滇中配網(wǎng)雷擊隱患分析及防雷治理應(yīng)用實例

李科，瞿秋南

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明晉寧供電局，云南 昆明 650600)

0 前言

對于配電網(wǎng)，線路跳閘一直是影響供電可靠性的重要因素，嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)的供電可靠性。而由于歷史的原因，配電網(wǎng)的發(fā)展還很落后，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、技術(shù)管理和運(yùn)行維護(hù)上還有很多缺陷，導(dǎo)致配電網(wǎng)故障頻繁發(fā)生，尤其是在雷雨、大風(fēng)等惡劣天氣時配電網(wǎng)雷害事故更是頻繁，極大地影響了人民群眾的生產(chǎn)、生活的正常用電。雖然經(jīng)過農(nóng)網(wǎng)和城網(wǎng)改造后狀況有所好轉(zhuǎn)，但在防止雷害事故，特別是防止雷擊跳閘事故方面并沒有發(fā)生根本的好轉(zhuǎn)。在雷電活動頻繁的地區(qū)，雷害事故仍經(jīng)常發(fā)生，極大地影響了低壓電網(wǎng)的供電可靠性，影響了配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對配電網(wǎng)的防護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究，找出雷害事故頻發(fā)的原因，找出配電網(wǎng)在防雷措施和防雷設(shè)備上存在的缺陷和不足，提出改進(jìn)和完善措施是非常必要的[1]。

1 滇中地區(qū)典型雷害區(qū)域配網(wǎng)現(xiàn)狀

滇中高原淺切割的中山地帶及斷陷湖盆區(qū)，海拔高度在1700～2700 m 之間，地形起伏大，地形地貌復(fù)雜。轄區(qū)內(nèi)10 kV 配電線路走廊經(jīng)過高山、山谷、農(nóng)田等高雷擊風(fēng)險區(qū)。另外，如圖1所示，山區(qū)線路的架設(shè)會不可避免地經(jīng)過河流山谷等需要跨越的地形，跨越桿塔檔距較大，大地屏蔽作用減弱，缺乏泄流通道。另外，從雷電監(jiān)測資料可得出結(jié)論，正極性的雷電流幅值、陡度隨著海拔的升高而增大，在海拔1000 m 以上為雷電頻次的最高值。且高海拔地區(qū)云層離地高度相對較近，也增加了落雷的機(jī)率。

圖1 滇中高海拔配電網(wǎng)

雷電直擊和雷電過電壓導(dǎo)致10 kV 配網(wǎng)線路設(shè)備損壞或斷路器跳閘，影響了該區(qū)域配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，因此降低雷擊跳閘率，減少雷擊設(shè)備損壞，提高配電線路的綜合耐雷水平勢在必行。

1.1 配網(wǎng)結(jié)構(gòu)和雷害主要特點(diǎn)

1）線路分布廣，線路走廊地理條件錯綜復(fù)雜，走廊周邊多處架設(shè)有基站或避雷針，與主網(wǎng)線路形成交叉跨越。當(dāng)雷擊中該段輸電線路、避雷針或基站時，落雷點(diǎn)周邊產(chǎn)生電場畸變，在線路上形成感應(yīng)過電壓，危害配網(wǎng)線路運(yùn)行[2]，如圖2、3 所示。

圖2 配網(wǎng)線路通道附近的通信基站

圖3 配網(wǎng)線路與主網(wǎng)線路平行架設(shè)

2）城鎮(zhèn)化和產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)的加快，線路占地越來越緊張，傳統(tǒng)的架空裸導(dǎo)線逐步改造為絕緣線和電纜，絕緣線的使用大幅度降低了瞬時性短路故障，但對絕緣線耐雷水平低的弱點(diǎn)考慮不充分，常發(fā)生斷線事故。

3）目前滇中地區(qū)的年均雷暴日大于40 d，屬于多雷區(qū)，雷電的影響對配電線路安全可靠運(yùn)行尤為突出。

1.2 雷害的主要原因分析

1）滇中配網(wǎng)線路雷害區(qū)域大部分處于山區(qū)和空曠地。山區(qū)主要分布在山頂、山坡迎風(fēng)面上和山體夾溝的迎風(fēng)帶中，地理及線路布置因素是配電線路易遭受雷擊的主要因素。

2）只注重架空絕緣線的優(yōu)勢（一是解決“樹線矛盾”的有效性，二是較少相間距離和占用空間少帶來的經(jīng)濟(jì)性，三是施工簡單和建設(shè)周期短的便捷性），而對其耐雷水平差的弱點(diǎn)考慮甚少，導(dǎo)致絕緣線雷擊斷線時有發(fā)生。

