0 引言

随着我国配电网绝缘导线覆盖面积不断扩大，绝缘导线雷击断线问题日益突出，雷击导致绝缘导线断线，严重影响了配电网的安全稳定运行，为了实现对架空线路有效的防雷保护，本文提出采用柱式限压器的保护措施，并对其进行了深入的研究分析。

1 柱式限压器设备概述 1.1 内置柱式限压器

内置柱式限压器既具有常规柱式绝缘子支撑导线的作用^[1-2]，又具有雷电防护功能，采用了一体化的设计形式，整只产品一次性模压成型，结构见图 1所示。装置上部是限压元件，下部是绝缘支柱。限压元件的底端装有均压环，均压环与下金具之间形成空气间隙^[2]。内置柱式限压器应用于绝缘导线线路时，不需要剥开导线的绝缘皮。导线绝缘皮相当于1个小放电间隙，线路遭受雷击放电时会被击穿。雷电放电后，由于非线性电阻片的作用，不会产生工频续流，整个过程只有雷电的能量施加在导线上。雷电的瞬时功率巨大，但总能量有限，不会损伤导线线芯。

1.2 外置柱式限压器

在不影响配电网结构的前提下，要想达到将避雷器与绝缘子合为一体，能够代替绝缘子使用并起到防雷作用，需满足空气间隙距离值固定、安装时无需人工调节、安装过程简单等要求，可行的方法就是在放电箝位柱式复合绝缘子的基础上集成装配金属氧化物避雷器，既能支撑绝缘导线，又能防止雷击断线。因此在考虑线路绝缘子结构、高度及线路堵塞式防雷的基础上，设计了避雷器与绝缘子并联结构，即外置柱式限压器，结构见图 2所示。其安装方式与目前常规使用的带串联间隙避雷器相同，出厂前可根据配合的绝缘子情况将间隙距离设定好，现场安装时简单易行。

2 内置柱式限压器间隙距离的选择 2.1 雷电冲击电压耐受试验

内置柱式限压器采用绝缘子与避雷器串联的形式，其放电电极为半圆形均压环及下电极^[3-5]，由于内置柱式限压器可直接代替绝缘子使用，根据确定的内置柱式限压器参数要求，产品的雷电冲击耐受电压应不小于110 kV。因此，在确定间隙距离时，进行了负极性的雷电冲击耐受电压试验，再根据选定的间隙距离，进行雷电冲击50%放电电压试验^[5-6]，确定产品的雷电冲击放电电压值。

为选取合适的间隙距离，制作了间隙距离为55 mm、60 mm、65 mm、70 mm和75 mm的试品，分别进行试验，试验结果见表 1所示。试验时，将内置柱式限压器安装在试验室的模拟杆塔上，安装方式与内置柱式限压器挂网运行时的安装方式相同。导线接雷电冲击发生器引出线，横担接地。

试验结果表明，间隙距离为55~65 mm时，内置柱式限压器耐受不住110 kV的雷电冲击电压；间隙距离为70 mm及以上时，内置柱式限压器可以通过110 kV电压冲击。因此，内置柱式限压器的放电间隙距离应至少为70 mm。

2.2 雷电冲击50%放电电压试验

由雷电冲击电压耐受试验^[7-8]初步确定了间隙距离为75±3 mm，即72~78 mm。本试验选用间隙距离分别为72 mm、75 mm和78 mm的试品，测试正、负极性的50%放电电压试验，试验结果见表 2所示。

由表 2可以看出，内置柱式限压器的间隙距离越大，其放电电压值越高。结合上述试验的结果，通常在10 kV架空线路中内置柱式限压器的间隙取75 mm，既满足耐受电压的基本要求，也便于统一标准及批量生产。

3 外置柱式限压器间隙距离的选择

外置柱式限压器采用绝缘子、避雷器并联形式^[9]，其避雷器与外串联间隙之间的50%冲击电压（U_50%）应为绝缘子部分50%冲击电压（U_50%绝缘子）的70%~85%，避雷器与外串联间隙的伏秒特性曲线应低于绝缘子伏秒特性曲线的15%。因此分别对串联间隙避雷器进行了不同间隙距离的正、负极性U_50%试验及正、负极性的伏秒特性试验。

