10 kV 配電線路差異化防雷策略及綜合評估

林敢，鮑明正，何一川，張曉琴，王智凱，王健，黎鵬

（1.湖北省輸電線路工程技術研究中心（三峽大學），湖北 宜昌 443002；2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；3.國網內蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內蒙古 興安 137400；4.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074）

0 引言

10 kV配電線路絕緣水平差、易發(fā)生雷擊故障，由于位于不同地區(qū)配電線路的地閃密度、地形地貌及防雷配置等存在差異，使得采用常規(guī)統(tǒng)一防雷措施的防雷策略存在經濟性或效果較差的問題。因此，開展配電線路差異化防雷策略綜合評估，對提升配電線路運行的安全可靠性具有重要意義［1-3］。

目前，對于線路各類防雷措施的評估開展了較多研究［4-7］，但對于線路整體防雷方案綜合評估的研究相對較少。文獻［7］考慮跳閘率降低效果、防斷線效果、投入費用、改造維護難易度與運行壽命5 個因素，基于層次分析法建立了配電線路防雷方案評估模型。文獻［9］基于貝葉斯決策理論建立了輸電線路防雷措施決策模型，可根據輸電線路的不同運行條件給出各防雷改造方案的推薦排序。文獻［10］通過計算雷擊跳閘率，對三明市10 kV 配電線路防雷措施效果進行了評估。文獻［11］提出基于同一地閃密度下的跳閘率計算方法，對江西電網常用防雷措施防雷效果進行了定量評估。文獻［12］基于層次分析法考慮降低跳閘率、改造費用、改造效果、改造壽命等5 個因素，提出了配電網防雷措施評估模型?？梢?，線路防雷改造方案的綜合評估框架已較為完善，即通過計算不同防雷裝置對線路防雷能力的提升效果，結合改造花費等因素采用層次分析法等數學模型進行評分，根據評分結果排名完成評估。但現有研究主要集中在防雷改造方案本身，鮮有考慮被改造線路的運行特征，而配電線路網架結構復雜，即使同一線路不同線路段之間運行情況也存在較大差異，導致各改造方案的實際效果會隨之發(fā)生變化，因此，實際應結合線路自身運行條件來獲得最佳改造方案。

本文以實際10 kV 配電線路為研究對象，建立了基于MATLAB 與ATP-EMTP 的配電線路雷擊過電壓聯(lián)合仿真計算模型，分析了各防雷改造措施在不同運行條件、不同組合安裝方式下的改造效果，并結合各方案的改造花費建立了防雷改造方案性價比評估模型，得到各典型運行條件下的防雷改造方案評估結果，可為10 kV 配電線路差異化防雷改造工作提供一定的參考。

1 典型10 kV配電線路

1.1 線路基本信息

本文選取湖北地區(qū)10 kV 戴嶺線作為典型配電線路進行研究，該線路全長25.88 km，共有688 基桿塔、34 條支線，平均檔距為40 m，導線絕緣化率為14.94%，其中裸導線型號以LGJ-95 為主，絕緣導線型號主要為JKLYJ-10-95；線路絕緣子多采用老式針式瓶，僅有少部分線路段間隔1 桿安裝有線路型避雷器（型號為HY5WS-17/50），約占8%，根據桿塔坐標繪制戴嶺線各桿塔分布如圖1所示。

圖1 戴嶺線典型地形及桿塔分布Fig.1 Typical terrain and tower distribution of Dailing line

線路包含平原空曠帶、山區(qū)丘陵帶兩種常見的走廊地形條件（已在圖1 中標記），各地形桿塔數量統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 戴嶺線各地形桿塔數量統(tǒng)計Tab.1 Statistics of the number of towers on various terrains

