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摘要： 本文主要分析了绝缘导线雷击断线原因,对10kV 架空绝缘配电线路防雷措施进行了探讨，可供同行参考。
关键词： 10 kV配网； 架空绝缘导线；防雷措施
Abstract: This paper mainly analyses the line broken caused by lightning striking of insulation wire, and explores the lightning protecton measures of 10 kV aerial insulation distribution, which is available for reference.
Keywords: 10 kV distribution network; aerial insulation wire; lightning protection
中图分类号： TM246+.1 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
0 前言
10 kV 配电线路在电网中的地位极为重要，一旦雷击损坏，将直接影响主网的安全可靠运行，造成严重的后果，因此要求有可靠的防雷措施。10 kV 配电线路路径多建于空旷地带或山上,由于暴露在自然中，极易受到外界的影响和损害, 主要是受到雷击故障的困扰。尤其是雷雨季节, 经常因雷害事故而造成大面积停电, 严重地影响了配电线路的安全、可靠运行。我国电网故障分类统计数据表明, 多雷地区线路雷击跳闸次数占总跳闸次数的40%～70% 。因此,如何切实有效地制定及改善 配电线路的防雷措施, 已经成为确保线路安全、可靠运行的重要工作之一。
1 雷击断线外部原因分析
1.1 雷电活动强烈
惠州地区为多雷区，年雷暴日数在70天左右， 雷电活动十分频繁， 配电线路每年遭受雷击的次数是很高的， 对其应及时采取有效的防雷措施。另外， 地区土壤电阻率较小， 在土壤电阻率较小的地区， 雷击的概率较大， 这是由于静电感应的作用， 在雷电先导放电阶段， 地中的感应电流沿着电阻率较小的路径流通， 使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反的电荷， 而雷电自然就朝电阻率较小的地区发展。现场抽样测得的土壤电阻率见表1（季节系数取2.0）。
表1 某10 kV 配电线路沿线土壤电阻率抽样测量表
1.2 线路耐雷水平低
线路为景观线路， 相间距离小， 结构紧凑，且线路上所用绝缘子均为P15 型， 耐雷水平低，线路遭受雷击后容易发生闪络， 易引发绝缘导线断线事故。该10 kV 配网线路的耐雷水平按式（2）进行计算：
（2）
式（2）中， U50%为绝缘子串的U50%冲击闪络电压， 根据实验可得该线路中所用P15 型绝缘子的U50%冲击闪络电压约为91.56 kV； β 为避雷线分流系数， 这里该值取1； k 为避雷器耦合系数， 此处该值为0；Lgt为杆塔电感， 杆塔的电感取0.84 mH / m， 则Lgt=0.84×10=8.4 μmH； hd为绝缘导线悬挂平均高度，根据现场调研取10m， Rch为杆塔平均接地电阻， 根据现场测量的结果， 该值取15 Ω。将这些值代入到式（1）可得该配电线路的耐雷水平为IL=4.15 kA。而雷击时产生的雷电流一般为几万安培， 远远大于该线路的耐雷水平。所以该线路遭受雷击时极有可能发生闪络。
1.3 现有防雷措施不足
