10kV架空线路故障分析和防护措施应用

10kV架空线路故障分析和防护措施应用

郑锦泉1 ,苏淑婉2 ,刘塽1

（1广东电网有限责任公司潮州供电局，潮州 521000；2广东潮州电力设计有限公司，潮州 521000）

摘要：通过统计2020年度配网10kV架空线路故障，分析10kV架空线路故障主要由雷电等气候条件以及施工检修等因素造成线路跳闸或断线。同时，通过计算雷电过电压和分析导线机械损伤对线路影响配网可靠性运行的原因。提出架空线路故障中采用技术和管理手段能够有效降低线路跳闸或者断线的防护措施，介绍国内研究的过电压保护装置的可行性和降低线路故障的管理措施。

关键词：10V架空线路；雷击跳闸；机械损伤；故障分析；防护措施

中图分类号：TM863

0引言

随着社会的发展，人们对电能的依赖越来越强，对供电可靠性的要求越来越高。10kV配电网属中压配电网，它延伸至用电负荷的中心或居民小区内，直接面对工矿企业和居民等广大用户的供电需要，起着承上启下确保用户供电的作用，因此10kV配电网所处的地位十分重要。配网系统能否安全、经济、可靠地运行，直接影响电力系统供电可靠性。

10kV配网系统普遍采用的线路有架空裸导线、架空绝缘导线以及电缆，从经济性角度，架空线路，包括裸导线和绝缘导线的使用率更高。相比较架空裸导线，绝缘导线运行故障率更低。我国从八十年代开始对城市架空配电网实施绝缘化改造试点，九十年代加快了步伐，至今配网绝缘化率可以达到70%及以上，大大降低配网运行故障，但同时也产生了不同于裸导线的问题。根据文献[1]所述，架空线路存在的问题主要是雷击跳闸率和累计断线故障率较高；另外，从现场运行故障分析，线路机械损坏也占了很大一部分，包括导线安装过程绝缘层损坏、导线芯线扭曲断股、外力作用累积效应等，都可能导致线路运行发生故障。

1配网故障现状

根据国家电网公司组编的《用户供电可靠性管理工作手册》（第二版）对供电可靠性工作进行分析，以2020年为例，根据故障责任原因统计10kV架空线路各类故障停电比例，如图1所示。

图1 10kV线路各类故障比例图

其中，因气候因素包括雷害、大风大雨等气候条件造成的故障停电占36.0868%，因外力因素包括动物、树木等造成的故障停电占4.7189%，而运行施工管理包括施工质量、管理不当占故障停电的11.7316%。根据图1可以看出，因气候、外力和管理造成的故障停电占总故障的52.5373%，是配网故障停电的主要因素。从故障的主要类型分析，因导线断股、单相接地、相间短路、对树放电、断线等造成的停电占故障停电的41.9048%，其中断线达17.626%，是线路故障的主要技术原因。

根据绝缘导线和裸导线各自特点，外部因素如金属线等导体的短接、树木、鸟害、等导致跳闸，主要发生在裸导线上；而绝缘线路因绝缘层的存在，能够防止大部分的外部因素，但是伴随着雷击断线的故障的增多。有关资料表明，绝缘导线在运行中，其总故障数为裸导线故障总数的15.3%，故障数大大下降；其中绝缘导线雷击事故占总事故数的36.8%，而雷击断线率为96.8%[2]。根据文献[1]所述，架空绝缘线路雷击断线故障比裸导线高，在于绝缘导线绝缘层阻碍了雷击闪络之后工频续流弧根的移动，而裸导线发生闪络时弧根能够在电动力或者外部环境如风吹等因素作用移动，不会集中于一点烧蚀导线。

2故障分析

根据电网配网10kV架空线路故障分析，线路跳闸、故障停电一方面是因气候因素，如雷电、大风大雨等造成；另一方面是因线路机械损伤，如施工安装质量、检修试验、闪络导致导线损伤等造成。

2.1雷击故障分析

文献[1]介绍，配网因雷击而导致跳闸、断线主要是因为感应过电压作用，根据文章计算结果，作用在线路上的感应过电压可以达到300~400kV及以上。目前，配网所使用的绝缘子有针式绝缘子P-10、支柱绝缘子PS-20等，根据文献[3]所示计算方法，以这两种绝缘子为例计算架空线路雷击跳闸率。