1.2 線路走廊雷電活動情況統(tǒng)計

線路雷電活動情況可通過雷電定位系統(tǒng)獲得的地閃密度數據表示，地閃密度越高，處于該區(qū)域線路的雷擊風險也越高。由于配電線路防雷能力普遍較弱，且70%以上的雷擊跳閘事故是由于雷電感應過電壓引起的［13］，因此需要根據感應雷對線路的影響范圍來確定地閃密度圖繪制半徑。根據仿真計算，當雷電流幅值為30 kA（湖北地區(qū)雷電流幅值平均值）時，未安裝防雷措施的配電線路發(fā)生雷電感應跳閘的距離約為200 m（雷擊點與導線之間距離大于此距離時線路不發(fā)生閃絡跳閘），因此，繪制地閃密度時走廊半徑取200 m（總寬度為400 m）。結合國家標準《GB/T 40621-2021 地閃密度分布圖繪制方法》［14］給出的地閃密度分級標準，得到戴嶺線2016—2021年的地閃密度分布如圖2所示。

圖2 2016—2021年地閃密度分布Fig.2 Distribution of flash densities in 2016—2021

對戴嶺線各風險等級桿塔數量與占比情況進行統(tǒng)計，結果如表2所示。

表2 各風險等級桿塔數量及占比Tab.2 Numbers and proportions of towers at all risk levels

其中風險等級為A 級的稱為少雷區(qū)，處于B 級的稱為中雷區(qū)，處于C 級的稱為多雷區(qū)，處于D 級與E 級的稱為強雷區(qū)。由表2 可知，戴嶺線處于少雷區(qū)的桿塔僅占1%；處于中雷區(qū)的桿塔僅占2.9%；處于多雷區(qū)的桿塔占比為77.18%；處于強雷區(qū)的桿塔占比為18.89%。可見戴嶺線整體雷擊風險較高，絕大多數桿塔處于多雷區(qū)或強雷區(qū)。

2 配電線路防雷方法

2.1 配電線路常見防雷措施

本文選取較為常見的避雷線、避雷器和增強絕緣3 種措施，對其防護效果進行分析，下面逐一介紹各改造措施型號及基本參數。

2.1.1 避雷器

避雷器型號為HY5WS-17/50，標稱放電電流為5 kA，伏安特性曲線如圖3所示［15］。

圖3 避雷器伏安特性Fig.3 V-A characteristics of the arrester

2.1.2 避雷線

避雷線型號與基本信息如表3所示。

表3 避雷線主要技術參數Tab.3 Main technical parameters of the lightning line

2.1.3 增強絕緣

增強絕緣的方式為更換絕緣子，線路中原始絕緣子型號為P-10，更換的絕緣子型號有P-15 和XP-70兩種，其沖擊放電電壓參數如表4所示［16-17］。

表4 絕緣子沖擊放電電壓Tab.4 Impulse discharge voltage of insulator

匯總上述防雷措施價格信息如表5所示［16］。

表5 各防雷改造措施價格信息Tab.5 Basic information of lightning protection reform measures

對于上述防雷裝置單獨作用的效果評估已有大量研究結果，但對于多防雷裝置組合搭配使用的效果評估較少，本文將對上述防雷措施組合使用時的防雷效果與經濟性進行研究。

2.2 配電線路防雷改造原則

在進行配電線路防雷改造時，出于經濟性考慮，需要優(yōu)先選取線路中雷害風險較高的線路段，根據運行經驗與已采集到的線路信息，確定影響線路雷害風險的主要因素有3 個：走廊地形情況、雷電活動情況以及防雷配置情況，下面分別對各因素的影響情況及篩選原則進行分析。

2.2.1 走廊地形條件

走廊地形條件主要分為平原空曠帶與山區(qū)丘陵地帶兩種，其中處于山區(qū)丘陵地帶的線路受地質條件與環(huán)境影響，往往具有較高的接地電阻，同時雷擊線路附近時，具有坡度的地面會使雷電流產生的電場發(fā)生畸變，從而在導線上產生更高的雷電感應過電壓引起跳閘，因此山區(qū)丘陵地帶的雷害風險最高［18］，當線路中同時存在兩種典型地形時，應優(yōu)先選取處于山區(qū)丘陵帶的線路進行改造。

2.2.2 雷電活動情況

根據雷電定位系統(tǒng)采集的地閃密度信息，將線路雷地閃密度進行分級，應優(yōu)先選取高地閃密度的線路段進行改造，以戴嶺線的地閃密度的統(tǒng)計結果為例，應優(yōu)先選取處于強雷區(qū)的線路進行改造。