根据线路现场调研的情况， 该10 kV 配网由于是新建线路， 线路上没有安装任何的防雷装置， 也没有采取其它任何防雷措施， 当线路遭受雷击时，得不到有效的防雷保护， 很容易使得线路发生闪络进而发生绝缘导线雷击断线事故。
2 雷击断线的微观机理分析
关于架空绝缘导线雷击断线的机理， 国内外学者已经做了大量的研究， 得出的结论也基本一致,认为是在雷击闪络通道上建立的工频续流电弧固定在一点燃烧导致绝缘导线断线。笔者认为， 架空绝缘导线雷击断线的根本原因为结构性原因， 为极短时间内热过程与力过程综合作用的结果， 与绝缘导线的本身质量关系不大。首先， 线路除转角塔使用耐张绝缘子外， 其余杆塔仍大量使用柱式绝缘子， 受外力及内部张力的影响， 靠近杆塔两侧的绝缘导线容易出现剪切疲劳， 造成绝缘层损伤， 因而即使雷击发生在线路附近地面， 没有直接击中架空绝缘导线形成击穿孔， 受绝缘层损伤的影响， 工频续流电弧也将固定在绝缘层损伤处燃烧， 烧断绝缘导线， 这样就可以说明为什么绝缘导线断线处多出现在靠近杆塔的一端（断线处离杆塔约0.5 m）。另外， 绝缘导线断口之所以呈现整齐， 类似金属脆性断裂的特点， 是因为伴随着工频续流电弧燃烧烧熔绝缘导线的热过程， 同时由于电位差所形成的电弧通道产生的电磁推力Fn（F′n
为电流交变所产生的反向拉力）和由导线本身重力形成的轴向张力在工频续流电弧燃烧处互相作用的力过程， 绝缘导线在被烧熔的过程中， 由于力的作用而被迅速拉断， 形成了整齐的断口形貌， 绝缘导线断口处受力分析见图1。
图1 绝缘导线雷击断线处受力分析图
考虑到配电线路发生雷电过电压闪络， 特别是在两相或三相之间发生闪络后， 便启动继电保护加以动作， 但绝缘导线仍发生了断线事故， 笔者通过
计算和分析导线的熔断时间和继电保护动作时间来做进一步研究。
10 kV 線路改造时采用的绝缘导线型号为JKLYJ / Q-240 绝缘导线， 该型号导线的工作温度θW=90℃、短路时导线最高允许温度θW=250℃， 导体截面积S =240 mm2。导体短路时发热量Qk按式（3）计算：
（3）
式（3）中， S 为导体截面积， 这里取240 mm2； Aw为与导线的工作温度及材料有关的参数， 根据相关资料可得当θW=90℃时， Aw≈0.7×106J /（Ω·m4）； Ah为与短路时导体最高温度及导体材料有关的参数，查阅相关资料可得θh=250 ℃， Ah≈1.6×106 J /（Ω·m4）。将这些已知数据一同代入式（2）， 可得Qk≈5.184×108 J / Ω。
导体的熔断时间按式（4）计算：
（4）
式（4）中， I∞为稳态短路电流， 此处取短路校验时的最大短路电流15.5 kA； Qk为式（2）中计算的大的结果， 将Qk≈5.184×108 J / Ω 代入到式（3）中计算可得导线熔断时间teq≈1.83 s。
根据现场运行经验及相关规程， 10 kV 配电线路发生相间短路故障时， 继电保护的动作时间应当包括主保护动作时间和失灵保护动作时间， 考虑到该10 kV 配电线路的具体实际情况和继电保护装置的灵敏性， 为了防止线路扩大事故， 继电保护动作时间选择2 s 左右， 这样由于导线熔断时间小于继电保护动作时间， 当10 kV 配电线路遭受雷击发生闪络形成短路故障时， 继电保护装置来不及动作， 从而必然发生绝缘导线断线事故。
3 预防绝缘导线雷击断线的措施
根据以上对绝缘导线雷击断线事故原因和机理的分析， 得出要预防此类事故的发生， 必须及时切断由雷电流引起的工频续流， 在电弧到达绝缘损伤处前对其进行放电， 并适当调整配电线路结构， 减小由于导线剪切疲劳所引起的绝缘层损伤。
3.1 提高线路绝缘水平