3.1 雷电冲击50%放电电压试验

通过调节避雷器外串联间隙距离H，测得不同间隙距离对应的正、负极性U_50%；参考U_50%和干弧距离，初步选定避雷器的工作间隙距离。

根据试验结果（见表 3），参考绝缘子的雷电冲击50%放电电压值和绝缘子的干弧距离（236 mm）^[9]，选择避雷器的外串联工作间隙距离为75 mm。

3.2 雷电冲击伏秒特性试验

试验测量绝缘子的伏秒特性曲线。对于带串联间隙的避雷器^[10-12]，其雷电冲击伏秒特性曲线应比被保护的绝缘子雷电冲击伏秒特性曲线低至少15%^[13]，通过对绝缘子进行雷电冲击伏秒特性试验，作为设计带间隙避雷器的设计依据。外置柱式限压器间隙距离为75 mm时正、负极性雷电冲击伏秒特性试验数据见表 4所示。

根据表 4试验结果可知，外置柱式限压器间隙距离为75 mm时满足雷电冲击伏秒特性曲线应比被保护的绝缘子雷电冲击伏秒特性曲线低至少15%的要求，因此在10 kV架空绝缘线路防雷击断线中使用的外置柱式限压器的间隙距离应为75 mm。

4 柱式限压器的现场应用

某地区地形复杂，由于地质原因，雷电活动强烈。为保证供电的安全可靠，该地供电公司在部分10 kV线路上安装了内置和外置柱式限压器进行试验。该地供电辖区线路导线90%以上采用绝缘导线，线路杆塔主要为钢筋混凝土杆塔和铁塔。

4.1 雷击跳闸的原因分析

该地供电公司所管辖的配电线路1106条，在2015年该区所有线路故障中因雷击产生的跳闸62次，其中肖梁线因雷击跳闸8次。由于肖梁线处于该区的丘陵地带，接地电阻并不是很高，肖梁线雷击跳闸的原因主要有以下几个方面。

（1）安装氧化锌避雷器不到位。氧化锌避雷器能够有效限制雷电过电压，阻截工频续流。但是氧化锌避雷器的安装成本及安装工艺要求均较高。因此，因经济原因肖梁线未全线安装氧化锌避雷器导致防雷水平降低，雷击跳闸率升高。

（2）防雷绝缘子故障。肖梁线全线为架空绝缘导线，在安装防雷绝缘子过程中需剥离绝缘层，对导线造成损伤，导致线路的耐雷水平降低。

（3）维护困难。肖梁线所处的地理位置对线路的维护造成很大的困难，很多时候维护人员很难及时发现设备的运行故障。

4.2 柱式限压器安装前、后耐雷水平分析 4.2.1 线路未安装柱式限压器的耐雷水平

肖梁线杆塔高为14 m，导线对地平均距离为10.5 m，耦合系数K取值0.2，分流系数β取1，杆塔等值电感L_gt取值0.42 μH/m，U_50%取140 V。计算得出雷击导线附近地面时（假设距输电线外65 m落雷）耐雷水平I=33.1 kA。

由现场雷电压试验测得当塔杆顶部遭受直击雷时的耐雷水平如表 5所示。另外，测得雷绕击导线时的耐雷水平I=1.6 kA。

4.2.2 线路安装柱式限压器后的耐雷水平

线路安装柱式限压器后，当雷电流超过一定水平时，导线绝缘层被击穿，与限压器上的金具相连接的限压元件动作，雷电流通过限压元件进入大地。

雷击导线附近地面时（假设距输电线外65 m落雷）耐雷水平I=41.3 kA。

当塔杆顶部遭受直击雷时的耐雷水平如表 6所示。

当塔杆导线遭受绕击雷时，由于传播雷电波的导线可以看作无限均匀传输线，当雷电流达到一定水平面，限压器动作，把雷电流引入大地。

4.2.3 结论

从以上结果分析，可以发现在原有防雷技术措施之上安装柱式限压器可使10 kV肖梁线防雷水平得到大幅度提高。本设计采用的机械结构，将支柱和限压器融为一体，使其同时具有支柱支撑导线的功能和限压器雷电防护的作用。

5 结语

内置柱式限压器不但能够替代柱式绝缘子使用，还能够有效降低雷击造成的线路跳闸率，防止雷击断线，且安装简单，能够彻底解决配电线路的雷电防护问题，保证配电网的安全稳定运行。外置柱式限压器适用于架空输电线路，用于支撑导线，并具有防止雷击断线的功能。试验线路装设柱式限压器后，耐雷水平有了极大的提高。根据电网运行数据统计，改造的线路运行至今，未发生任何线路跳闸和雷击断线事故，说明柱式限压器的实际防雷效果较好，值得推广。