2.2.3 防雷配置情況

配電線路普遍存在防雷配置較差的問題，大部分線路未安裝避雷器或其他防雷裝置，因此可根據防雷配置情況篩選掉部分已進行改造過的線路，優(yōu)先選取防雷配置較差的線路進行改造。

結合以上3 個原則，對戴嶺線改造桿塔進行篩選，結果如表6所示。

表6 待改造桿塔篩選結果Tab.6 Screening results of the tower to be renovated

表6中的所有桿塔均未安裝防雷裝置，共有299基桿塔需要改造，占戴嶺線桿塔總數的43.46%，本文將針對表6中桿塔進行差異化防雷改造。

3 差異化防雷策略及綜合評估

3.1 防雷策略評估模型

差異化防雷策略評估需要結合各方案的防雷效果（雷擊跳閘率）以及改造費用兩方面數據進行，后者可通過市場調研獲得，而前者則只能通過對實際線路的大量建模仿真獲取。因此下面將首先介紹雷擊過電壓計算模型、雷擊特性聯(lián)合仿真計算模型的建模過程，最終引出本文的防雷策略評估模型。

3.1.1 配電線路雷擊過電壓計算模型

根據戴嶺線參數，在ATP-EMTP中分別建立配電線路直擊雷過電壓與雷電感應過電壓計算模型。

直擊雷計算模型中線路采用JMARTI 模型模擬，檔距取戴嶺線的平均檔距40 m，導線型號為LGJ-95。雷電流模型采用Heilder 模型［19-20］，根據我國防雷設計標準，雷電流波形參數設置為2.6/50 μs，雷電流回擊速度為1.5×108m/s，雷電通道波阻抗取400 Ω。桿塔采用分段波阻抗模型，波阻抗取125 Ω［21-22］。絕緣子采用壓控開關進行模擬；雷電感應過電壓通過搭建自定義元件模型進行計算［23-25］。直擊雷與感應雷過電壓計算模型分別如圖4—5所示。

圖4 直擊雷過電壓計算模型（間隔裝設避雷器）Fig.4 Calculation model of direct lightning overvoltage（installing arresters at intervals ）

圖5 雷電感應過電壓計算模型（未安裝避雷器）Fig.5 Calculation model of lightning induced overvoltage（without arrester ）

3.1.2 雷擊特性聯(lián)合仿真計算模型

采用3.1.1 節(jié)中搭建的仿真模型進行防雷計算時，需要根據實際可能出現的雷擊情況，修改模型中對應的節(jié)點信息與仿真參數，以測得不同雷擊點的雷擊特性。在面對實際線路的大量桿塔時，上述操作過程將大量重復，因此本文提出了一種基于MATLAB 與ATP-EMTP 聯(lián)合仿真的計算方法，可實現輸電線路雷擊特性批量計算，減小人工計算所需的工作量，并進一步通過MATLAB 中編寫的跳閘率計算結果，計算線路中各桿塔的雷擊跳閘率。整體計算流程如圖6所示。

圖6 雷擊特性聯(lián)合仿真計算流程Fig.6 Joint simulation calculation process of lightning characteristics

由圖6 可知，雷擊特性聯(lián)合仿真計算主要分為以下3個步驟。

1）對線路運行情況進行統(tǒng)計，得到各桿塔、檔距參數以及防雷配置信息；

2）在ATP-EMTP中搭建完整的雷擊特性仿真計算模型，并將基本參數、節(jié)點信息以及仿真判據在MATLAB中進行設置，進行循環(huán)求解；

3）輸出各節(jié)點的耐雷水平計算過程變量以及計算結果。

采用以上計算方法，即使在面對長線路時，僅需根據各桿塔以及檔距的運行情況搭建出仿真計算模型，設置并導出節(jié)點信息至MATLAB程序中，即可完成全線的雷擊特性計算，結合雷電定位系統(tǒng)采集的線路地閃密度信息，在MATLAB中編制雷擊跳閘率計算程序進行計算（計算公式參考文獻［19］），即可獲取評估防雷策略所需的雷擊跳閘率數據。