提高线路绝缘水平可以使得由感应过电压引起的工频续流因爬距较大而无法建弧， 从而保护绝缘导线不被烧伤。具体的做法有以下2 种：
（1）根据该10 kV 配电线路的具体实际情况可以适当增加绝缘子片数， 有选择性地将P15 型绝缘子换成P20 型绝缘子， 提高线路的耐雷水平， 由试验可知該P15 绝缘子的U50%放电电压约为91.56 kV，P20 绝缘子的U50%放电电压约为180.25 kV， 将P15型绝缘子换成P20 型绝缘子将显著提高该10 kV 配电线路的耐雷水平。
（2）可尝试采用加强架空绝缘导线局部绝缘的方法， 即在绝缘导线靠近绝缘子的端部加厚绝缘，使放电只能从加强绝缘边沿处击穿导线， 产生沿面
闪络， 利用沿面闪络可提高线路的冲击放电电压。线路绝缘水平的提高也将明显地降低感应雷过电压造成配网线路发生闪络的概率， 提高供电可靠性。
3.2 安装线路避雷器
10 kV 配电线路具有网络结构复杂， 绝缘水平低的特点， 一般不装设避雷线。通常采取的防雷措施是安装线路避雷器， 限制入侵波过电压的幅值，将雷电流泄入大地， 从而防止绝缘导线雷击断线，因此可在该10 kV 配电线路的易击段安装线路避雷器， 并且对加装避雷器的线路附近杆塔设计接地装置来保证避雷器的泄流效果， 降低雷电冲击电阻、减小线路遭受感应雷以及直击雷时的雷电过电压峰值， 进一步保证配电线路及设备的安全稳定运行。
3.3 安装引弧跳线
为防止绝缘导线断线事故的发生， 关键是切断工频续流， 加速熄弧。因此可在绝缘子两侧， 横担下方安装引弧跳线， 并使得跳线与横担的间隙小于绝缘子上方导线与横担的间隙， 以便将电弧引到横担与跳线之间， 这样就相当于对横担产生屏蔽作用， 根据电磁感应定律可知磁场将改变电弧中电子的方向， 有利于熄弧。
3.4 调整绝缘子安装结构
在满足电网三相平衡的前提下， 可适当调整绝缘子的安装结构， 增大绝缘导线与柱式绝缘子之间的夹角， 从而减小由于绝缘导线剪切疲劳所引起的绝缘层损伤， 保护绝缘导线的绝缘层。
3.5 整定继电保护装置动作时间
根据该10 kV 配电线路的实际运行情况， 可对该10 kV 线路上运行的继电保护装置的动作时间进行重新整定， 适当缩小继电保护装置的主保护动作时间， 从而保证在绝缘导线熔断之前， 继电保护装置能迅速动作， 防止绝缘导线断线事故的发生。
4 结论
（1） 通过对该10 kV 配电线路进行现场调研，并计算出该10 kV 配电线路每年遭受雷击的次数和耐雷水平， 从配电线路走廊沿线的雷电活动情况、现有防雷措施等方面分析了该10 kV 配电线路发生绝缘导线雷击断线事故的宏观原因。
（2） 通过对绝缘导线断线事故的微观机理进行分析与研究， 指出阻碍工频续流电弧在导线上滑移的因素不仅仅只有雷电直击在绝缘导线上形成的击穿孔， 另外由于导线剪切疲劳所引起的绝缘层损伤也是一个重要因素， 并进一步计算和分析绝缘导线的熔断时间和继电保护装置的动作时间， 对两者进行比较得出绝缘导线遭雷击必发生断线事故。
（3） 结合该10 kV 配电线路的实际情况， 提出了提高线路绝缘水平、安装线路避雷器、整定继电保护动作时间等有效的防护措施，实际应用效果表明，
这些防护措施能有效解决该条10 kV 配电线路遭雷击频繁发生断线事故的问题， 同时这些防护措施对同地区其他配电线路的防雷改造具有指导性意义。
参考文献：
［1］ 李志娟， 李景禄， 宋珂， 等. 关于农网35kV 线路防雷措施探讨［J］. 电瓷避雷器， 2007（5）：39-42.
［2］ 孙海渤. 防架空绝缘导线雷击断线的新型防弧金具［J］.高电压技术， 2006， 32（6）：125-126.
