滇中配網雷擊隱患分析及防雷治理應用實例

李科，瞿秋南

（云南電網有限責任公司昆明晉寧供電局，云南 昆明 650600)

0 前言

對于配電網，線路跳閘一直是影響供電可靠性的重要因素，嚴重影響到電力系統的供電可靠性。而由于歷史的原因，配電網的發展還很落后，在網絡結構、技術管理和運行維護上還有很多缺陷，導致配電網故障頻繁發生，尤其是在雷雨、大風等惡劣天氣時配電網雷害事故更是頻繁，極大地影響了人民群眾的生產、生活的正常用電。雖然經過農網和城網改造后狀況有所好轉，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生根本的好轉。在雷電活動頻繁的地區，雷害事故仍經常發生，極大地影響了低壓電網的供電可靠性，影響了配電網的安全穩定運行。因此，對配電網的防護現狀進行認真的分析和研究，找出雷害事故頻發的原因，找出配電網在防雷措施和防雷設備上存在的缺陷和不足，提出改進和完善措施是非常必要的[1]。

1 滇中地區典型雷害區域配網現狀

滇中高原淺切割的中山地帶及斷陷湖盆區，海拔高度在1700～2700 m 之間，地形起伏大，地形地貌復雜。轄區內10 kV 配電線路走廊經過高山、山谷、農田等高雷擊風險區。另外，如圖1所示，山區線路的架設會不可避免地經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，從雷電監測資料可得出結論，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。且高海拔地區云層離地高度相對較近，也增加了落雷的機率。

圖1 滇中高海拔配電網

雷電直擊和雷電過電壓導致10 kV 配網線路設備損壞或斷路器跳閘，影響了該區域配電網的可靠運行，因此降低雷擊跳閘率，減少雷擊設備損壞，提高配電線路的綜合耐雷水平勢在必行。

1.1 配網結構和雷害主要特點

1）線路分布廣，線路走廊地理條件錯綜復雜，走廊周邊多處架設有基站或避雷針，與主網線路形成交叉跨越。當雷擊中該段輸電線路、避雷針或基站時，落雷點周邊產生電場畸變，在線路上形成感應過電壓，危害配網線路運行[2]，如圖2、3 所示。

圖2 配網線路通道附近的通信基站

圖3 配網線路與主網線路平行架設

2）城鎮化和產業園區建設的加快，線路占地越來越緊張，傳統的架空裸導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考慮不充分，常發生斷線事故。

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

1.2 雷害的主要原因分析

1）滇中配網線路雷害區域大部分處于山區和空曠地。山區主要分布在山頂、山坡迎風面上和山體夾溝的迎風帶中，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濟性，三是施工簡單和建設周期短的便捷性），而對其耐雷水平差的弱點考慮甚少，導致絕緣線雷擊斷線時有發生。

3）防雷手段單一且適用性差。主要采用分區段安裝避雷器，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，防雷綜合技術欠缺。

4）設備老化，耐雷水平降低。防雷設計、絕緣匹配不合理。

5）運行維護不到位。主要體現在以下兩方面：一是大多數線路上的避雷器長期運行，定期輪換執行不到位，常發生永久性故障或設備損壞。二是線路設備狀態檢修落實不到位，絕緣弱點不能及時消除，耐雷水平下降，雷擊跳閘率上升。

1.3 雷害重點區域配網防雷措施現狀

1）絕緣子老舊，采用大量針式絕緣子，針式絕緣子在結構上有著致命的缺陷，絕緣子內部的鋼腳螺栓與導線直線距離十分小（圖4紅色部分），容易發生內部擊穿，而針式絕緣子在內部擊穿后是極難發現的。每當遇到小雨、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）防雷設備布置不合理、施工工藝不達標。零星安裝了帶空氣間隙的防雷絕緣子，以及極少數桿塔安裝有跌落式避雷器作為線路保護用。單一防雷裝置的保護范圍是有限的，且落雷具有一定的隨機性，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脫離掉落，則可能出現穿刺線夾咬合不深，且長期運行狀況下線路風擺也易導致絕緣子放電回路無法與導線形成穩定的電氣連接。若穿刺線夾咬合不到位，則線夾鈍齒與導線之間存在間隙。雷擊放電時，線夾與導線之間的間隙會產生電弧，電弧的溫度遠遠高于導線的熔點，會導致導線在咬合不當處斷線。

