海南島位于中國的最南端，年平均雷暴日超過100天。作為海南配電網的主干網架，10kV配電線路擔負著直接向海南島旅游業、工農業等重要負荷供電的重要任務，其安全穩定運行至關重要。目前海南島10kV架空配電主線路多達1000多條，其絕緣水平低、無避雷線，在海南島強雷暴天氣環境下，線路整體雷擊跳閘率高，雷擊斷線情況嚴重，雷擊斷線后搶修恢復供電時間平均超過10h，嚴重影響供電可靠性。

如2016年，海南保亭局10kV保石線、三亞局10kV雅亮線均發生9次雷擊跳閘，故障情況極為頻繁。因此，有必要在海南配電網處于強雷區的大環境下，開展針對性的配電網差異化防雷技術研究，提高當前薄弱絕緣狀況下的海南配電網防雷水平。

本文針對海南配電網雷害高發的現狀，選擇典型配電線路開展專題研究：首先將線路周圍所在區域進行質點離散化，建立綜合考慮雷電信息、線路結構及絕緣信息的10kV差異化雷擊風險評估方法；然后以10kV保石線為研究對象，分析其線路走廊雷電活動特征，評估逐基桿塔雷擊風險；再以評估結果為基礎，經綜合比較防雷實際效果后，確定線路帶串聯間隙避雷器為主要改造措施；最后，針對風險等級較高的桿塔選擇安裝帶間隙避雷器進行防雷改造，依次制定兩套綜合防雷治理方案供選擇實施。

本文提出的10kV配電線路綜合防雷治理流程可供類似地區參考。

1 配電網差異化防雷技術

配電線路差異化防雷技術綜合考慮線路走廊雷電特征參數、線路信息參數，基于線路的耐雷水平，對其雷擊風險進行系統評估，評價線路逐基桿塔及全線的防雷水平。綜合分析典型配電網防雷措施技術經濟性，依據評估的線路雷擊風險等級，制定具體的防雷改造方案。配電線路差異化防雷技術的具體實施流程如圖1所示。

圖1 配電線路差異化防雷技術實施流程

對配電線路各基桿塔雷擊風險水平有一個較為全面的評估需要從時間及空間上用具有代表性的量對線路雷擊風險水平進行描述。所得結果能直觀反映出各基桿塔雷擊故障種類及分級，為差異化防雷改造提供參考依據。

1.1 雷擊跳閘率計算

配電線路雷擊區域如圖2所示，一次雷擊發生后，首先需要確定雷擊位置，根據雷擊位置進一步對雷擊故障類型進行分類及對雷擊過電壓開展計算。若判斷結果為雷擊線路，則該次雷擊發生時，即雷電直擊線路，在線路上產生直擊雷過電壓；當判斷結果并非線路時，即該次雷擊并非直擊線路，線路上將產生感應雷過電壓，通過進一步計算感應雷過電壓的波形或幅值判斷故障是否發生。

圖2 配電線路雷擊區域

在進行直擊雷和感應雷跳閘率計算時，由于不可能對每一基桿塔周圍區域內所有的落雷活動都進行耐雷水平的計算，再對線路是否閃絡及跳閘進行判斷，所以確定適當的計算范圍具有重要意義。一般地區最大雷電流幅值不超過250kA，根據規程法，雷擊地面時造成10kV絕緣子閃絡的最大距離為Smax=193m（U50%=160kV），因此本文著重考慮該范圍內的落雷造成線路故障次數的變化。為計算方便，本文取Smax=200m，這與國內外文獻中選取以桿塔為中心、200m為半徑的計算方法相符。

如圖2所示，對于進行評估的某一基指定的桿塔，首先讀取桿塔信息及周圍200m范圍內雷電信息，采用電氣幾何模型處理成多個具有各自擊距的離散點。分別取圖2中S方向及Y方向步長ΔS= 1m、ΔY=1m，組成一系列離散面元，根據統計得到的地閃密度可以得到每一個離散面元內落雷次數，雷電流幅值最大值由雷電監測系統統計得到的各地區所可能發生的最大雷電流幅值確定，根據統計得到的雷電流幅值概率分布函數將雷電流幅值I按照仿真步長ΔI劃分為多個區間。

通過上述時間及空間分析，可以獲得每次雷電流大小及位置，根據雷擊位置及雷擊物體采用規程法進行過電壓計算。根據過電壓計算模型判斷是否跳閘，并歸入相應的評估參量中，然后對下一雷電流幅值及面元進行相應的計算，直至所有面元計算結束。配電線路雷擊跳閘率計算流程如圖3所示。