［3］ 罗俊华， 聂定珍， 张锦秀， 等. 35kV 及以下架空绝缘电缆过电压保护技术［J］. 高电压技术， 2000， 26（3）：40-41.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词： 10 kV配网； 架空绝缘导线；防雷措施
Abstract: This paper mainly analyses the line broken caused by lightning striking of insulation wire, and explores the lightning protecton measures of 10 kV aerial insulation distribution, which is available for reference.
Keywords: 10 kV distribution network; aerial insulation wire; lightning protection
中图分类号： TM246+.1 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
0 前言
10 kV 配电线路在电网中的地位极为重要，一旦雷击损坏，将直接影响主网的安全可靠运行，造成严重的后果，因此要求有可靠的防雷措施。10 kV 配电线路路径多建于空旷地带或山上,由于暴露在自然中，极易受到外界的影响和损害, 主要是受到雷击故障的困扰。尤其是雷雨季节, 经常因雷害事故而造成大面积停电, 严重地影响了配电线路的安全、可靠运行。我国电网故障分类统计数据表明, 多雷地区线路雷击跳闸次数占总跳闸次数的40%～70% 。因此,如何切实有效地制定及改善 配电线路的防雷措施, 已经成为确保线路安全、可靠运行的重要工作之一。
1 雷击断线外部原因分析
1.1 雷电活动强烈
惠州地区为多雷区，年雷暴日数在70天左右， 雷电活动十分频繁， 配电线路每年遭受雷击的次数是很高的， 对其应及时采取有效的防雷措施。另外， 地区土壤电阻率较小， 在土壤电阻率较小的地区， 雷击的概率较大， 这是由于静电感应的作用， 在雷电先导放电阶段， 地中的感应电流沿着电阻率较小的路径流通， 使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反的电荷， 而雷电自然就朝电阻率较小的地区发展。现场抽样测得的土壤电阻率见表1（季节系数取2.0）。
表1 某10 kV 配电线路沿线土壤电阻率抽样测量表
1.2 线路耐雷水平低
线路为景观线路， 相间距离小， 结构紧凑，且线路上所用绝缘子均为P15 型， 耐雷水平低，线路遭受雷击后容易发生闪络， 易引发绝缘导线断线事故。该10 kV 配网线路的耐雷水平按式（2）进行计算：
（2）
式（2）中， U50%为绝缘子串的U50%冲击闪络电压， 根据实验可得该线路中所用P15 型绝缘子的U50%冲击闪络电压约为91.56 kV； β 为避雷线分流系数， 这里该值取1； k 为避雷器耦合系数， 此处该值为0；Lgt为杆塔电感， 杆塔的电感取0.84 mH / m， 则Lgt=0.84×10=8.4 μmH； hd为绝缘导线悬挂平均高度，根据现场调研取10m， Rch为杆塔平均接地电阻， 根据现场测量的结果， 该值取15 Ω。将这些值代入到式（1）可得该配电线路的耐雷水平为IL=4.15 kA。而雷击时产生的雷电流一般为几万安培， 远远大于该线路的耐雷水平。所以该线路遭受雷击时极有可能发生闪络。
1.3 现有防雷措施不足