3.1.3 評估模型

在相同地閃密度條件下，該防雷策略應用后的跳閘率下降值越大表明防雷能力越強，改造費用越低表明經濟性越好［26］，由此構建性價比K的計算公式如式（1）所示（為便于比較，此處雷擊跳閘率的計算條件中地閃密度取值為1次/（km2·a））。

式中：A0為改造前雷擊跳閘率，次/（100 km·a）；A1為改造后雷擊跳閘率，次/（100 km·a）；B1為改造費用，萬元。K值越高表明該差異化防雷策略的經濟性越好，反之亦然。由于不同線路走廊的雷電活動情況不同，因此在實際線路改造時需要根據實際地閃密度Ng與允許跳閘率P進行方案篩選，排除改造效果不滿足運行要求的策略，計算方法如式（2）所示。

式中：P為允許跳閘率，通常取湖北省10 kV 配電線路雷擊跳閘率平均值，單位：次/（100 km·a）；Ng為地閃密度，次/（km2·a）。

綜上所述，評估流程為首先通過式（1）對各差異化防雷策略進行經濟性評估，再通過式（2）對各策略進行技術性篩選，淘汰部分不符合運行要求的策略，即可得出最佳防雷策略。

3.2 防雷策略分析

戴嶺線平均檔距為40 m，每千米25 基桿塔，對兩種地形條件下線路加裝避雷器、絕緣子、避雷線3 種措施相互組合的共24 種防雷策略（包含原始線路）進行分析，其中避雷器的安裝方式有逐基逐桿、間隔一桿、間隔兩桿、不安裝，共4 種；絕緣子安裝方式有全線更換為XP-70 絕緣子（2 片）、P-15 絕緣子、不更換，共3 種；避雷線安裝方式有全線架設、不架設，共2 種。計算結果如表7 所示，表中改造效果為改造后單位地閃密度下的線路雷擊跳閘率（次/（100 km·a）），對應式（1）中A1；改造花費為每千米線路改造價格（萬元），對應式（1）中B1。

以上防雷策略中19號為原始線路，未進行改造，對應式（1）中的A0。對比兩種地形下跳閘率計算結果可知，山區(qū)線路雷擊跳閘率比平原地區(qū)高出43%。

1—6號防雷策略改造效果近似，主要是因為全線安裝避雷器時，避雷器能有效鉗制雷擊發(fā)生時絕緣子兩端電壓，從而抑制閃絡現象的發(fā)生，因此在逐基逐桿安裝避雷器的條件下，再對絕緣子進行改造的效果并不顯著，在選取方案時應當首先排除2、3、5、6號。

上述防雷策略中，經濟性最好的為21 號，改造措施為將P-10 絕緣子更換為2 支XP-70 絕緣子，改造價格為每公里0.25 萬元，在單位地閃密度條件下，雷擊跳閘率為2.64 次/（100 km·a），略高于湖北省近年10 kV 配電線路平均跳閘率2.24 次/100 km·a，但在高地閃密度地區(qū)如多雷區(qū)（地閃密度為2.78 次/（km2·a））條件下，跳閘率將升至7.34 次/（100 km·a），遠高于湖北省平均水平，難以保障線路運行的安全可靠性。

防雷效果最好的策略為4 號，逐基逐桿裝設避雷器并配置避雷線能有效降低雷電感應對線路造成的損壞，在地閃密度為1 次/（km2·a）條件下，雷擊跳閘率僅為0.08 次/100 km·a，即使處于強雷區(qū)（地閃密度為15.5 次/（km2·a））條件下，其雷擊跳閘率也僅為1.28 次/100（km·a），仍低于湖北省平均水平，且遠低于單獨使用避雷器或避雷線的雷擊跳閘率（方案1 與方案22），但缺點在于該方案經濟花費較高，每公里改造價格為1.8萬元。