架空线路每公里的雷击雷击闪络次数N按式（1）计算[3]：

     （1）

其中，，为最大雷击电流幅值，kA；hd为杆塔高度，取10m；S为雷击点与线路距离，m。

利用已计算的每公里的雷击线路闪络次数可计算雷击跳闸次数，即雷击跳闸次数=100×每公里雷击线路闪络次数N×建弧率。

在波形为1.2/50μs的雷电冲击波作用下，P-10和PS-20的50%闪络电压幅值大约分别为150kV和200kV，由于南方地区多累地区，雷暴日选90天进行计算，结果如表2所示。

表1 不同雷电流幅值下线路雷击跳闸次数（次/100公里·年）

绝缘水平的不高是架空线路受感应过电压作用的主要原因。根据表2所示数据，在不同雷电流幅值下，其雷击跳闸率普遍比较高，10kV架空线路总长度102.44公里，以雷电流幅值为100kA时则采用P-10绝缘子的线路理论计算每年雷击跳闸次数达57.7次/年；根据计算结果也可以看出，采用PS-20线路年雷击跳闸次数相对较低，故提高线路绝缘水平，能够有效降低感应过电压对线路影响。由于雷电分布的分散性，实际上线路雷击故障没有理论数据多，但从计算数据也可以得出雷电活动频繁程度、雷电流幅值分布对配网可靠运行威胁。

2.2机械损坏故障分析

架空线路的机械损坏有以下几种情况：一是，施工安装或者检修等，造成导线损伤，特别是对绝缘线路。因为绝缘导线的绝缘层必须承担部分线路机械拉力荷载。因线路施工、检修而导致线路绝缘层受损时，由于绝缘层的收缩作用，破损部分绝缘的长度会发生变化，降低导线的绝缘水平同时破坏绝缘导线的防潮能力；绝缘层破损，由于外皮绝缘的断裂导线所承受的应力完全作用在线芯上，大大降低了架空导线的应力要求，遇大风导线摆动受导线振动影响，对该点必定造成金属疲劳，时间较长后导致线芯铝产生拉伸形变现象，容易发生断线；并且，该处导线的输送容量降低，若仍按绝缘线容量控制，则出现局部发热现象，加之铝制金属导线的裸露，易发生污秽闪络现象，并且受雨水侵蚀极易氧化，丧失原有的导线强度，易发生断线。

二是，因工频续流烧蚀导线，可能直接烧断导线，也可能局部烧蚀导线。对于绝缘线路，其发生工频续流主要由雷电过电压造成，且一般可能是两相短路，故直接烧断的可能性极大；而对于裸导线，容易受树木、异物等短接而形成工频电弧，由于少了绝缘层的阻隔，工频电弧弧根可以滑动，故局部烧蚀的可能性较大，且目前裸导线远多于绝缘线路，其发生烧蚀的频率更大，在长期机械应力累计作用下，发生断线的可能性也很大。

因此，对于线路机械损坏而导致跳闸或者断线，有雷点过电压的直接因素，也有施工、检修等造成的间接因素，同时目前局配网线路绝缘化率低也是其中一个重要因素。

3防护措施

3.1雷击故障防护措施

针对配网架空绝缘线路雷击断线问题，根据国内外研究成果，普遍采用的有穿刺性防弧金具、安装避雷器、提高线路的耐雷水平、采用新型绝缘子、安装防熔断装置、防雷支柱绝缘子等，这些防护措施，除了安装氧化锌避雷器和加强绝缘强度之外，其它方式都是通过提供电弧放电通道来防止断线，其结果是降低线路绝缘水平，雷击跳闸率比较高；裸导线线路普遍采用氧化锌避雷器来防护线路跳闸，但安装独立接地电阻等问题影响其应用效果。

根据目前新研究防护设备，介绍几种可能降低线路雷击跳闸的措施。武汉新电电气技术有限公司研制的10kV线路雷击闪络保护器[4]，主要用于10kV绝缘导线和架空裸导线路防雷。由引弧电极、氧化锌避雷器本体和支撑横担构成，主要采用线路与避雷器本体提供间隙提高避雷器使用寿命，通过采用自然接地电阻以及以及避雷器阻断工频电弧达到降低雷击跳闸率的目的，如图2（a）所示。另外，还有其它类似保护装置，如北京水木开元科技有限公司[5]，其原理也是一样，不过采用可调节连接支柱，安装有一定难度，如图2（b）所示。