圖3 配電線路雷擊跳閘率計算流程

1.2 雷擊風險評估

基于線路走廊雷電活動信息、線路結構和絕緣配置信息，計算保石線逐基桿塔的直擊雷跳閘率、感應雷跳閘率和總雷擊跳閘率。依據各基桿塔雷擊跳閘率計算結果，結合評估標準對各基桿塔進行雷擊風險等級評估。

目前電網公司無標準的配電網雷擊跳閘率考核指標值，以統一的標準來劃分配電網桿塔雷擊風險等級不切實際，應以被評估線路所有桿塔的平均雷擊跳閘率為參考來劃分桿塔雷擊風險等級，從中篩選出相對雷擊風險較高的桿塔作為重點防雷改造對象，雷擊閃絡風險評估標準見表1。

1.3 防雷治理改造

結合線路雷擊風險評估結果，基于各防雷措施技術經濟性分析結果，制定有針對性的防雷改造方案，實施防雷治理改造，降低線路雷擊跳閘率。不同防雷措施的適用條件各異，效果各有不同，資金投入也不同。10kV線路常用的防雷措施可以總結為“堵塞型”和“疏導型”。其中，“疏導型”防雷措施操作簡單、投資少，能有效地保護線路導線和線路絕緣子。

但由于該方式是在電弧電流過零點自然熄弧，熄弧能力差、滅弧時間長，并有可能復燃，造成線路雷擊跳閘率升高。“堵塞型”防雷措施能夠有效保護絕緣子不受電弧損傷，減少線路雷擊跳閘率，但存在氧化鋅電阻片高壓電老化、電阻片密封失效受潮等缺陷。防雷治理措施如圖4所示。

表1 雷擊閃絡風險評估標準

圖4 防雷治理措施

2 典型線路雷擊風險評估

海南省地處雷電高發區，雷電災害頻發，根據海南配電網近五年故障統計分析結果，選擇雷擊跳閘情況較為嚴重的的線路——10kV保石線進行差異化防雷綜合治理。

2.1 雷電參數統計

統計分析保石線沿線走廊的雷電特征參數發現，沿線雷電活動有以下兩個特征：

1）地閃密度極高。統計結果顯示，2018～2021年10kV保石線走廊區域的地閃密度平均值為12.1次/(km2?a)，處于強雷區等級。

2）雷電流幅值較高。保石線全線2018～2021年平均年的雷電流幅值累積概率分布曲線擬合表達式為P(＞I)=1/[1+(I/36.8)2.977]，平均中值電流為36.8kA，大于全國的平均中值電流31kA。

2.2 雷擊跳閘率計算

保石線基本參數為：主要使用12m水泥桿，無避雷線，桿塔波阻抗250Ω，電感取0.84μH/m，桿塔接地電阻10Ω，線路波阻抗400Ω，使用P—15針式絕緣子，U50%=120kV，主干導線LGJ—120，導線半徑1.52cm，檔距50m。依據上述線路參數，參考DL/T 1674—2016《35kV及以下配網防雷技術導則》標準中附錄C雷擊跳閘率計算方法，雷擊跳閘率計算公式為

式（1）

式（1）中：P為配電線路總的雷擊跳閘率（次/(100km?a)）；Pr為直擊雷跳閘率（次/(100km?a)）；Pf為感應雷跳閘率（次/(100km?a)）。

直擊雷跳閘率Pr為雷擊桿塔引起的反擊跳閘率和雷擊導線引起的直擊跳閘率之和，感應雷跳閘率Pf為雷擊線路附近地面引起的間接閃絡跳閘。參照導則中確定的計算方法獲得保石線全線直擊雷跳閘率為9.86次/(100km?a)、感應雷跳閘率為3.04次/(100km?a)。因此將保石線直擊雷跳閘率指標Sz值定為9.86次/(100km?a)，感應雷跳閘率指標Sg值定為3.04次/(100km?a)。

2.3 雷擊風險評估

依據圖3的雷擊跳閘率計算流程獲得逐基桿塔雷擊跳閘率計算結果，如圖5（a）所示。參照表1確立的評估標準，確定逐基桿塔雷擊風險等級，如圖5（b）所示，A、B、C、D等級的各級桿塔數量比例分別為12.59%、43.71%、27.81%、15.89%，即有56.3%的桿塔具有相對較好的防雷性能，有43.7%的桿塔防雷性能不理想，雷擊閃絡風險很高。

圖5

3 防雷綜合治理改造

3.1 防雷措施分析和選擇

實際運行數據表明，保石線近三年來每年都發生雷擊跳閘事故，且2016年發生9次，造成此狀況的主要原因包括：海南全區域近年來雷電活動日趨強烈，雷雨季節持續時間長；保石線沿線走廊周圍雷電強度較大，平均中值電流超過31kA。因此在選擇該條線路的防雷措施時，必須要求能可靠降低線路雷擊跳閘率，同時施工方便。