3）防雷手段單一且適用性差。主要采用分區(qū)段安裝避雷器，在安裝避雷器的同時，對主干線、分支線、柱上配電變壓器絕緣水平配置考慮不到位，形成配電線路“見子打子”的局面長期存在，防雷綜合技術(shù)欠缺。

4）設(shè)備老化，耐雷水平降低。防雷設(shè)計、絕緣匹配不合理。

5）運(yùn)行維護(hù)不到位。主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是大多數(shù)線路上的避雷器長期運(yùn)行，定期輪換執(zhí)行不到位，常發(fā)生永久性故障或設(shè)備損壞。二是線路設(shè)備狀態(tài)檢修落實不到位，絕緣弱點(diǎn)不能及時消除，耐雷水平下降，雷擊跳閘率上升。

1.3 雷害重點(diǎn)區(qū)域配網(wǎng)防雷措施現(xiàn)狀

1）絕緣子老舊，采用大量針式絕緣子，針式絕緣子在結(jié)構(gòu)上有著致命的缺陷，絕緣子內(nèi)部的鋼腳螺栓與導(dǎo)線直線距離十分?。▓D4紅色部分），容易發(fā)生內(nèi)部擊穿，而針式絕緣子在內(nèi)部擊穿后是極難發(fā)現(xiàn)的。每當(dāng)遇到小雨、大霧等天氣時，水汽會滲入到擊穿的縫隙，絕緣水平急劇下降，引起短路跳閘。

圖4 針式絕緣子實物圖與剖面圖

2）防雷設(shè)備布置不合理、施工工藝不達(dá)標(biāo)。零星安裝了帶空氣間隙的防雷絕緣子，以及極少數(shù)桿塔安裝有跌落式避雷器作為線路保護(hù)用。單一防雷裝置的保護(hù)范圍是有限的，且落雷具有一定的隨機(jī)性，若采用零星安裝方式，防雷效果微乎甚微。圖5所示防雷絕緣子，設(shè)計的放電路徑為C，若絕緣子安裝在連接板中間或引弧棒球頭朝向有誤，因為A的距離比C小，過電壓通過防雷絕緣子時放電路徑很可能為A，此時絕緣子的動作電壓降低，絕緣子折斷電弧的能力下降，降低絕緣子使用壽命，增加線路跳閘幾率。

圖5 安裝不合理的防雷絕緣子示意圖

圖6所示力矩螺母上半部分應(yīng)脫離掉落，則可能出現(xiàn)穿刺線夾咬合不深，且長期運(yùn)行狀況下線路風(fēng)擺也易導(dǎo)致絕緣子放電回路無法與導(dǎo)線形成穩(wěn)定的電氣連接。若穿刺線夾咬合不到位，則線夾鈍齒與導(dǎo)線之間存在間隙。雷擊放電時，線夾與導(dǎo)線之間的間隙會產(chǎn)生電弧，電弧的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)線的熔點(diǎn)，會導(dǎo)致導(dǎo)線在咬合不當(dāng)處斷線。

圖6 防雷絕緣子穿刺引發(fā)斷線故障點(diǎn)

3）桿塔接地不合格。地形條件復(fù)雜，桿塔所處位置土壤電阻率高，桿塔及設(shè)備接地電阻高或接地裝置導(dǎo)通性差，導(dǎo)致落雷時接地電位上升，致使較大雷電流侵入時發(fā)生反擊，引發(fā)絕緣子閃絡(luò)。

2 配網(wǎng)線路防雷的差異性

圍繞著配電線路的雷害整治，雖采用了種類繁多的防雷舉措，但雷擊率仍然居高不下，不同地貌、不同環(huán)境、不同地閃密度雷擊故障情況也不同。

2.1 配網(wǎng)線路防雷的差異性

雷擊配電線路故障分布存在的差異。雷擊故障按照線路通道地貌、周邊環(huán)境分布情況來看，雷擊故障與周邊地貌和環(huán)境因素有關(guān)系。從地貌方面看雷擊故障（如圖7所示）主要發(fā)生在山腳（上山處）和山頂（下山處）。從環(huán)境因素（如圖8所示）來看雷擊故障主要發(fā)生在通信基站、水源地、礦場附近。同時查看地閃密度分布圖，相同時間內(nèi)各街道辦、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的雷電活動存在較大差異。大部分地閃密度處于C1 級，少數(shù)處于B2 級。這對評估線路通道內(nèi)地閃密度在防雷治理中不可或缺，是配電線路防雷線路耐雷水平評估中需采集的要素。

