文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.018
隨著國家配網線路絕緣化率的提高，雷擊斷線成為配網線路主要事故之一，其危害性日益嚴重。提高架空絕緣線路絕緣水平可以減少配電網雷擊跳閘及絕緣導線雷擊斷線，10 kV架空線路桿頭空間有限，因此國家電網公司將絕緣橫擔列為新技術推廣用于防雷。本文就10 kV架空絕緣線路使用絕緣橫擔防雷設計進行研究。
1 原理描述
線路遭受雷擊有直擊雷和感應雷兩種。直擊雷是閃電直接擊中導線或桿塔，通過導線和桿塔與大地構成放電通道。閃電的平均電流是30 kA，最大電流可達300 kA。閃電的電壓很高，約為10萬～100萬kV。因此對直擊雷，不可能做到絕緣耐受，只能走線時利用地形地物減少直擊雷幾率。
感應雷是指當雷云來臨時，導線和桿塔由于靜電感應，產生出很高的感應電壓。感應電壓幅值一般不大于400 kV，其幅值服從對數正態分布。
我國以往沒有開展過配電線路雷擊形式觀測，根據日本上個世紀的短期觀測數據顯示，城市配電線路遭受感應雷和直擊雷的比例可近似按9:1對待。因此從經濟角度考慮，絕緣橫擔防雷僅考慮對感應雷的防護，可達到線路防雷的目的。
導致架空絕緣線路斷線的根本因素是雷擊閃絡后的工頻續流電弧，針對工頻續流采取的措施不同，防護絕緣線路雷擊斷線的具體方法可歸納為疏導式和堵塞式兩種。采用絕緣橫擔防雷可歸類為堵塞式方法。這種方法主要包括加強線路絕緣、加設避雷線、加設氧化鋅避雷器等。10 kV線路設置絕緣橫擔防雷措施后，已經可以將線路雷擊故障率控制在工程運行可接受范圍內，基于技術經濟性考慮，不建議對采用絕緣橫擔的線路再配置地線。
因耐張絕緣橫擔技術還不成熟，耐張桿用絕緣橫擔還未推廣。一般是直線桿采用絕緣橫擔，耐張桿（塔）及分支線路加設氧化鋅避雷器。直線桿采用絕緣橫擔提高耐雷水平，保證雷電流在耐張桿、分支桿等處通過金屬氧化物避雷器泄流，達到防止絕緣導線燒傷斷線的目的。
基于以上防雷原理，10 kV絕緣橫擔防雷設計要解決兩個問題，即10 kV直線桿絕緣橫擔干弧距離和耐張桿氧化鋅避雷器的設置。
2 絕緣橫擔干弧距離的設定
2.1 絕緣橫擔干弧距離定義
干弧距離(也稱電弧距離)：絕緣橫擔在正常帶有運行電壓的兩個金屬附件之間外部空氣間的最短距離。如圖1所示。
2.2 干弧距離基礎值設計
從經濟角度考慮，絕緣橫擔防雷僅考慮對感應雷的防護，感應雷其過電壓幅值一般不大于400 kV。在海拔1 000 m下，通過對整支橫擔進行正極性U50耐壓試驗（試驗方法及結果見中國電力科學研究院《配電網10 kV線路用絕緣橫擔特性研究》），絕緣距離為600 mm時，U50試驗數據大于400 kV。由于正極性閃絡電壓較負極性低，根據試驗結果，計算出U50閃絡電壓為395 kV，考慮老化，其設計壽命內雷電沖擊耐受水平不低于350 kV。
感應雷電流的幅值服從一定的概率分布，一般認為服從對數正態分布，我國電力系統標準采用以下公式：
雷電通道的等值波阻抗Z0一般在300 Ω~3 000 Ω間變動，雷電流幅值越小，Z0取值越大。對應最大電壓幅值，取雷電通道波阻抗為300 Ω，可計算出大于350 kV的雷電幾率為5.62％，即不低于350 kV的雷電沖擊耐受水平可以耐受94.38％感應雷。因此干弧距離600 mm絕緣橫擔滿足長期運行的防雷設計需求。
