高原農牧區配電網防雷研究

崔桂興，郭 欣，侯元紅，吳 寶

（國網青海省電力公司黃化供電公司，青海 尖扎 811200)

近年來隨著社會經濟的快速發展，人民生活水平的日益提升，用戶對電力的依賴越來越強，對電能質量和供電可靠性的要求也越來越高，配電網的安全穩定運行在經濟社會和人民群眾生產生活中的地位越發重要。以國網澤庫縣供電公司所轄配電網為例，澤庫縣地處青南高原，平均海拔3700m，年平均雷暴日40.2天，屬高雷區，近年來隨著配電網的建設，10kV線路達1200km，0.4kV線路達1400km，配電變壓器數量達351臺，較2013年時配電網規模增長近3倍。

隨著配電網規模的擴大，配電網線路和設備遭受雷擊的頻率增高，影響變大。在2015—2018年10kV配電線運行中，57.8%線路跳閘、接地故障是受到雷電活動的影響，特別是在一些雷暴高發的復雜地形區域，由于受地形、環境以及土壤電阻率等因素影響，配電網遭受雷擊的頻率更高，面對這一發展形勢，開展配電網防雷研究，分析配電網遭受雷擊的原因，找出適合高原農牧區防雷的具體措施，保障配電網的安全穩定運行顯得尤為重要。

1 10kV配電網防雷中存在的問題

1.1 現有配電網未突出防雷的差異化

1.1.1 配電網內避雷器的配置未突出差異化

澤庫地區高原農牧區的配電網，目前只在配電線路的開關兩側、配電變壓器的高壓側、電纜線路電纜頭的T接點處安裝了高壓避雷器，除此之外很少有避雷器，這樣的線路防雷水平設計與平原地區的區別不大，在高雷暴區域尤其是高海拔，高寒區域的配電線路中，防雷能力和防雷水平顯得嚴重不足。

1.1.2 絕緣子的選型未突出差異化

以澤庫公司所轄配電網為例，高、低壓配電網內大部分選用的P-15T針式絕緣子，但澤庫地處海拔3700m的高原牧區，海拔高、空氣稀薄，絕緣強度較低海拔地區低；常年平均氣溫－2.5℃、紫外線強、氣候條件惡劣，絕緣子老化快也會降低線路的絕緣強度，如表1所示，在配電線路遭受雷擊時容易發生絕緣子擊穿炸裂現象。

表1不同絕緣子合理保護間隙

1.1.3 防雷標準未突出差異化

線路新建或改造進行防雷設計時未考慮高海拔差異。高原地區地勢復雜，受局地小氣候環境影響更加非常明顯，同一線路上地勢復雜地區會存在多段高雷暴區域，如不考慮現場實際情況開展合理的防雷技術經濟評估，全線均采用相同的較低防雷標準設計，會導致線路防雷能力弱。

1.2 現有防雷設施的接地網缺乏針對性

圖1 含水量約15%時，溫度對砂質黏土ρ的影響曲線

表2 不同土質的土壤電阻率ρ

高原農牧區配電網現有防雷設施的接地網主要存在接地網的設計、施工沒有突出地域的差異化。如圖1和表2所示，高原地區凍土層厚度遠超低海拔地區且土壤結構復雜，現有配電網接地裝置設計，對安裝區域的土壤電阻率、土質情況、凍土區域的厚度均沒有考差異化慮，只是一味的照搬、照抄典型設計，采用四針接地網外加裝2組模塊的模式，這樣的設計缺乏針對性更沒有差異。

以澤庫公司為例，近年來新投運的配電線路、開關、變壓器等設備的接地網均按照統一標準設計，雖經施工人員的多次處理，但接地電阻值并不理想，許多設備接地電阻在夏季合格但在冬季形成凍土層后，就不合格；或是雖然經過人工換土、加降阻劑、加鹽等措施后，也只是臨時合格，其載荷量并不大，究其原因還是地域土壤、氣候的差異化導致的。

1.3 低壓配電網的防雷未引起足夠重視

實際工作中對0.4kV配電網的防雷，從設計、施工到運維均未得到足夠重視，存在較大的隱患。以0.4kV低壓架空線路為主的低壓配電網，受雷電活動影響產生分雷電過電壓主要有2種，一是雷電以靜電感應或電磁感應的方式在0.4kV低壓配電網上產生雷電過電壓；二是高壓配電網的雷電過電壓傳遞到變壓器低壓側。

0.4kV低壓配電網缺乏有效的防雷手段，致使架空進戶線路遭受直擊雷或感應雷，雷擊到配電變壓器高壓側后，串入低壓線路及進戶線，雷擊到進戶線或低壓線路上及其他用電設備上，雷擊到建筑物后，反擊到用戶線和照明線路上等雷擊故障無法得到有效的防護。

他手舉風箏追趕我，卻不想風箏被一個樹枝夾到，進退不得。他喚住我，可憐兮兮的樣子不知道該怎么辦，我一把拿過風箏線，說“我來試試。”