相比于效果最佳的4 號與經濟性最佳的21 號，處于中間層級的防雷策略能更好的兼容防雷效果與改造花費兩個指標，如策略12與策略18，分別為間隔1桿與間隔2桿安裝避雷器并全線裝設避雷線，改造價格分別為1.38與1.098萬元，改造后跳閘率分別為0.27 與0.31 次/100 km·a，在高地閃密度地區(qū)如強雷區(qū)（地閃密度為7.98 次/（km2·a））條件下，跳閘率將分別升至2.17 與2.44 次/（100 km·a），接近湖北省平均水平，因此上述兩個策略同樣具備較高的使用價值。

綜合分析表7 中各方案可知，最具性價比的策略在改造效果上存在上限，無法在高地閃密度條件下保障線路運行的安全可靠性；改造效果最好的策略其經濟性較差，能有效保護線路但需要較高的經濟投入；處于中間層級的防雷策略則兼顧了改造效果與改造花費兩個指標，更適用于中高風險地區(qū)線路。在進行具體線路的防雷改造時，需要結合實際需求進行選擇。

3.3 典型線路防雷策略應用實例

采用4.1 節(jié)建立的評估模型對3.2 節(jié)中確定的改造對象進行10 kV 配電線路防雷策略應用示例，結果如表8中所示。

表8 戴嶺線高風險線路段防雷改造結果Tab.8 Lightning protection reconstruction results of high risk line section of Dailing line

戴嶺線高風險線路段共涉及22 條支線，其中山區(qū)線路占14 條，防雷改造目標均為使雷擊跳閘率不超過湖北省平均水平的50%（3.35 次/（100 km·a））。

通過對不同線路段的防雷改造方案篩選結果可知，主要采用的改造方案有4 號、12 號以及18 號，其中4 號方案主要用于山區(qū)線路或雷電活動極其頻繁的平原線路，12 號與18 號方案適用于情況稍為緩和其他高風險線路段。

根據表8 計算結果可知，戴嶺線未進行防雷改造時的雷擊跳閘次數為14.652 次/a（由于篇幅原因，本文僅展示了高風險線路段詳細計算結果，實際則根據4.1 提出的評估模型對全線雷擊跳閘情況進行了計算），高風險線路段的雷擊跳閘次數為9.039 次/a；改造后戴嶺線全線的雷擊跳閘次數下降至5.9 次/a，降幅約為60%，戴嶺線高風險線路段全線的雷擊跳閘次數下降至0.29 次/年，降幅約為97%。

以上為結合表7 中各防雷改造方案對戴嶺線進行的差異化防雷策略應用示例，可見，在相同改造目標下，不同運行條件對最終的方案選擇會造成一定影響，而本文提出的模型能較好地篩選出適用于不同運行條件下的最佳防雷改造方案，實現架空配電線路的差異化防雷。

4 結論

本文對10 kV 配電線路防雷差異化防雷策略進行了研究，提出了基于MATLAB 與ATP-EMTP 聯(lián)合仿真的雷擊特性聯(lián)合仿真計算方法，并搭建了配電線路差異化防雷策略經濟性評估模型，對目前常見的防雷措施在混合搭配使用條件下的防雷效果、經濟性進行了綜合分析，并對實際10 kV 配電線路進行了防雷策略應用示例，得出主要結論如下。

1）10 kV 配電線路網架結構復雜，同一線路不同線路段的運行條件差異顯著，因此在進行防雷改造時應優(yōu)先選取處于山區(qū)、高地閃密度（多雷區(qū)、強雷區(qū)）條件下且未安裝防雷裝置的線路。

2）在已考慮的防雷措施中，最具性價比的防雷策略為全線加強絕緣，將原始絕緣子更換為絕緣能力更強的2片XP-70絕緣子能使跳閘率下降68.4%，但缺點在于改造效果有上限，僅適用于雷電活動較弱的線路，在高地閃密度條件下，線路仍有較高的雷擊跳閘風險。

3）防雷效果最好的策略為逐基逐桿安裝避雷器與避雷線，在平原地區(qū)能使線路雷擊跳閘率下降99%，因此即使線路處于強雷區(qū)，其雷擊跳閘率也能下降至可接受范圍，推薦在風險最高的支線或具備特殊保供電需求的支線使用。