海南強雷區(qū)典型配電線路差異化防雷措施研究

王錄亮 韓來君 黃 松

海南強雷區(qū)典型配電線路差異化防雷措施研究

王錄亮 韓來君 黃 松

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，海口 570311）

海南地處我國最南端，雷電活動極為強烈，絕緣水平較低的10kV配電線路極易因雷擊跳閘，直接影響海南工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用電。因此，有效提高10kV配電線路防雷性能評估水平與治理能力，對保證海南地區(qū)供電的穩(wěn)定可靠十分重要。本文采用配電網(wǎng)差異化防雷技術(shù)開展海南強雷區(qū)10kV配電線路防雷綜合治理研究，首先建立綜合考慮雷電信息、線路結(jié)構(gòu)及絕緣配置信息的雷擊風(fēng)險評估流程；然后選擇雷害最為嚴重的典型配電線路開展逐基桿塔的精細化雷擊風(fēng)險評估；根據(jù)風(fēng)險評估結(jié)果，結(jié)合配電網(wǎng)各種防雷措施特點，選擇安裝帶間隙避雷器作為改造措施；最后依據(jù)改造桿塔范圍和次序，制定兩套線路防雷改造方案，并量化評估各套方案的預(yù)期效果。

10kV配電線路；差異化防雷；雷擊風(fēng)險評估；帶間隙避雷器；改造方案

0 引言

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(wǎng)的主干網(wǎng)架，10kV配電線路擔(dān)負著直接向海南島旅游業(yè)、工農(nóng)業(yè)等重要負荷供電的重要任務(wù)，其安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。目前海南島10kV架空配電主線路多達1 000多條，其絕緣水平低[1]、無避雷線，在海南島強雷暴天氣環(huán)境下，線路整體雷擊跳閘率高，雷擊斷線情況嚴重，雷擊斷線后搶修恢復(fù)供電時間平均超過10h，嚴重影響供電可靠性[2]。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)處于強雷區(qū)的大環(huán)境下，開展針對性的配電網(wǎng)差異化防雷技術(shù)研究，提高當前薄弱絕緣狀況下的海南配電網(wǎng)防雷水平。

本文針對海南配電網(wǎng)雷害高發(fā)的現(xiàn)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(qū)域進行質(zhì)點離散化，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(fēng)險；再以評估結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)綜合比較防雷實際效果后，確定線路帶串聯(lián)間隙避雷器為主要改造措施；最后，針對風(fēng)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(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)[3-4]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，對其雷擊風(fēng)險進行系統(tǒng)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(wǎng)防雷措施技術(shù)經(jīng)濟性，依據(jù)評估的線路雷擊風(fēng)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(shù)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(shù)實施流程

對配電線路各基桿塔雷擊風(fēng)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(fēng)險水平進行描述[5]。所得結(jié)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(jù)。

1.1 雷擊跳閘率計算

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[6]，根據(jù)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(jié)果為雷擊線路，則該次雷擊發(fā)生時，即雷電直擊線路，在線路上產(chǎn)生直擊雷過電壓；當判斷結(jié)果并非線路時，即該次雷擊并非直擊線路，線路上將產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓，通過進一步計算感應(yīng)雷過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

在進行直擊雷和感應(yīng)雷跳閘率[7]計算時，由于不可能對每一基桿塔周圍區(qū)域內(nèi)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(luò)及跳閘進行判斷，所以確定適當?shù)挠嬎惴秶哂兄匾饬x。一般地區(qū)最大雷電流幅值不超過250kA[8]，根據(jù)規(guī)程法，雷擊地面時造成10kV絕緣子閃絡(luò)的最大距離為max=193m（50%=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。為計算方便，本文取max=200m，這與國內(nèi)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(nèi)雷電信息，采用電氣幾何模型[9]處理成多個具有各自擊距的離散點。分別取圖2中方向及方向步長D= 1m、D=1m，組成一系列離散面元，根據(jù)統(tǒng)計得到的地閃密度可以得到每一個離散面元內(nèi)落雷次數(shù)，雷電流幅值最大值由雷電監(jiān)測系統(tǒng)[10]統(tǒng)計得到的各地區(qū)所可能發(fā)生的最大雷電流幅值確定，根據(jù)統(tǒng)計得到的雷電流幅值概率分布函數(shù)將雷電流幅值按照仿真步長D劃分為多個區(qū)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(jù)雷擊位置及雷擊物體采用規(guī)程法進行過電壓計算。根據(jù)過電壓計算模型判斷是否跳閘，并歸入相應(yīng)的評估參量中，然后對下一雷電流幅值及面元進行相應(yīng)的計算，直至所有面元計算結(jié)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(fēng)險評估

基于線路走廊雷電活動信息、線路結(jié)構(gòu)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(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算結(jié)果，結(jié)合評估標準對各基桿塔進行雷擊風(fēng)險等級評估。目前電網(wǎng)公司無標準的配電網(wǎng)雷擊跳閘率考核指標值，以統(tǒng)一的標準來劃分配電網(wǎng)桿塔雷擊風(fēng)險等級不切實際，應(yīng)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(fēng)險等級，從中篩選出相對雷擊風(fēng)險較高的桿塔作為重點防雷改造對象，雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估標準見表1。

