海南島位于中國(guó)的最南端，年平均雷暴日超過(guò)100天。作為海南配電網(wǎng)的主干網(wǎng)架，10kV配電線路擔(dān)負(fù)著直接向海南島旅游業(yè)、工農(nóng)業(yè)等重要負(fù)荷供電的重要任務(wù)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。目前海南島10kV架空配電主線路多達(dá)1000多條，其絕緣水平低、無(wú)避雷線，在海南島強(qiáng)雷暴天氣環(huán)境下，線路整體雷擊跳閘率高，雷擊斷線情況嚴(yán)重，雷擊斷線后搶修恢復(fù)供電時(shí)間平均超過(guò)10h，嚴(yán)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(fā)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(wǎng)處于強(qiáng)雷區(qū)的大環(huán)境下，開(kāi)展針對(duì)性的配電網(wǎng)差異化防雷技術(shù)研究，提高當(dāng)前薄弱絕緣狀況下的海南配電網(wǎng)防雷水平。

本文針對(duì)海南配電網(wǎng)雷害高發(fā)的現(xiàn)狀，選擇典型配電線路開(kāi)展專(zhuān)題研究：首先將線路周?chē)趨^(qū)域進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)離散化，建立綜合考慮雷電信息、線路結(jié)構(gòu)及絕緣信息的10kV差異化雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法；然后以10kV保石線為研究對(duì)象，分析其線路走廊雷電活動(dòng)特征，評(píng)估逐基桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)；再以評(píng)估結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)綜合比較防雷實(shí)際效果后，確定線路帶串聯(lián)間隙避雷器為主要改造措施；最后，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的桿塔選擇安裝帶間隙避雷器進(jìn)行防雷改造，依次制定兩套綜合防雷治理方案供選擇實(shí)施。

本文提出的10kV配電線路綜合防雷治理流程可供類(lèi)似地區(qū)參考。

1 配電網(wǎng)差異化防雷技術(shù)

配電線路差異化防雷技術(shù)綜合考慮線路走廊雷電特征參數(shù)、線路信息參數(shù)，基于線路的耐雷水平，對(duì)其雷擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，評(píng)價(jià)線路逐基桿塔及全線的防雷水平。綜合分析典型配電網(wǎng)防雷措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，依據(jù)評(píng)估的線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，制定具體的防雷改造方案。配電線路差異化防雷技術(shù)的具體實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 配電線路差異化防雷技術(shù)實(shí)施流程

對(duì)配電線路各基桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)水平有一個(gè)較為全面的評(píng)估需要從時(shí)間及空間上用具有代表性的量對(duì)線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行描述。所得結(jié)果能直觀反映出各基桿塔雷擊故障種類(lèi)及分級(jí)，為差異化防雷改造提供參考依據(jù)。

1.1 雷擊跳閘率計(jì)算

配電線路雷擊區(qū)域如圖2所示，一次雷擊發(fā)生后，首先需要確定雷擊位置，根據(jù)雷擊位置進(jìn)一步對(duì)雷擊故障類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)及對(duì)雷擊過(guò)電壓開(kāi)展計(jì)算。若判斷結(jié)果為雷擊線路，則該次雷擊發(fā)生時(shí)，即雷電直擊線路，在線路上產(chǎn)生直擊雷過(guò)電壓；當(dāng)判斷結(jié)果并非線路時(shí)，即該次雷擊并非直擊線路，線路上將產(chǎn)生感應(yīng)雷過(guò)電壓，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算感應(yīng)雷過(guò)電壓的波形或幅值判斷故障是否發(fā)生。

圖2 配電線路雷擊區(qū)域

在進(jìn)行直擊雷和感應(yīng)雷跳閘率計(jì)算時(shí)，由于不可能對(duì)每一基桿塔周?chē)鷧^(qū)域內(nèi)所有的落雷活動(dòng)都進(jìn)行耐雷水平的計(jì)算，再對(duì)線路是否閃絡(luò)及跳閘進(jìn)行判斷，所以確定適當(dāng)?shù)挠?jì)算范圍具有重要意義。一般地區(qū)最大雷電流幅值不超過(guò)250kA，根據(jù)規(guī)程法，雷擊地面時(shí)造成10kV絕緣子閃絡(luò)的最大距離為Smax=193m（U50%=160kV），因此本文著重考慮該范圍內(nèi)的落雷造成線路故障次數(shù)的變化。為計(jì)算方便，本文取Smax=200m，這與國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中選取以桿塔為中心、200m為半徑的計(jì)算方法相符。

