、避雷器与避雷线优劣势对比 （一）避雷器 1.避雷器保护原理

避雷器在线路遭受雷击时及时将雷电流泄漏入大地，限制线路过电压幅值，保护线路不发生闪络，能够可靠地限制线路及设备上的雷电过电压。但避雷器有使用寿命限制，在运行过程中也有可能发生故障，导致线路跳闸。

2.避雷器故障因素 （1）避雷器内部受潮

避雷器在生产过程中，避雷器阀片未完全干燥、装配过程中密封垫片安装位置不当甚至没有安装、使用的瓷片质量较差，存在孔洞导致水分能够渗入内部等情况都会导致内部受潮的问题，受潮的避雷器绝缘强度降低，导致避雷器被击穿。此类故障表象为阀片侧面有明显闪络痕迹。

（2）内部阀片老化

避雷器内部的阀板均匀性差，老化程度不同，使得阀板电位分布不均匀，有的阀片先劣化，造成避雷器漏电流和功率损耗增大。由于避雷器承受的工频电压

不变，一旦有一片或几片阀片劣化，其余阀片承受更大的电压，形成恶性循坏，最终将导致避雷器内部击穿、单相接地或避雷器本体发生爆炸事故。

（3）瓷套污染

避雷器表面的严重污秽易引起污闪或因污秽在瓷套表面的不均匀, 而使沿瓷套表面电流也不均匀分布, 势必导致电阻片中电流的不均匀分布 (或沿电阻片的电压不均匀分布 ), 使流过电阻片的电流较大,造成附加温升,使吸收过电压能力大为降低,也加速了电阻片的劣化。

（4）抗冲击能力差

氧化锌避雷器多在操作过电压或雷电条件下发生事故, 其原因是因电阻片在制造工艺过程中,由于其各工艺质量控制点控制不严, 而使电阻片的耐受方波冲击能力不强, 在频繁吸收过电压能量过程中, 加速了电阻片的劣化而损坏, 失去了自身的技术性能。

（5）暂态过电压冲击

当避雷器遭受谐振等暂态过电压冲击时，工频电压会自动补充过电压能量，造成其泄放的过电压不能迅速衰减(甚至不衰减)，这会对避雷器造成极大破坏。

3.带串联间隙避雷器与无间隙避雷器的优缺点

使用带串联间隙的避雷器，避雷器本体不需承受工频电压，减缓了电阻片老化速度，延长了避雷器的寿命，即使避雷器本体损坏，由于串联间隙的存在，也不会影响线路的正常运行。串联间隙还能将暂态过电压限定在保护死区内，保护避雷器免受暂态过电压的冲击。

串联间隙分纯空气间隙和带支撑件间隙两种。纯空气间隙线路避雷器结构紧凑、长度短、重量轻、运行可靠，但在大风作用下间隙距离会发生变化，电极形状必须制成弧形。带支撑件的间隙不受风偏影响，但支撑件要承受大部分运行电压，存在老化及使用寿命问题，支撑件一旦故障，则串联间隙失效，避雷器本体将直接承受运行电压及各类过电压。由于固定外串联间隙避雷器具有延长避雷器

使用寿命、避雷器故障时不影响线路正常运行等优点，线路上宜使用固定外串联间隙避雷器。

无间隙避雷器具有响应速度快，吸收性能强的特点，可用于保护重要设备。广东电网配网防雷图形化指引手册（广电办生〔2021〕170号附件）要求：安装于开关、配电变压器等设备、厂站进线段终端塔、电缆与架空连接塔的避雷器应选择无间隙避雷器。

（二）避雷线防护性能

避雷线能屏蔽直击雷，避免线路遭受雷电直击，但是由于配电线路绝缘水平较低，雷击架空地线往往引起反击[1]，因此，避雷线对直击雷的防护效果较差。而对于感应雷过电压，由于耦合作用，能够减小雷电过电压的幅值，减小幅度约为20%-30%[3]，能够提升线路耐雷水平。但当感应雷过电压较大时，则依然会发生闪络，导致线路跳闸。此外，为避免雷击避雷线时，避雷线与导线间空气间隙击穿，避雷线与导线间空气间隙应满足距离S>0.012l+1的校核（l为档距），当档距为50m时，避雷线架设高度为1.6m，计及架空地线与导线弧垂差，应适当提升高度，具体高度需视导线线径及档距校核。当安装高度受限时，通过改变避雷线与导线的架设排列方式可降低雷击避雷线时导线附近的平均场强，减少击穿发生概率。仿真结果表明，当避雷线架设高度不变时，避雷线与导线的距离越大，雷击避雷线时导线附近的平均场强越低，空气间隙越不容易发生击穿[8]。在安装避雷线应校核杆塔载荷、基础受力、配套金具强度，经校验荷载后如有必要，再加强杆塔防风措施。