綜合以上分析，10 kV絕緣橫擔在海拔1 000 m及以下時干弧距離按600 mm設計，其雷電沖擊耐受水平不低于350 kV。
2.3 干弧距離海拔修正
絕緣強度隨著空氣密度減小而降低，因此為確保絕緣橫擔在高海拔地區使用時雷電沖擊耐受水平仍不低于350 kV，要考慮空氣密度的影響。根據GB 311.1-2012《絕緣配合第1部分定義、原則和規則》及Q/GDW 13001-2014《國家電網公司物資采購標準 高海拔外絕緣配置技術規范》相關規定對絕緣橫擔最小干弧距離進行海拔修正，海拔修正系數如下：
其中，H2為絕緣橫擔安裝地點海拔高度，H1為絕緣橫擔試驗地點海拔高度，m為海拔修正因子（工頻、雷電電壓取1，操作過電壓取0.75）。
通過計算，絕緣橫擔在各海拔高度須滿足的干弧距離見表1。
3 避雷器設計
3.1 避雷器配合防雷措施
金屬氧化物避雷器具有良好的非線性伏安特性，能有效限制架空絕緣線路上的直擊雷和雷電感應過電壓，同時抑制工頻續流起弧。采用絕緣橫擔的10 kV配電線路，避雷器宜逐基裝設在耐張桿（塔）和分支桿（塔）上保護線路[3]。對于多雷區或中雷區易遭雷區域、變電所出口處、變電站饋出線路1 km或2 km范圍內、可靠性要求高的架空絕緣線路重點區段的耐張桿（塔）、耐張設備桿（塔）、耐張電纜桿（塔）及耐張桿（塔）分支線路應加設或調換大通流容量規格避雷器。
避雷器應設置接地體接地，接地形式應安全可靠。為了能在雷擊時盡快泄流，架空絕緣線路每500 m范圍內宜有一基耐張桿（塔）安裝避雷器。
3.2 避雷器選型
根據Q/GDW 10370-2016《配電網技術導則》要求，帶間隙避雷器用于線路（導線、絕緣子），無間隙金屬氧化鋅避雷器用于保護設備（電纜桿（塔）、開關桿、變臺桿等）。金屬氧化物避雷器一般可分為帶間隙避雷器和無間隙避雷器兩種類型。因帶間隙金屬氧化物避雷器本體不易老化損壞，正常情況下不會引起線路短路故障，因此在雷擊頻繁地區帶間隙金屬氧化物避雷器更有優勢。
為減少較高幅值雷電壓下避雷器的故障率，減輕查找處理故障的人力及時間，兩種避雷器選型均宜采用標稱放電電流10 kA級的大通流容量避雷器。避雷器主要電氣參數見表2。
4 結論
使用絕緣橫擔是一種有效的防雷措施，10 kV線路設置絕緣橫擔防雷措施后，可以將線路雷擊故障率控制在工程運行可接受范圍內。
絕緣橫擔防雷措施要和避雷器配合使用，對雷電流“堵”“泄”結合，阻止線路產生工頻續流電弧，保護線路安全運行。本文介紹的防雷配置綜合了各地運行經驗，并被國家電網公司編制絕緣橫擔典型設計采用，各地試點反應良好。
避雷器配置及參數選擇，各地也有很多好的運行經驗。總之，應在滿足相關規程規范要求同時，根據地區運行經驗，綜合造價分析及后期運維成本分析，選擇安全、經濟、適用的耐張桿（塔）避雷器安裝方案。
參考文獻
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[9] 宗強，郁杰，方江，等，配電網10 kV絕緣橫擔典型布置方案概述[J/OL]. 電工電氣, 2018-01-15.
作者信息:
龐明遠1，宗 強2，紀瑞景3
（1.國網甘肅省電力公司經濟技術研究院，甘肅 蘭州，730050；
2. 南通電力設計院有限公司，江蘇 南通，226000; 3.上海市南電力設計有限公司，上海201100）