从线路运行的经济性分析，文献[6]计算结果表明，较之没有安装MOA时线路每200m安装一组避雷器可降低感应雷事故81%。故可以在在架空变台、耐张杆、直线杆、死到头杆、与高电压线路交跨杆和绝缘薄弱点处安装此类保护器效果比较好，安装密度可以考虑每隔200~300m一组保护装置。

（a）10kV线路雷击闪络保护器          （b）过电压保护器

图2 各类防止雷击跳闸保护装置

另外，裸导线故障率要普遍高于绝缘导线，通过保护装置可以降低雷击跳闸率，但是对导体、树木等短接基本没有效果，提高绝缘化率是必然措施。

3.2机械损坏防护措施

因线路施工、检修等造成的线路断线，必须加强施工管理，严格施工标准，提高设备投运前的验收质量。绝缘导线的施工架设与架空裸导线不同，它不允许导线在施工过程中对绝缘层的损伤，在施工中要注意对绝缘层的保护，尽量避免导线绝缘层和地面及杆塔附件接触摩擦。接地环安装在耐张线夹的非受力侧的导线上（线路侧），接地环安装要合理，防止因人为造成的绝导外皮损伤问题，保证架空导线满足所需应力要求。

按照设计规程规定，绝缘架空线的档距有限制，按照DL/T5220-2005《10kV及以下架空配电线路设计规程》规定“架空绝缘线路的档距不宜大于50m”。绝缘线的同心度不好，紧线时绝缘线不宜过力牵引，线紧好后，同档内各相导线的弛度应力求一致。绝缘导线多了一层绝缘层，线径比裸导线大，当采用普通金具时，导线固定金具和连接金具要放大型号，特别是在耐张杆处线路接线点，耐张线夹一定要连导线的外皮一起夹紧，防止架空绝缘导线退皮，影响其机构性能和绝缘性能。同时还应加强巡视检查力度，及时发现此类问题避免断线故障发生。而施工、检修等对裸导线影响较少，需要加强维护的是外力因素对线路的影响。

总结

（1）根据配网10kV架空线路故障统计分析，气候、外力和管理因素是配网故障停电的主要原因，其中断线占总故障停电的17.626%。

（2）配网绝缘水平薄弱，通过计算10kV架空线路理论雷击闪络次数，分析雷电过电压对配网故障的影响；同时，从降低线路雷击跳闸率角度，介绍可以采用的雷电过电压防护措施。

（3）根据绝缘导线和裸导线的特点，绝缘线路故障率远小于裸导线，但是因过电压或者绝缘破损而导致的断线率要大于裸导线；提出降低间接因素导致绝缘导线断线的措施。

（4）配网绝缘化率比较低，裸导线线路多于绝缘线路，提高绝缘化率是降低故障的关键措施；而通过采用一些防护措施可以降低线路雷击跳闸率，提供供电可靠性。

参考文献

[1]韩晋平，王晓丰，周文俊等.10kV架空绝缘导线雷电过电压与防雷综合措施研究[J].高电压技术，2008，33（11）：2395-2399.

[2] 文习山，彭向阳，解广润.架空配电线路感应过电压的数值计算[J].中国电机工程学报，1998,18(4):299-301.

[3] 陈维江，孙昭英，王晓刚等.10kV架空绝缘线路用防弧金具、放电箝位绝缘子工频电弧试验条件[A].见：中国电机工程学会，江苏省电机工程学会.江苏省电机工程学会绝缘导线防雷技术研讨会文集[C]. 2005绝缘导线防雷技术研讨会，南京，2005.

[4] 武汉新电电气技术有限公司http://www.xd178.com/main.asp

[5] 北京水木开元科技有限公司http://www.bjsmkylP.eb80.com/

[6] 苟晓彤，张露，叶宽、文习山.限制配电线路感应过电压的避雷器布置优化[J]. 高电压技术，2009（02）.

[7] DL/T5220-2005.10kV及以下架空配电线路设计规程[S].

[8] 陈维江，李庆峰，来小康，李国富，等.10 kV架空绝缘导线防雷击断线用防弧金具研究[J]. 电网技术，2005，29（20）：82-84.

[9] DL/T 620—1997.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京：中国电力出版社，1997.

[10]国家电网公司组编.用户供电可靠性管理工作手册[M].中国电力出版社，2009.