不同于輸電線路，10kV配電線路有以下特點：①大量使用絕緣導線；②混合使用電纜、架空線路；③大量線路是同塔多回線路；④中性點不接地或經消弧線圈接地。這些特點導致10kV配電線路防雷措施同輸電線路相比有所不同。

目前10kV配電線路主要的防雷措施有：①提高線路絕緣水平；②安裝防雷支柱絕緣子；③安裝穿刺型防弧金具；④安裝帶串聯間隙避雷器；⑤加裝復合絕緣橫擔；⑥架設避雷線。

提高線路絕緣水平是有效的雷電防護措施，適用于線路設計階段，但是對于已建線路，由于受與變電站絕緣配合的限制，提高線路絕緣水平（如全線更換更高等級絕緣子）工程周期較長，不太適宜；架設避雷線，受地形條件限制施工困難，使線路運行維護的工作量和難度增大，且加裝避雷線后桿塔的受力情況和地線與導線安全距離需要進行校核，其經濟造價亦較高，因此不宜選用.

安裝穿刺型防弧金具會短接部分絕緣子，造成線路絕緣水平降低，導致雷擊跳閘率提高，在海南強雷區雷擊跳閘率較高的情況下，不宜大范圍推廣.

同理，技術原理與穿刺型防弧金具相似的防雷支柱絕緣子也會造成線路雷擊跳閘率上升，同時其施工難度較穿刺型防弧金具更大，因此更不宜選用；復合絕緣橫擔由于其目前價格較高，且實際防雷效果有待檢驗，因此本次改造暫不作考慮。

理論計算分析和運行經驗都證明，將帶串聯間隙避雷器應用到雷電活動強烈或土壤電阻率高、降低接地電阻有困難的線段，可以顯著提高線路防雷水平，降低線路雷擊跳閘率。因此，對于海南強雷區10kV配電線路，安裝帶串聯間隙避雷器是減少雷擊故障的最有效方法。帶串聯間隙避雷器具有以下優點：

1）運行時不承受工頻電壓，閥片使用壽命長，避雷器發生故障也不影響線路安全穩定運行。

2）安裝方便，不需更換絕緣子，也不需更改原有線路設計。

3）通過限流元件快速切斷工頻續流，可有效限制雷電過電壓，防止雷擊跳閘。

3.2 防雷改造方案

根據保石線已有的雷擊跳閘記錄，結合雷擊風險評估的結果，確定需要進行防雷改造桿塔的范圍和順序依次為：1）已經發生過雷擊跳閘故障的桿塔；2）雷擊風險為D級的桿塔；3）雷擊風險為C級的桿塔。

10kV保石線需改造桿塔號見表2。

表2 10kV保石線需改造桿塔號

依據此改造順序，給出以下兩套防雷改造方案。

方案一：選擇標準1）和2）的桿塔進行改造，標準1）、2）中有部分重復的桿塔，經過累加，共計需要改造28基桿塔。

方案二：選擇標準1）、2）、3）的桿塔全部進行改造，標準1）、2）、3）中有部分重復的桿塔，經過累加，共計需要改造68基桿塔。

兩套備選防雷改造方案技術經濟性對比見表3，根據10kV保石線防雷改造目標與經費預算，可在兩套改造方案中選擇其一。如果已經預先確定了防雷改造目標與經費預算，也可以此為限定條件進行方案的重新制定和調整。

表3 兩套備選防雷改造方案技術經濟性

4 結論

針對海南強雷區典型10kV配電線路開展差異化防雷綜合治理研究，本文選擇海南地區近年來發生雷擊故障次數最多的10kV保石線開展研究：

首先統計分析了保石線的雷電活動特征；將線路所在區域處理成離散質點，建立了綜合包含線路信息、雷電信息的10kV配電線路雷擊風險評估流程；然后采用10kV配電線路差異化防雷技術，進行逐基桿塔的雷擊風險評估；綜合雷擊風險評估結果、現有防雷措施特點，確定帶串聯間隙避雷器作為保石線防雷改造主要裝置；根據評估結果，結合保石線歷史雷擊故障統計情況，制定了兩套防雷改造方案，并對改造方案進行了預期治理效果評估。

本文提出的差異化防雷綜合治理技術可為海南強雷區及類似地區10kV配電線路防雷提供有效的方法和經驗。

本文編自2022年第3期《電氣技術》，論文標題為“海南強雷區典型配電線路差異化防雷措施研究”，作者為王錄亮、韓來君 等。