10kV配電系統防雷分析與應對措施

杜曉昕

（國網山陰縣供電公司）

0 引言

電能作為現代社會生活不可缺少的一部分，在各行各業中，配電網系統肩負著重大的責任，為避免供電不穩定而影響社會生活用電，許多學者均對10kV配電系統進行研究，以保證配電網穩定、安全地運行。雷電作為影響配電網安全穩定運行的一個重要現象，防雷一直是學者們的研究重點。學者們分別從雷云的形成、雷電參數、雷電跳閘等方面做了詳細的研究分析。作為影響配電系統穩定運行的最重要的一個參數，雷電跳閘計算也成為防雷分析的重要參考。本文將從雷云的形成、雷電參數、雷電跳閘計算三個方面進行防雷分析。最后，針對目前的配電網系統，提出了相應的防雷措施。

1 10kV配電系統防雷分析

1.1 雷云形成

雷云的形成是一個極其復雜的過程。我們生活的地球，可以看作是一個巨大的電容，在地表上存在著約50000C的電荷，同時在距地表約6000～8000m的高處，存在著一個電荷都為正極性的電離層，地表與電離層共同形成了一個電壓約為3000kV的巨大電場。隨著地球上大氣循環的進行，地表水分跟隨大氣循環，蒸發上升至電離層，在正負極的作用下發生極化，水蒸氣遇冷凝成水成物。正負電荷在重力與電場力的共同作用下，向下運動，其下落的速度明顯增快。在下落過程中，電荷粒子與周圍的云粒子發生不規則碰撞，碰撞后，水成物和云粒子相互吸收，水成物吸收了部分云粒子，而云粒子也吸收了水成物的部分正電荷。相互吸收了對方的粒子后，水成物的下降速度進一步增快，而帶有正電荷的云粒子的下降速度由于受到電場力的作用而變緩。兩者速度的不同，使得帶有正電荷的云粒子聚集于云層頂部，而帶有負電荷的水成物聚集于云層底部，構成了一個巨大的空間電場，其場強的方向與地表和電離層形成的電場方向相同。因此，雷云以較快的速度在自然中形成，并且隨著氣流的流動而隨機性運動，其內部形成的結構模型復雜多樣。雷電屬于大電流，其能量巨大［1］。

1.2 雷電參數

由于云層之間的相互摩擦，產生了電荷，電荷與云塊切割產生磁力線。在電與磁的共同作用下，分離出正、負電荷，正負電荷運動從而產生雷電［2］，雷電的產生是基于大氣的運動。因此，數學工程建模分析是研究雷電的主要分析方法。通過建模分析，雷電放電模型等值電路如圖所示。

圖 等值電路圖

該等值電路假設放電通道是已知的，放電通道的波阻抗為Z。當發生雷擊時，雷電產生的能量瞬間釋放完成，無放電延時。其等值電路見公式（1）。

從上式可以看出，i與Z有關，10kV的配電系統中，Z遠小于Z0，可得出i＝2i0。即，雷電擊中10kV配電系統時，流入地表的電流大部分是雷電流。

雷電的參數主要有雷電活動強度、地面落雷密度、雷電通道波阻抗、雷電流等。其中，雷電活動強度是表征雷電強弱的重要指標，某個地域雷電的多少用地面落雷密度表示，雷電通道波阻抗則代表絕緣體變成導體時具備的阻抗參數。雷電流作為雷電的一個重要特征參數，可通過雷電放電時形成的波形進行預測，是完善防雷措施的主要參考依據。

1.3 雷電跳閘計算

負極性雷電是雷云對地表放電形式中最常見的一種形式，負極性雷電在放電時主要有三個階段，三個不同的階段對10kV配電網的影響各不相同。其中，雷電密度ρ是評判雷電壓對10kV配電網的影響的重要參數。當雷電連續不間斷地運動積累了大量電荷時，雷電先導以一定的速率v向下發展，與地表上的迎面先導發生碰撞，產生回擊現象，且回擊的過程中，電荷以更快的速度向前發展［3］。先導階段中的通道電荷密度ρ的計算公式如下：