近年來，尤其是雷雨季節，因雷擊導致低壓配電線路斷線、表計燒損、空開損壞、家用電器損壞的故障頻繁發生。雖然雷擊低壓配電網導致的故障占比低壓總故障僅為0.78%，但是0.4kV低壓配電網直接連接廣大電力用戶終端設備，雷擊后所造成的直接危害嚴重，不得不考慮。

1.4 員工對防雷知識欠缺

配電網防雷技術在基層一線員工中掌握和了解的相對薄弱，大多憑經驗開展防雷工作，對新防雷技術不掌握，對新防雷設備不會用，例如將本該用于絕緣導線的防雷支柱絕緣子安裝到裸導線上，起不到防止斷線效果，甚至還會增加雷擊線路跳閘概率；配電網規劃人員在新建線路或是改造老線路時不能提出適合現狀的防雷措施；配電網運維人員在對配網設備驗收投運時不能及時發現接地電阻不合格，避雷器安裝工藝不合格，避雷器引下線不合格等防雷技術問題。

2 配電網的防雷措施

配電線路防雷改造和設計的目的，是提高線路的耐雷性能，降低雷擊跳閘率。在雷害發展過程的各個環節，采取相應的措施。在采取防雷措施時，需要遵循以下4個原則：

盡量使導線不受雷擊；

雷擊之后盡量使絕緣不閃絡；

閃絡之后盡量不建立穩定的工頻電弧；

工頻電弧建立之后盡量使供電不中斷。

2.1 提高配網線路絕緣水平

絕緣子是配電線路中重要的設備之一，絕緣子的正常運行對保持配電線路的絕緣水平和耐雷水平有著重要的作用，當配電線路中存在劣質絕緣子和低值絕緣子時，配電線路的耐雷水平將急劇下降，在配電網遭受雷擊時，劣質和低值的絕緣子在雷擊瞬時過電壓下極易發生表面閃絡和絕緣子炸裂等情況，將導致配電線路接地和跳閘故障發生。

10kV配電線路常用絕緣子型號如表3所示，為了分析線路絕緣水平對感應雷跳閘率的影響，對表3內絕緣子型號，分別進行仿真計算，得到標準雷暴日下不同絕緣子型號下感應雷跳閘率。

表3 配電線路不同絕緣子型號感應雷跳閘率統計表

由表3仿真結果分析可知，選用U50%爬電距離大的絕緣子，能有效地降低配電線路感應雷跳閘率，由表3可知全線選用PS-20絕緣子，線路感應雷跳閘率最小，即總的雷擊跳閘率最小。

澤庫及與其相似區域配電線路宜采用柱式絕緣子（型號PS-20或更高等級），線路整體絕緣水平較以往使用針式絕緣子的老舊線路有一定幅度提高，防雷水平將整體有所提高。

2.2 增加特殊區段的差異化防雷保護

在配電線路的特殊區段上加裝線路避雷器。避雷器用于保護配電線路絕緣以防止其閃絡和線路中斷。其作用大致有3個方面：一是通過吸收雷電放電能量，達到保護的目的；二是安裝避雷器后能夠限制配電線路的感應過電壓；三是抬高被保護絕緣子另一端的電位降低其兩端的電位差。配電線路具有網絡結構復雜，絕緣水平低等特點，線路上沒有避雷線和耦合地線對線路進行保護，目前雖然在配電變壓器和線路的分支、分段開關上裝設有避雷器，但是在線路上出現雷電過電壓時，仍然會造成配電線路的絕緣子閃絡等故障發生，鑒于此種情況，澤庫公司先后在配電線路雷害多發區段的主干線路和分支線路以及線路的T接點處加裝跌落式避雷器91組，加裝線路避雷器312組，在角度小于100°的轉角桿上加裝線路避雷器36組；同時對接電網進行改造，使雷電流通過壓敏電阻流入大地，從而使配電線路上的電壓控制在安全范圍內，保護配電網的安全。

提高線路絕緣等級，增加線路防雷標準，選用新型防雷設備。針對高原牧區3700m海拔的實際情況結合經濟性，優先選用PS-20、R12.5型絕緣子。澤庫縣供電公司先后通過農網改造升級、大修技改、防雷整治等工程并結合線路運維，更換了高雷暴區線路的PS-20、R12.5型絕緣子3225支。同時還結合各種停電對配網線路定期開展絕緣子檢測，通過用2500V兆歐表遙測絕緣子的絕緣電阻，對針式絕緣子和懸式絕緣子的絕緣電阻低于300MΩ的低值絕緣子以及巡視中發現的破損絕緣子更換526支，及時消除了配電線路的絕緣薄弱點，提升線路的耐雷水平。

澤庫縣供電公司還嘗試了在高雷暴區域線路采用絕緣橫擔等新型復合材料12組，以減少泄露電流，增大放電間隙，提高線路絕緣等級。復合絕緣橫擔由性能優越的玻璃纖維增強的改性聚氨酯復合材料經特殊成型工藝制備而成，具有質量輕、電絕緣性能好、防污穢、耐腐蝕的優點。通過采用絕緣塔頭或絕緣子和絕緣橫擔的組合絕緣，使放電路徑增大3～4倍，絕緣水平提高至110kV線路水平。