根据线路现场调研的情况， 该10 kV 配网由于是新建线路， 线路上没有安装任何的防雷装置， 也没有采取其它任何防雷措施， 当线路遭受雷击时，得不到有效的防雷保护， 很容易使得线路发生闪络进而发生绝缘导线雷击断线事故。
2 雷击断线的微观机理分析
关于架空绝缘导线雷击断线的机理， 国内外学者已经做了大量的研究， 得出的结论也基本一致,认为是在雷击闪络通道上建立的工频续流电弧固定在一点燃烧导致绝缘导线断线。笔者认为， 架空绝缘导线雷击断线的根本原因为结构性原因， 为极短时间内热过程与力过程综合作用的结果， 与绝缘导线的本身质量关系不大。首先， 线路除转角塔使用耐张绝缘子外， 其余杆塔仍大量使用柱式绝缘子， 受外力及内部张力的影响， 靠近杆塔两侧的绝缘导线容易出现剪切疲劳， 造成绝缘层损伤， 因而即使雷击发生在线路附近地面， 没有直接击中架空绝缘导线形成击穿孔， 受绝缘层损伤的影响， 工频续流电弧也将固定在绝缘层损伤处燃烧， 烧断绝缘导线， 这样就可以说明为什么绝缘导线断线处多出现在靠近杆塔的一端（断线处离杆塔约0.5 m）。另外， 绝缘导线断口之所以呈现整齐， 类似金属脆性断裂的特点， 是因为伴随着工频续流电弧燃烧烧熔绝缘导线的热过程， 同时由于电位差所形成的电弧通道产生的电磁推力Fn（F′n
为电流交变所产生的反向拉力）和由导线本身重力形成的轴向张力在工频续流电弧燃烧处互相作用的力过程， 绝缘导线在被烧熔的过程中， 由于力的作用而被迅速拉断， 形成了整齐的断口形貌， 绝缘导线断口处受力分析见图1。
图1 绝缘导线雷击断线处受力分析图
考虑到配电线路发生雷电过电压闪络， 特别是在两相或三相之间发生闪络后， 便启动继电保护加以动作， 但绝缘导线仍发生了断线事故， 笔者通过
计算和分析导线的熔断时间和继电保护动作时间来做进一步研究。
10 kV 線路改造时采用的绝缘导线型号为JKLYJ / Q-240 绝缘导线， 该型号导线的工作温度θW=90℃、短路时导线最高允许温度θW=250℃， 导体截面积S =240 mm2。导体短路时发热量Qk按式（3）计算：
（3）
式（3）中， S 为导体截面积， 这里取240 mm2； Aw为与导线的工作温度及材料有关的参数， 根据相关资料可得当θW=90℃时， Aw≈0.7×106J /（Ω·m4）； Ah为与短路时导体最高温度及导体材料有关的参数，查阅相关资料可得θh=250 ℃， Ah≈1.6×106 J /（Ω·m4）。将这些已知数据一同代入式（2）， 可得Qk≈5.184×108 J / Ω。
导体的熔断时间按式（4）计算：
（4）
式（4）中， I∞为稳态短路电流， 此处取短路校验时的最大短路电流15.5 kA； Qk为式（2）中计算的大的结果， 将Qk≈5.184×108 J / Ω 代入到式（3）中计算可得导线熔断时间teq≈1.83 s。
根据现场运行经验及相关规程， 10 kV 配电线路发生相间短路故障时， 继电保护的动作时间应当包括主保护动作时间和失灵保护动作时间， 考虑到该10 kV 配电线路的具体实际情况和继电保护装置的灵敏性， 为了防止线路扩大事故， 继电保护动作时间选择2 s 左右， 这样由于导线熔断时间小于继电保护动作时间， 当10 kV 配电线路遭受雷击发生闪络形成短路故障时， 继电保护装置来不及动作， 从而必然发生绝缘导线断线事故。
3 预防绝缘导线雷击断线的措施
根据以上对绝缘导线雷击断线事故原因和机理的分析， 得出要预防此类事故的发生， 必须及时切断由雷电流引起的工频续流， 在电弧到达绝缘损伤处前对其进行放电， 并适当调整配电线路结构， 减小由于导线剪切疲劳所引起的绝缘层损伤。
3.1 提高线路绝缘水平
提高线路绝缘水平可以使得由感应过电压引起的工频续流因爬距较大而无法建弧， 从而保护绝缘导线不被烧伤。具体的做法有以下2 种：