（三）避雷线防护效果计算

以下讨论潮州市10kV架空线路在周围无其他建筑物屏蔽，且未加装其他防雷装置情况下，在加装避雷线前后，线路受感应雷影响雷击闪络及跳闸次数：

经计算（计算过程见附录1），加装避雷线前，潮州市10kV架空线路受感应雷影响闪络次数为85.91次/100km年，雷击跳闸次数为12.28次/100km年。

加装避雷线后，潮州市每10kV架空线路受感应雷影响闪络次数为59.8次/100km年，雷击跳闸次数为59.8次/100km年。

由上述计算可见，加装避雷线能够提高线路的耐雷水平，雷击跳闸率减少了30.39%。

潮州市1969年-2008年40年间，年均雷暴日66.5天[5]、地闪密度为8.74次/100km2·a [6]，属于多雷区，雷害较为严重，雷电流幅值大。而配电线路的防雷水平较低，雷击杆塔时线路耐雷水平为4.41kA，雷击线路时线路耐雷水平为1.7kA。（耐雷水平计算见附录1）因此，只加装避雷线无法在线路遭受直击雷时起到良好的保护作用。

五、运维要求

避雷装置的运维要求如下：

配电运行单位在每年雷雨季节来临前，应对多雷区段的避雷装置进行巡检并及时消缺。雷雨季节过后，应对避雷装置的运行情况进行调查、分析和总结。对户外避雷器每年至少进行一次红外测温。装置运行3～5年后应进行接地电阻测试。

六、经济效益

（一）原有架空线路加装带脱扣器避雷器成本

根据《中压架空线路防雷改造技术导则（试行）》（广电生部〔2016〕300号）要求，中压架空绝缘导线防雷装置应选用固定外串联间隙复合外套避雷器（带穿刺线夹），强雷区、多雷区和中雷区应每基安装一组，少雷区无需安装。本地区位于多雷区，使用绝缘导线的线路应按每基安装一组配置。按档距50m计算，

则每1km架空绝缘线路需加装20组避雷器，含接地改造，造价为16.3418万元，详见表2。

表2 1km架空线路加装带脱扣器避雷器成本

安装工程费 设 其中 金额 费 主要材料人工费 备购置费 其他费用 基本预备费 合计 避雷器 911 18480 118354 6514046 19210 817 68 16341（二）原有架空线路加装避雷线成本

每1km架空绝缘线路加装避雷线（包含接地改造），造价为6.46万元，详见表3。

表3 1km架空线路加装带脱扣器避雷器成本

安装工程费 设 备购置费 金额 其中 其他费用 本预基计 合备费 主要材料费 人工费 避雷线 0 53207 20760 8980 8343 847 1661 64七、总结

提升线路绝缘水平，降低杆塔接地电阻都能够有效提升线路的耐雷水平。 避雷器防护效果好，配电线路易击段的杆塔应优先安装线路避雷器，但避雷器建设成本高，运行过程中存在故障风险，且有使用寿命限制。结合潮州地区地闪密度8.74次/100km·a[6]，推荐配网避雷器使用寿命7至10年[7]。使用固定串联间隙避雷器能增长避雷器的使用寿命，减少避雷器故障导致线路跳闸的情况。

架设避雷线能在一定程度上提升线路的耐雷水平，减少感应雷对线路的损害，但在防护直击雷方面，避雷线效果较差。且加装避雷线后，在台风天气倒折杆概率提升[8]。

雷害特别严重或单一防雷措施效果不理想时，可考虑避雷线和避雷器配合使用。

附录1计算过程

一、基本参数

根据潮州市气象局观测雷暴资料，潮州市1969年-2008年40年内平均雷暴日为66.5天[5]；线路支柱绝缘子50% 雷电冲击电压U50%取170kV，杆塔高度取12m，10kV配电线路杆塔冲击电阻一般Rch取30Ω、等效电杆L取0.84μH/m[7]。由于本地区10kV线路多采用中性点经小电阻接地方式，建弧率公式取η=（4.5( U/2lj)0.75-14）%[2]，其中U为额定电压，lj为绝缘子长度，代入可得建弧率为14.3%。

二、加装避雷线前后对雷击跳闸次数影响计算

由于配网线路绝缘水平低，雷击避雷线后往往引起反击，雷直击避雷线后往往仍会引起反击闪络，因此，以下只讨论避雷线对感应雷的保护效果。

雷击线路附近地面产生感应电压造成闪络次数N1计算公式[7]：

(1)

其中：

，U50%为线路支柱绝缘子50% 雷电冲击电压，为杆塔高度。

上述公式在地闪密度为2.8次 /100km·a的情况下进行计算，查询潮州市往年平均雷暴日为8.74次 /100km·a，修正后得：

N=85.91

每百公里线路雷击跳闸次数 Nt=N*η=12.28次

加装避雷线后，由于避雷线的耦合作用，感应雷电压降低20%-30%[1]，计算中取感应雷电压降低25%，根据式（1）求得：

N’=59.8

故加装避雷线后，每百公里线路雷击跳闸次数 Nt’=8.55次

三、配电线路耐雷水平计算 （一）雷击杆塔引发闪络的雷电流

I=U50%/（Rch+Lgt/2.6+hd/2.6）[2] (2) 其中：Rch为杆塔的冲击电阻，Lgt为杆塔的等效电杆,hd为杆塔高度。

计算可得， I=4.41kA

（二）雷击线路引发闪络的雷电流 I=U50%/100

[2]

(3) 计算可得， I=1.7kA 参考文献

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