圖6 防雷絕緣子穿刺引發斷線故障點

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

2 配網線路防雷的差異性

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、不同環境、不同地閃密度雷擊故障情況也不同。

2.1 配網線路防雷的差異性

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、周邊環境分布情況來看，雷擊故障與周邊地貌和環境因素有關系。從地貌方面看雷擊故障（如圖7所示）主要發生在山腳（上山處）和山頂（下山處）。從環境因素（如圖8所示）來看雷擊故障主要發生在通信基站、水源地、礦場附近。同時查看地閃密度分布圖，相同時間內各街道辦、鄉鎮的雷電活動存在較大差異。大部分地閃密度處于C1 級，少數處于B2 級。這對評估線路通道內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 配網雷擊故障地形統計分布

圖8 配網雷擊故障周圍環境統計分布

2.2 配電線路結構特征參數存在差異

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雷過電壓，直擊雷過電壓時，將有強大的雷電流通過被擊中的桿塔流入地面，同時產生很高的電壓降；雷擊配電線路附近的大地，在線路上產生由電磁感應產生的過電壓為感應過電壓。盡管相關文獻表明，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雷過電壓，在特殊區段內還是不能排除直擊雷的影響（特別是在多山區的云南）。

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，感應雷過電壓的最大值約為250 kV，針式絕緣子和XP-70 沖擊閃絡電壓與片數的關系，配電線路極其易發生閃絡、擊穿、甚至斷線或設備損壞。

3）配電線路桿塔及線路排列結構存在的差異。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。隨著桿塔與雷擊點之間距離的增大，感應雷過電壓的幅值有降低的趨勢；假設在桿塔與雷擊點之間距離不變的情況下，桿塔越高，感應雷過電壓的幅值有升高的趨勢，引起線路閃絡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包括裸線和絕緣線的防雷保護。裸線的防雷措施主要有加強絕緣、裝設線路避雷器、降低桿塔的接地電阻、裝設自動重合閘裝置、架設避雷線等；鑒于絕緣線易斷線的弱點，防止斷線的主要防護措施基于“疏導型”和“堵塞型”開展[5]，其他還有在絕緣子兩側局部加強絕緣、采用長閃絡路徑避雷器及其他基于降低工頻電弧建弧率的金具等。在配網中裸線、絕緣線和電纜混合輻射也十分常見，但在防雷運用時沒有綜合考慮。

3 差異化配網防雷治理措施

結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雷害區域，針對區域內的配電線路由主到次。基于“疏導型”和“堵塞型”防雷技術[3]，先特殊再重點進而一般的順序結合現有的防雷技術手段開展防雷治理。主要原則為摸清狀況，整合資源，效果匹配。針對轄區雷擊跳閘和斷線頻發的中壓配網線路梳理雷電的導流點，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化布置的“防雷措施”。根據實際情況確定各重點中雷區及以上區域10 kV 線路的防雷治理方案。

3.1 雷害頻發、高危區段治理措施

雷害頻發、高危區段（歷史頻發、高山頂、大跨越、大海拔落差區段），基于“疏導型”和“堵塞型”并重的組合型防雷，采取架設架空避雷線；強化線路絕緣（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，其中絕緣導線區段間隔4-5 桿段，裸導線區段間隔10 桿段，避雷器標稱電流酌情可由5 kA 改為10 kA；間隔4-5 桿段強化桿塔接地電阻；裸導線區段間隔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。

優點：防范直擊雷，降低線路感應雷過電壓，防范絕緣閃絡，線路間隙避雷器阻斷工頻續流防止絕緣導線斷線。配置間隙設置絕緣薄弱點有效泄流。

缺點：造價高，施工難度大，停電時間長，3 km 以內分段實施。

3.2 近基站、近水源、近大線路區段治理措施

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

優點：防范感應雷，施工容易，效果顯著。

缺點：防范直擊雷能力有限，大量線路避雷器增加運維難度。

3.3 一般線路區段治理措施

一般線路區段強化線路絕緣更換針式絕緣子，間隔4-5 桿段強化桿塔接地電阻，絕緣導線區段按耐張段配置線路間隙避雷器，裸導線區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。

優點：經濟性好，施工容易快捷。

缺點：防雷效果有限。

3.4 成功案例

位于昆明市晉寧區的10 kV 大營線基本涵蓋了滇中地區的地質地貌特點，該線路走廊同時囊括了影響雷害內外部主要因素，同時該線路故障屬于昆明供電局排名前3 的高故障線路，也是雷擊災害發生的重點線路。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，每年故障高峰出現在7-9月，經過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 結束語

本文從配網結構和雷害主要特點、雷害的主要原因分析滇中地區了典型雷害區域配網現狀。同時介紹了滇中配電網周邊地貌和環境因素的雷擊故障分布情況以及配網雷擊故障在配電線路結構特征參數狀態下存在差異。提出了滇中地區的配網差異化防雷治理措施，給配電網長期遭受雷害困擾的供電企業提供一種差異化的防雷治理模式。