1.3 防雷治理改造

結(jié)合線路雷擊風(fēng)險評估結(jié)果，基于各防雷措施技術(shù)經(jīng)濟性分析結(jié)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(jié)為“堵塞型”和“疏導(dǎo)型”。其中，“疏導(dǎo)型”防雷措施操作簡單、投資少，能有效地保護線路導(dǎo)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(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)險評估標準

注：z為直擊雷跳閘率指標值；g為感應(yīng)雷跳閘率指標值。

圖4 防雷治理措施

2 典型線路雷擊風(fēng)險評估

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)計分析結(jié)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(shù)統(tǒng)計

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

1）地閃密度極高。統(tǒng)計結(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)，處于強雷區(qū)等級[11]。

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(＞)=1/[1+(/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[12]。

2.2 雷擊跳閘率計算

保石線基本參數(shù)為：主要使用12m水泥桿，無避雷線，桿塔波阻抗250W，電感取0.84mH/m，桿塔接地電阻10W，線路波阻抗400W，使用P—15針式絕緣子，50%=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

式中：為配電線路總的雷擊跳閘率（次/(100km·a)）；r為直擊雷跳閘率（次/(100km·a)）；f為感應(yīng)雷跳閘率（次/(100km·a)）。

直擊雷跳閘率r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f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z值定為9.86次/(100km·a)，感應(yīng)雷跳閘率指標g值定為3.04次/(100km·a)。

2.3 雷擊風(fēng)險評估

依據(jù)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(jié)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(fēng)險等級，如圖5（b）所示，A、B、C、D等級的各級桿塔數(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)險很高。

圖5 保石線逐基桿塔雷擊跳閘率及雷擊風(fēng)險等級分布結(jié)果

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(shù)據(jù)表明，保石線近三年來每年都發(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)域近年來雷電活動日趨強烈，雷雨季節(jié)持續(xù)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(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中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地。這些特點導(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[13-14]：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措施，適用于線路設(shè)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(shè)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(dǎo)線安全距離需要進行校核，其經(jīng)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(dǎo)致雷擊跳閘率提高，在海南強雷區(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(fù)合絕緣橫擔(dān)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(jīng)驗都證明，將帶串聯(lián)間隙避雷器應(yīng)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(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[15-16]具有以下優(yōu)點：

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

3）通過限流元件快速切斷工頻續(xù)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(jù)保石線已有的雷擊跳閘記錄，結(jié)合雷擊風(fēng)險評估的結(jié)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(jīng)發(fā)生過雷擊跳閘故障的桿塔。

2）雷擊風(fēng)險為D級的桿塔。

3）雷擊風(fēng)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(jù)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(fù)的桿塔，經(jīng)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(fù)的桿塔，經(jīng)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(shù)經(jīng)濟性對比見表3，根據(jù)10kV保石線防雷改造目標與經(jīng)費預(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與經(jīng)費預(yù)算，也可以此為限定條件進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)濟性

4 結(jié)論

針對海南強雷區(qū)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(qū)近年來發(fā)生雷擊故障次數(shù)最多的10kV保石線開展研究：首先統(tǒng)計分析了保石線的雷電活動特征；將線路所在區(qū)域處理成離散質(zhì)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(fēng)險評估流程；然后采用10kV配電線路差異化防雷技術(shù)，進行逐基桿塔的雷擊風(fēng)險評估；綜合雷擊風(fēng)險評估結(jié)果、現(xiàn)有防雷措施特點，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)評估結(jié)果，結(jié)合保石線歷史雷擊故障統(tǒng)計情況，制定了兩套防雷改造方案，并對改造方案進行了預(yù)期治理效果評估。

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

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Research on differentiated lightning protection measures for the typical distribution line in strong lightning district of Hainan

WANG Luliang HAN Laijun HUANG Song

(Electric Power Research Institute of Hainan Power Grid Corporation, Haikou 570311)

Lightning activity is very strong in Hainan, which is in the southernmost of China. Because of the low insulation level, 10kV distribution line is easily to occur lightning tripping. Therefore, in order to improve power supply stability and reliability, it is very important to improve the assessment level and rebuilding ability of lightning protection for distribution lines. This paper researches on comprehensive management of lightning protection for the transmission lines in strong lightning district of Hainan based on the technology of differentiated lightning protection. First, the process of lightning protection risk assessment based on lightning activities and line’s structures is set up. Then the typical distribution line is selected and elaborate lightning protection risk assessment for each tower is carried out. According to assessment result, characteristics of lightning protection measures, arrester with gap is selected to be improvement measure. At last, based on the scope and sequence of lightning protection rebuilding, two rebuilding schemes have been formulated. And quantitativel evaluate the expected effect of each scheme.

10kV distribution line; differentiated lightning protection; lightning risk assessment; arrester with gap; modification scheme

2021-12-17

2021-12-22

王錄亮（1986—），男，高級工程師，從事配變電設(shè)備絕緣配合及檢測工作。

海南電網(wǎng)公司重點科技項目（HNDW-DY[2017]0301GY9）