（1）根据该10 kV 配电线路的具体实际情况可以适当增加绝缘子片数， 有选择性地将P15 型绝缘子换成P20 型绝缘子， 提高线路的耐雷水平， 由试验可知該P15 绝缘子的U50%放电电压约为91.56 kV，P20 绝缘子的U50%放电电压约为180.25 kV， 将P15型绝缘子换成P20 型绝缘子将显著提高该10 kV 配电线路的耐雷水平。
（2）可尝试采用加强架空绝缘导线局部绝缘的方法， 即在绝缘导线靠近绝缘子的端部加厚绝缘，使放电只能从加强绝缘边沿处击穿导线， 产生沿面
闪络， 利用沿面闪络可提高线路的冲击放电电压。线路绝缘水平的提高也将明显地降低感应雷过电压造成配网线路发生闪络的概率， 提高供电可靠性。
3.2 安装线路避雷器
10 kV 配电线路具有网络结构复杂， 绝缘水平低的特点， 一般不装设避雷线。通常采取的防雷措施是安装线路避雷器， 限制入侵波过电压的幅值，将雷电流泄入大地， 从而防止绝缘导线雷击断线，因此可在该10 kV 配电线路的易击段安装线路避雷器， 并且对加装避雷器的线路附近杆塔设计接地装置来保证避雷器的泄流效果， 降低雷电冲击电阻、减小线路遭受感应雷以及直击雷时的雷电过电压峰值， 进一步保证配电线路及设备的安全稳定运行。
3.3 安装引弧跳线
为防止绝缘导线断线事故的发生， 关键是切断工频续流， 加速熄弧。因此可在绝缘子两侧， 横担下方安装引弧跳线， 并使得跳线与横担的间隙小于绝缘子上方导线与横担的间隙， 以便将电弧引到横担与跳线之间， 这样就相当于对横担产生屏蔽作用， 根据电磁感应定律可知磁场将改变电弧中电子的方向， 有利于熄弧。
3.4 调整绝缘子安装结构
在满足电网三相平衡的前提下， 可适当调整绝缘子的安装结构， 增大绝缘导线与柱式绝缘子之间的夹角， 从而减小由于绝缘导线剪切疲劳所引起的绝缘层损伤， 保护绝缘导线的绝缘层。
3.5 整定继电保护装置动作时间
根据该10 kV 配电线路的实际运行情况， 可对该10 kV 线路上运行的继电保护装置的动作时间进行重新整定， 适当缩小继电保护装置的主保护动作时间， 从而保证在绝缘导线熔断之前， 继电保护装置能迅速动作， 防止绝缘导线断线事故的发生。
4 结论
（1） 通过对该10 kV 配电线路进行现场调研，并计算出该10 kV 配电线路每年遭受雷击的次数和耐雷水平， 从配电线路走廊沿线的雷电活动情况、现有防雷措施等方面分析了该10 kV 配电线路发生绝缘导线雷击断线事故的宏观原因。
（2） 通过对绝缘导线断线事故的微观机理进行分析与研究， 指出阻碍工频续流电弧在导线上滑移的因素不仅仅只有雷电直击在绝缘导线上形成的击穿孔， 另外由于导线剪切疲劳所引起的绝缘层损伤也是一个重要因素， 并进一步计算和分析绝缘导线的熔断时间和继电保护装置的动作时间， 对两者进行比较得出绝缘导线遭雷击必发生断线事故。
（3） 结合该10 kV 配电线路的实际情况， 提出了提高线路绝缘水平、安装线路避雷器、整定继电保护动作时间等有效的防护措施，实际应用效果表明，
这些防护措施能有效解决该条10 kV 配电线路遭雷击频繁发生断线事故的问题， 同时这些防护措施对同地区其他配电线路的防雷改造具有指导性意义。
参考文献：
［1］ 李志娟， 李景禄， 宋珂， 等. 关于农网35kV 线路防雷措施探讨［J］. 电瓷避雷器， 2007（5）：39-42.
［2］ 孙海渤. 防架空绝缘导线雷击断线的新型防弧金具［J］.高电压技术， 2006， 32（6）：125-126.
［3］ 罗俊华， 聂定珍， 张锦秀， 等. 35kV 及以下架空绝缘电缆过电压保护技术［J］. 高电压技术， 2000， 26（3）：40-41.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。