在特殊區段配電線路的上加裝無工頻續流放電間隙。無工頻續流放電間隙的防雷原理為：當雷電過電壓超過一定數值時，在并聯間隙的高壓電極和低壓電極之間引起閃絡，形成短路通道，接續的工頻電弧便在防弧金具上燃燒，以保護導線免于燒傷。澤庫縣供電公司先后對高雷暴區的10kV澤二路、多一路等4條線路加裝無工頻續流放電間隙裝置1060組進行防雷改造，大大提升線路的防雷水平。

針對絕緣導線加裝防雷支柱絕緣子，防止雷擊斷線。防雷支柱絕緣子的原理為：當雷擊發生時防雷支柱絕緣子的引弧棒和下鋼腳之間引起閃絡放電，形成短路放電通道，持續的工頻電弧移動到引弧棒和下鋼腳之間燃燒，以保護導線免于燒損，能有效地防止雷擊斷線。澤庫縣供電公司先后對10kV絕緣線路加裝防雷支柱絕緣子裝置433組進行防雷改造，有效保證了絕緣線路的防雷水平。

2.3 對接地裝置采取特殊方式處理

澤庫地區的配電線路通道內，土壤的土質以砂石質土壤為主，土壤電阻率ρ大于14000Ωm。現有的接地網及接地裝置（變壓器、開關、電纜頭、線路避雷器等處的接地網）均存在接地電阻不合格的情況，鑒于此種情況應對現有的不合格的412處接地網進行了改造，將接地電阻降低到了標準值以下。一是增加了接地模塊的數量，接地模塊的埋深點必須超越凍土層2.81m的深度，保證接地模塊冬季不被凍脹損壞，確保接地模塊的使用質量和壽命。二是對接地網的土壤采取換土措施并使用GPF-94降阻劑且應埋設在凍土層以下，使接地網的腐蝕率降低到0.00049mm/年，有效降低接地體的腐蝕速度，在接地體四周施加降阻劑后相當于擴大了接地體的有效截面，接地體在承受雷電流沖擊時，接地電阻和電位都會降低，減少接地極上的電壓陡度，使沖擊特性得到改善，從而確保雷電流快速地泄入大地。三是用多根放射形接地或是延長接地網體的方法來降低接地電阻。四是施工過程中確保接地引下線連接處工藝要良好，線徑要達到設計標準，否則雷擊電流不能及時泄露到大地中起不到應有的保護作用。

2.4 增加低壓配電網的防雷保護

2.4.1 在變壓器低壓側加裝低壓避雷器

在配電變壓器低壓側裝設低壓避雷器，能有效防止高壓配電網的雷電過電壓傳遞到變壓器低壓側危及低壓用電設備的安全，又可防止低壓配電網遭受雷擊時產生變換過電壓危及變壓器的絕緣造成變壓器損壞。

2.4.2 在線路上加裝避雷器

在低壓配電線路的主干線路上和分支線路的前端安裝低壓避雷器，以保護電能表及其他設備不受到損害。在低壓配電盤上加裝低壓避雷器或SPD浪涌保護器，可有效防護雷電對用戶的侵襲，防止雷電由電源侵入打壞家用電器。

2.5 開展防雷知識培訓，積極引進新型防雷技術

一是組織開展了2次配電網防雷知識培訓，邀請省電科院專家開展配電網防雷技術經驗交流，提高公司員工技能水平，在配電網線路運維、管理過程中有的放矢。二是把好新建、改造的防雷設計和竣工驗收關，確保實現防雷的源頭控制，澤庫縣供電公司結合氣象資料、運維經驗劃分為重點防雷區域、一般防雷區，在設計階段便提出防雷的差異化需求，驗收階段對防雷技術工藝、重要參數進行重點實測，確保驗收質量。三是積極引進了跌落式避雷器、防雷支柱絕緣子、絕緣橫擔等新型防雷技術，隨著科技的發展進步，還會有大量的防雷新技術、新材料被應用到配電線路中，比如：新型復合絕緣橫擔、新型復合式避雷器、新型鍍銅接地體、石墨烯電極、石墨帶等。

3 結束語

2017—2019年澤庫縣供電公司結合農網升級改造、技改大修項目對高雷暴區域內的線路將該研究成果進行了推廣實施，因雷擊引發和導致的線路跳閘故障和接地斷線故障由之前的57.8%降低到2020年的22.3%，取得了很好的效果。高原農牧區配電網在實際運行過程中最容易受到直擊雷和感應雷的影響，雷擊降低了配電網的安全性，導致配電網故障頻發，面對這種形勢，需要增加對配電網防雷措施，從設計、改造、運維等方面入手，利用合理、科學、差異化的方法和舉措，系統、綜合地開展高原農牧區配電網防雷工作，有效地降低雷擊跳閘和斷線的發生率，保障配電網的安全穩定運行。