式中，H表示雷云的高度；u（t）表示單位階躍函數；δ（t）表示單位沖激函數；v表示先導發展速度；ρ0表示電荷密度常數，其計算公式如下：

上式中，I表示雷電流幅值，η表示雷電流幅值的修正參數，τ表示時間常數。

目前，雷電回擊模型可用如下公式表示：

式中，i（Z0，t）表示回擊雷電流函數；i0（t）表示雷電流函數；vf表示雷電先導回擊速度；P（Z0）為產生雷電回擊的概率函數。

2 防雷措施分析

10kV配電網的運行過程中，運維單位根據各自的運行工況，對自身系統的防雷采取了相應的舉措。目前，沒有一種方法可一勞永逸地解決雷擊事故，電網企業只能根據自身電網的運行環境和地理環境等特點，采取相應的措施以達到最有的防雷措施。其中常用的防雷措施有降低桿塔接地電阻、加強配電系統絕緣、架設避雷線、安裝小型避雷器、裝設自動重合閘裝置、雙回線路采用不平衡絕緣等。

（1）降低桿塔接地電阻

雷電擊中10kV配電系統時，雷電流途經桿塔直至地下的接地系統，從而達到了配電線路的自我保護的目的。通過不斷的研究發現，隨著桿塔高度的增加，桿塔與地表間的電阻也會隨之增加，當電阻升高到一定值時，發生雷擊就會導致線路桿塔絕緣子發生閃絡，嚴重時會出現大電流波動［4］，導致10kV配電系統出現跳閘。因此，降低桿塔高度和降低桿塔的接地電阻，可以有效地將雷電流引導至地表，避免配電線路發生雷擊，以達到防雷保護的目的。

（2）加強配電系統絕緣

在10kV配電系統中，線路絕緣標準也是防止雷擊的重要措施。為了避免10kV配電系統發生跳閘，可適當地增強配電線路的耐壓能力。例如，增加10kV配電線路的絕緣性能、應用耐污型絕緣子、增加絕緣子片數等都是較為有效的保護措施。在一些較為特殊的線路中，還可以增設一些小型避雷器以加強配電系統的雷擊保護。

（3）架設避雷線

在10kV配電系統線路頻發的線路段可以相應地架設避雷線，可在一定程度上減少雷電直擊10kV配電線路。同時，當直擊雷擊中避雷線時，其還能對雷電發生反擊現象，使雷電流的方向發生改變，可以達到保護局部配電線路的目的。

（4）安裝小型避雷器

線路安裝避雷器與增設線路避雷線的保護原理基本相同，當發生雷擊時，雷電流首先通過避雷器與地表發生短路，使得雷電電流在第一時間泄入地表，從而保護了配電線路。10kV配電系統在防雷措施中，避雷器可與不同類型的絕緣子相配合，從而進一步降低絕緣子發生閃絡的概率。

（5）裝設自動重合閘裝置

當雷擊于10kV配電系統發生跳閘時，自動重合閘裝置可自動恢復，不僅能夠保證線路正常輸電，還能減少檢修次數。通過統計，安裝了自動重合閘裝置的線路，因雷擊線路發生跳閘后，有70%的幾率可自動恢復供電［5］，有效地提升了10kV配電系統的供電穩定性。

（6）雙回線路采用不平衡絕緣

10kV配電線路的網架結構大多為單回路線路，當線路發生雷擊跳閘時，勢必會中斷10kV配電系統的正常供電。由于雷擊是不可避免的自然現象，在進行配電線路的基建階段，在預算合理的情況下，可采用雙回路線路，即同一桿塔架設兩條導線。當線路發生雷擊時，兩條線路中絕緣性能較差的一條線路優先被雷電集中，發生閃絡斷開，雷電流迅速被引至地表，從而形成接地回路，保證了另一條線路正常供電。因此，在10kV配電系統中可適當增設雙線路供電。

3 結束語

在本文中，從雷云形成、雷電參數和雷電跳閘計算三個方面結合對雷電的形成進行了分析。針對雷電形成的原因，提出了一些10kV配電系統的防雷措施。由于配電網所在地區的氣候及地理環境的不同，在實際的10kV配電系統防雷保護中，可依據電網企業的的實際情況選擇最佳的防雷措施，進而達到防止跳閘的目的，促進電網的穩定運行。