如圖2所示，對(duì)于進(jìn)行評(píng)估的某一基指定的桿塔，首先讀取桿塔信息及周?chē)?00m范圍內(nèi)雷電信息，采用電氣幾何模型處理成多個(gè)具有各自擊距的離散點(diǎn)。分別取圖2中S方向及Y方向步長(zhǎng)ΔS= 1m、ΔY=1m，組成一系列離散面元，根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的地閃密度可以得到每一個(gè)離散面元內(nèi)落雷次數(shù)，雷電流幅值最大值由雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)得到的各地區(qū)所可能發(fā)生的最大雷電流幅值確定，根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的雷電流幅值概率分布函數(shù)將雷電流幅值I按照仿真步長(zhǎng)ΔI劃分為多個(gè)區(qū)間。

通過(guò)上述時(shí)間及空間分析，可以獲得每次雷電流大小及位置，根據(jù)雷擊位置及雷擊物體采用規(guī)程法進(jìn)行過(guò)電壓計(jì)算。根據(jù)過(guò)電壓計(jì)算模型判斷是否跳閘，并歸入相應(yīng)的評(píng)估參量中，然后對(duì)下一雷電流幅值及面元進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，直至所有面元計(jì)算結(jié)束。配電線路雷擊跳閘率計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 配電線路雷擊跳閘率計(jì)算流程

1.2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基于線路走廊雷電活動(dòng)信息、線路結(jié)構(gòu)和絕緣配置信息，計(jì)算保石線逐基桿塔的直擊雷跳閘率、感應(yīng)雷跳閘率和總雷擊跳閘率。依據(jù)各基桿塔雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果，結(jié)合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各基桿塔進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。

目前電網(wǎng)公司無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的配電網(wǎng)雷擊跳閘率考核指標(biāo)值，以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分配電網(wǎng)桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不切實(shí)際，應(yīng)以被評(píng)估線路所有桿塔的平均雷擊跳閘率為參考來(lái)劃分桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，從中篩選出相對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高的桿塔作為重點(diǎn)防雷改造對(duì)象，雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

1.3 防雷治理改造

結(jié)合線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，基于各防雷措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果，制定有針對(duì)性的防雷改造方案，實(shí)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(jié)為“堵塞型”和“疏導(dǎo)型”。其中，“疏導(dǎo)型”防雷措施操作簡(jiǎn)單、投資少，能有效地保護(hù)線路導(dǎo)線和線路絕緣子。

但由于該方式是在電弧電流過(guò)零點(diǎn)自然熄弧，熄弧能力差、滅弧時(shí)間長(zhǎng)，并有可能復(fù)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(hù)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(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

圖4 防雷治理措施

2 典型線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

海南省地處雷電高發(fā)區(qū)，雷電災(zāi)害頻發(fā)，根據(jù)海南配電網(wǎng)近五年故障統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，選擇雷擊跳閘情況較為嚴(yán)重的的線路——10kV保石線進(jìn)行差異化防雷綜合治理。

2.1 雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)分析保石線沿線走廊的雷電特征參數(shù)發(fā)現(xiàn)，沿線雷電活動(dòng)有以下兩個(gè)特征：

1）地閃密度極高。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2018～2021年10kV保石線走廊區(qū)域的地閃密度平均值為12.1次/(km2?a)，處于強(qiáng)雷區(qū)等級(jí)。

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(dá)式為P(＞I)=1/[1+(I/36.8)2.977]，平均中值電流為36.8kA，大于全國(guó)的平均中值電流31kA。

2.2 雷擊跳閘率計(jì)算

保石線基本參數(shù)為：主要使用12m水泥桿，無(wú)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(dǎo)線LGJ—120，導(dǎo)線半徑1.52cm，檔距50m。依據(jù)上述線路參數(shù)，參考DL/T 1674—2016《35kV及以下配網(wǎng)防雷技術(shù)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)中附錄C雷擊跳閘率計(jì)算方法，雷擊跳閘率計(jì)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(yīng)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(dǎo)線引起的直擊跳閘率之和，感應(yīng)雷跳閘率Pf為雷擊線路附近地面引起的間接閃絡(luò)跳閘。參照導(dǎo)則中確定的計(jì)算方法獲得保石線全線直擊雷跳閘率為9.86次/(100km?a)、感應(yīng)雷跳閘率為3.04次/(100km?a)。因此將保石線直擊雷跳閘率指標(biāo)Sz值定為9.86次/(100km?a)，感應(yīng)雷跳閘率指標(biāo)Sg值定為3.04次/(100km?a)。

2.3 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

依據(jù)圖3的雷擊跳閘率計(jì)算流程獲得逐基桿塔雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果，如圖5（a）所示。參照表1確立的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，確定逐基桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如圖5（b）所示，A、B、C、D等級(jí)的各級(jí)桿塔數(shù)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(duì)較好的防雷性能，有43.7%的桿塔防雷性能不理想，雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)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(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，保石線近三年來(lái)每年都發(fā)生雷擊跳閘事故，且2016年發(fā)生9次，造成此狀況的主要原因包括：海南全區(qū)域近年來(lái)雷電活動(dòng)日趨強(qiáng)烈，雷雨季節(jié)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；保石線沿線走廊周?chē)纂姀?qiáng)度較大，平均中值電流超過(guò)31kA。因此在選擇該條線路的防雷措施時(shí)，必須要求能可靠降低線路雷擊跳閘率，同時(shí)施工方便。