圖7 配網(wǎng)雷擊故障地形統(tǒng)計分布

圖8 配網(wǎng)雷擊故障周圍環(huán)境統(tǒng)計分布

2.2 配電線路結(jié)構(gòu)特征參數(shù)存在差異

1）配電線路雷擊過電壓的差異。配電線路雷擊過電壓分為直擊雷和感應(yīng)雷過電壓，直擊雷過電壓時，將有強(qiáng)大的雷電流通過被擊中的桿塔流入地面，同時產(chǎn)生很高的電壓降；雷擊配電線路附近的大地，在線路上產(chǎn)生由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓為感應(yīng)過電壓。盡管相關(guān)文獻(xiàn)表明，直擊雷不是10 kV 架空配電線路雷擊引起故障的主要原因，配電線路設(shè)備遭受直擊雷過電壓的概率也相對較小，但在配電線路差異化防雷評估中，除了正常通道線路主要考慮感應(yīng)雷過電壓，在特殊區(qū)段內(nèi)還是不能排除直擊雷的影響（特別是在多山區(qū)的云南）。

2）配電線路絕緣配合存在的差異。目前，針式絕緣子、懸式絕緣子在配電線路中使用較多，按照防雷公式計算，若雷電幅值為100 kA，線路到雷擊點(diǎn)的距離為100 m，線路平均對地距離為10 m 時，在沒有任何防雷措施時，感應(yīng)雷過電壓的最大值約為250 kV，針式絕緣子和XP-70 沖擊閃絡(luò)電壓與片數(shù)的關(guān)系，配電線路極其易發(fā)生閃絡(luò)、擊穿、甚至斷線或設(shè)備損壞。

3）配電線路桿塔及線路排列結(jié)構(gòu)存在的差異。配電線路以水平、垂直和三角排列居多，線路的對地距離的差異在一定程度上影響了感應(yīng)雷過電壓的大小，另外桿塔的高度對配電線路耐雷水平也有影響。隨著桿塔與雷擊點(diǎn)之間距離的增大，感應(yīng)雷過電壓的幅值有降低的趨勢；假設(shè)在桿塔與雷擊點(diǎn)之間距離不變的情況下，桿塔越高，感應(yīng)雷過電壓的幅值有升高的趨勢，引起線路閃絡(luò)所需的雷電流幅值越小，說明線路耐雷水平就越低[3-4]。

4）配電線路防雷措施實施存在的差異。配電線路的防雷保護(hù)包括裸線和絕緣線的防雷保護(hù)。裸線的防雷措施主要有加強(qiáng)絕緣、裝設(shè)線路避雷器、降低桿塔的接地電阻、裝設(shè)自動重合閘裝置、架設(shè)避雷線等；鑒于絕緣線易斷線的弱點(diǎn)，防止斷線的主要防護(hù)措施基于“疏導(dǎo)型”和“堵塞型”開展[5]，其他還有在絕緣子兩側(cè)局部加強(qiáng)絕緣、采用長閃絡(luò)路徑避雷器及其他基于降低工頻電弧建弧率的金具等。在配網(wǎng)中裸線、絕緣線和電纜混合輻射也十分常見，但在防雷運(yùn)用時沒有綜合考慮。

3 差異化配網(wǎng)防雷治理措施

結(jié)合雷擊配電線路故障差異化分析以及線路實際情況確定重點(diǎn)雷害區(qū)域，針對區(qū)域內(nèi)的配電線路由主到次?；凇笆鑼?dǎo)型”和“堵塞型”防雷技術(shù)[3]，先特殊再重點(diǎn)進(jìn)而一般的順序結(jié)合現(xiàn)有的防雷技術(shù)手段開展防雷治理。主要原則為摸清狀況，整合資源，效果匹配。針對轄區(qū)雷擊跳閘和斷線頻發(fā)的中壓配網(wǎng)線路梳理雷電的導(dǎo)流點(diǎn)，通過歷史斷線情況、地理位置、落雷情況、桿塔接地情況等，確定每條線路各個桿段的需要優(yōu)化布置的“防雷措施”。根據(jù)實際情況確定各重點(diǎn)中雷區(qū)及以上區(qū)域10 kV 線路的防雷治理方案。