不同于輸電線路，10kV配電線路有以下特點(diǎn)：①大量使用絕緣導(dǎo)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(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地。這些特點(diǎn)導(dǎo)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(lián)間隙避雷器；⑤加裝復(fù)合絕緣橫擔(dān)；⑥架設(shè)避雷線。

提高線路絕緣水平是有效的雷電防護(hù)措施，適用于線路設(shè)計(jì)階段，但是對(duì)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(jí)絕緣子）工程周期較長(zhǎng)，不太適宜；架設(shè)避雷線，受地形條件限制施工困難，使線路運(yùn)行維護(hù)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(dǎo)線安全距離需要進(jìn)行校核，其經(jīng)濟(jì)造價(jià)亦較高，因此不宜選用.

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

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

理論計(jì)算分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都證明，將帶串聯(lián)間隙避雷器應(yīng)用到雷電活動(dòng)強(qiáng)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(duì)于海南強(qiáng)雷區(qū)10kV配電線路，安裝帶串聯(lián)間隙避雷器是減少雷擊故障的最有效方法。帶串聯(lián)間隙避雷器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）運(yùn)行時(shí)不承受工頻電壓，閥片使用壽命長(zhǎng)，避雷器發(fā)生故障也不影響線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）安裝方便，不需更換絕緣子，也不需更改原有線路設(shè)計(jì)。

3）通過(guò)限流元件快速切斷工頻續(xù)流，可有效限制雷電過(guò)電壓，防止雷擊跳閘。

3.2 防雷改造方案

根據(jù)保石線已有的雷擊跳閘記錄，結(jié)合雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果，確定需要進(jìn)行防雷改造桿塔的范圍和順序依次為：1）已經(jīng)發(fā)生過(guò)雷擊跳閘故障的桿塔；2）雷擊風(fēng)險(xiǎn)為D級(jí)的桿塔；3）雷擊風(fēng)險(xiǎn)為C級(jí)的桿塔。

10kV保石線需改造桿塔號(hào)見(jiàn)表2。

表2 10kV保石線需改造桿塔號(hào)

依據(jù)此改造順序，給出以下兩套防雷改造方案。

方案一：選擇標(biāo)準(zhǔn)1）和2）的桿塔進(jìn)行改造，標(biāo)準(zhǔn)1）、2）中有部分重復(fù)的桿塔，經(jīng)過(guò)累加，共計(jì)需要改造28基桿塔。

方案二：選擇標(biāo)準(zhǔn)1）、2）、3）的桿塔全部進(jìn)行改造，標(biāo)準(zhǔn)1）、2）、3）中有部分重復(fù)的桿塔，經(jīng)過(guò)累加，共計(jì)需要改造68基桿塔。

兩套備選防雷改造方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表3，根據(jù)10kV保石線防雷改造目標(biāo)與經(jīng)費(fèi)預(yù)算，可在兩套改造方案中選擇其一。如果已經(jīng)預(yù)先確定了防雷改造目標(biāo)與經(jīng)費(fèi)預(yù)算，也可以此為限定條件進(jìn)行方案的重新制定和調(diào)整。

表3 兩套備選防雷改造方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

4 結(jié)論

針對(duì)海南強(qiáng)雷區(qū)典型10kV配電線路開(kāi)展差異化防雷綜合治理研究，本文選擇海南地區(qū)近年來(lái)發(fā)生雷擊故障次數(shù)最多的10kV保石線開(kāi)展研究：

首先統(tǒng)計(jì)分析了保石線的雷電活動(dòng)特征；將線路所在區(qū)域處理成離散質(zhì)點(diǎn)，建立了綜合包含線路信息、雷電信息的10kV配電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程；然后采用10kV配電線路差異化防雷技術(shù)，進(jìn)行逐基桿塔的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；綜合雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果、現(xiàn)有防雷措施特點(diǎn)，確定帶串聯(lián)間隙避雷器作為保石線防雷改造主要裝置；根據(jù)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合保石線歷史雷擊故障統(tǒng)計(jì)情況，制定了兩套防雷改造方案，并對(duì)改造方案進(jìn)行了預(yù)期治理效果評(píng)估。

本文提出的差異化防雷綜合治理技術(shù)可為海南強(qiáng)雷區(qū)及類(lèi)似地區(qū)10kV配電線路防雷提供有效的方法和經(jīng)驗(yàn)。

本文編自2022年第3期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“海南強(qiáng)雷區(qū)典型配電線路差異化防雷措施研究”，作者為王錄亮、韓來(lái)君 等。