3.1 雷害頻發(fā)、高危區(qū)段治理措施

雷害頻發(fā)、高危區(qū)段（歷史頻發(fā)、高山頂、大跨越、大海拔落差區(qū)段），基于“疏導(dǎo)型”和“堵塞型”并重的組合型防雷，采取架設(shè)架空避雷線；強(qiáng)化線路絕緣（針式絕緣子更換為瓷柱式絕緣子、存量已損傷的絕緣子，酌情合理選擇雷電沖擊耐受電壓的絕緣子）；一定密度配置線路間隙避雷器，其中絕緣導(dǎo)線區(qū)段間隔4-5 桿段，裸導(dǎo)線區(qū)段間隔10 桿段，避雷器標(biāo)稱電流酌情可由5 kA 改為10 kA；間隔4-5 桿段強(qiáng)化桿塔接地電阻；裸導(dǎo)線區(qū)段間隔10 桿段合理配置防雷絕緣子。注意間隙擊穿電壓與絕緣子雷電沖擊耐受電壓的匹配。

優(yōu)點(diǎn)：防范直擊雷，降低線路感應(yīng)雷過電壓，防范絕緣閃絡(luò)，線路間隙避雷器阻斷工頻續(xù)流防止絕緣導(dǎo)線斷線。配置間隙設(shè)置絕緣薄弱點(diǎn)有效泄流。

缺點(diǎn)：造價高，施工難度大，停電時間長，3 km 以內(nèi)分段實施。

3.2 近基站、近水源、近大線路區(qū)段治理措施

近基站、近水源、近大線路區(qū)段首先強(qiáng)化線路絕緣更換針式絕緣子，絕緣導(dǎo)線區(qū)段間隔4-5 桿段配置線路間隙避雷器為主，防范直擊雷標(biāo)稱電流酌情可由5 kA 改為10 kA，裸導(dǎo)線區(qū)段一定密度配置防雷絕緣子，線路間隙避雷器適當(dāng)放寬距離。間隔4-5 桿段強(qiáng)化桿塔接地電阻，以防范感應(yīng)雷過電壓為主，注意間隙擊穿電壓與絕緣子雷電沖擊耐受電壓的匹配。

優(yōu)點(diǎn)：防范感應(yīng)雷，施工容易，效果顯著。

缺點(diǎn)：防范直擊雷能力有限，大量線路避雷器增加運(yùn)維難度。

3.3 一般線路區(qū)段治理措施

一般線路區(qū)段強(qiáng)化線路絕緣更換針式絕緣子，間隔4-5 桿段強(qiáng)化桿塔接地電阻，絕緣導(dǎo)線區(qū)段按耐張段配置線路間隙避雷器，裸導(dǎo)線區(qū)段按耐張段配置防雷絕緣子或線路間隙避雷器，注意間隙擊穿電壓與絕緣子雷電沖擊耐受電壓的匹配。

優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性好，施工容易快捷。

缺點(diǎn)：防雷效果有限。

3.4 成功案例

位于昆明市晉寧區(qū)的10 kV 大營線基本涵蓋了滇中地區(qū)的地質(zhì)地貌特點(diǎn)，該線路走廊同時囊括了影響雷害內(nèi)外部主要因素，同時該線路故障屬于昆明供電局排名前3 的高故障線路，也是雷擊災(zāi)害發(fā)生的重點(diǎn)線路。2019年9月-2020年5月10 kV 大營線以上述方法開展差異化防雷治理，如圖9和圖10所示。

圖9 10 kV大營線差異化防雷治理1

圖10 10 kV大營線差異化防雷治理2

如表1所示，2017年1月-2022年10月10 kV 大營線雷擊故障占比43%，排在故障原因第一位，影響3576 時·戶，每年故障高峰出現(xiàn)在7-9月，經(jīng)過2020年5月防雷治理完成后前后對比，2022年11月10 kV 大營線雷擊故障影響時戶由1597 時·戶減少至71 時·戶。防雷治理效果顯著。

表1 10 kV大營線2017年-2022年故障分析

4 結(jié)束語

本文從配網(wǎng)結(jié)構(gòu)和雷害主要特點(diǎn)、雷害的主要原因分析滇中地區(qū)了典型雷害區(qū)域配網(wǎng)現(xiàn)狀。同時介紹了滇中配電網(wǎng)周邊地貌和環(huán)境因素的雷擊故障分布情況以及配網(wǎng)雷擊故障在配電線路結(jié)構(gòu)特征參數(shù)狀態(tài)下存在差異。提出了滇中地區(qū)的配網(wǎng)差異化防雷治理措施，給配電網(wǎng)長期遭受雷害困擾的供電企業(yè)提供一種差異化的防雷治理模式。