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海南强雷区典型配电线路差异化防雷措施研究
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海南地处我国最南端，雷电活动极为强烈，绝缘水平较低的10kV配电线路极易因雷击跳闸，直接影响海南工农业生产生活用电。因此，有效提高10kV配电线路防雷性能评估水平与治理能力，对保证海南地区供电的稳定可靠十分重要。
海南电网有限责任公司电力科学研究院的研究人员王录亮、韩来君、黄松，在2022年第3期《电气技术》上撰文，采用配电网差异化防雷技术开展海南强雷区10kV配电线路防雷综合治理研究，首先建立综合考虑雷电信息、线路结构及绝缘配置信息的雷击风险评估流程；然后选择雷害最为严重的典型配电线路开展逐基杆塔的精细化雷击风险评估；根据风险评估结果，结合配电网各种防雷措施特点，选择安装带间隙避雷器作为改造措施；最后依据改造杆塔范围和次序，制定两套线路防雷改造方案，并量化评估各套方案的预期效果。
海南岛位于中国的最南端，年平均雷暴日超过100天。作为海南配电网的主干网架，10kV配电线路担负着直接向海南岛旅游业、工农业等重要负荷供电的重要任务，其安全稳定运行至关重要。目前海南岛10kV架空配电主线路多达1000多条，其绝缘水平低、无避雷线，在海南岛强雷暴天气环境下，线路整体雷击跳闸率高，雷击断线情况严重，雷击断线后抢修恢复供电时间平均超过10h，严重影响供电可靠性。
如2016年，海南保亭局10kV保石线、三亚局10kV雅亮线均发生9次雷击跳闸，故障情况极为频繁。因此，有必要在海南配电网处于强雷区的大环境下，开展针对性的配电网差异化防雷技术研究，提高当前薄弱绝缘状况下的海南配电网防雷水平。
本文针对海南配电网雷害高发的现状，选择典型配电线路开展专题研究：首先将线路周围所在区域进行质点离散化，建立综合考虑雷电信息、线路结构及绝缘信息的10kV差异化雷击风险评估方法；然后以10kV保石线为研究对象，分析其线路走廊雷电活动特征，评估逐基杆塔雷击风险；再以评估结果为基础，经综合比较防雷实际效果后，确定线路带串联间隙避雷器为主要改造措施；最后，针对风险等级较高的杆塔选择安装带间隙避雷器进行防雷改造，依次制定两套综合防雷治理方案供选择实施。
本文提出的10kV配电线路综合防雷治理流程可供类似地区参考。
1 配电网差异化防雷技术
配电线路差异化防雷技术综合考虑线路走廊雷电特征参数、线路信息参数，基于线路的耐雷水平，对其雷击风险进行系统评估，评价线路逐基杆塔及全线的防雷水平。综合分析典型配电网防雷措施技术经济性，依据评估的线路雷击风险等级，制定具体的防雷改造方案。配电线路差异化防雷技术的具体实施流程如图1所示。
图1 配电线路差异化防雷技术实施流程
对配电线路各基杆塔雷击风险水平有一个较为全面的评估需要从时间及空间上用具有代表性的量对线路雷击风险水平进行描述。所得结果能直观反映出各基杆塔雷击故障种类及分级，为差异化防雷改造提供参考依据。
1.1 雷击跳闸率计算
配电线路雷击区域如图2所示，一次雷击发生后，首先需要确定雷击位置，根据雷击位置进一步对雷击故障类型进行分类及对雷击过电压开展计算。若判断结果为雷击线路，则该次雷击发生时，即雷电直击线路，在线路上产生直击雷过电压；当判断结果并非线路时，即该次雷击并非直击线路，线路上将产生感应雷过电压，通过进一步计算感应雷过电压的波形或幅值判断故障是否发生。
图2 配电线路雷击区域
在进行直击雷和感应雷跳闸率计算时，由于不可能对每一基杆塔周围区域内所有的落雷活动都进行耐雷水平的计算，再对线路是否闪络及跳闸进行判断，所以确定适当的计算范围具有重要意义。一般地区最大雷电流幅值不超过250kA，根据规程法，雷击地面时造成10kV绝缘子闪络的最大距离为Smax=193m（U50%=160kV），因此本文着重考虑该范围内的落雷造成线路故障次数的变化。为计算方便，本文取Smax=200m，这与国内外文献中选取以杆塔为中心、200m为半径的计算方法相符。
如图2所示，对于进行评估的某一基指定的杆塔，首先读取杆塔信息及周围200m范围内雷电信息，采用电气几何模型处理成多个具有各自击距的离散点。分别取图2中S方向及Y方向步长ΔS= 1m、ΔY=1m，组成一系列离散面元，根据统计得到的地闪密度可以得到每一个离散面元内落雷次数，雷电流幅值最大值由雷电监测系统统计得到的各地区所可能发生的最大雷电流幅值确定，根据统计得到的雷电流幅值概率分布函数将雷电流幅值I按照仿真步长ΔI划分为多个区间。
通过上述时间及空间分析，可以获得每次雷电流大小及位置，根据雷击位置及雷击物体采用规程法进行过电压计算。根据过电压计算模型判断是否跳闸，并归入相应的评估参量中，然后对下一雷电流幅值及面元进行相应的计算，直至所有面元计算结束。配电线路雷击跳闸率计算流程如图3所示。
图3 配电线路雷击跳闸率计算流程
1.2 雷击风险评估
基于线路走廊雷电活动信息、线路结构和绝缘配置信息，计算保石线逐基杆塔的直击雷跳闸率、感应雷跳闸率和总雷击跳闸率。依据各基杆塔雷击跳闸率计算结果，结合评估标准对各基杆塔进行雷击风险等级评估。
目前电网公司无标准的配电网雷击跳闸率考核指标值，以统一的标准来划分配电网杆塔雷击风险等级不切实际，应以被评估线路所有杆塔的平均雷击跳闸率为参考来划分杆塔雷击风险等级，从中筛选出相对雷击风险较高的杆塔作为重点防雷改造对象，雷击闪络风险评估标准见表1。
1.3 防雷治理改造
结合线路雷击风险评估结果，基于各防雷措施技术经济性分析结果，制定有针对性的防雷改造方案，实施防雷治理改造，降低线路雷击跳闸率。不同防雷措施的适用条件各异，效果各有不同，资金投入也不同。10kV线路常用的防雷措施可以总结为“堵塞型”和“疏导型”。其中，“疏导型”防雷措施操作简单、投资少，能有效地保护线路导线和线路绝缘子。
但由于该方式是在电弧电流过零点自然熄弧，熄弧能力差、灭弧时间长，并有可能复燃，造成线路雷击跳闸率升高。“堵塞型”防雷措施能够有效保护绝缘子不受电弧损伤，减少线路雷击跳闸率，但存在氧化锌电阻片高压电老化、电阻片密封失效受潮等缺陷。防雷治理措施如图4所示。
表1 雷击闪络风险评估标准
图4 防雷治理措施
2 典型线路雷击风险评估
海南省地处雷电高发区，雷电灾害频发，根据海南配电网近五年故障统计分析结果，选择雷击跳闸情况较为严重的的线路——10kV保石线进行差异化防雷综合治理。
2.1 雷电参数统计
统计分析保石线沿线走廊的雷电特征参数发现，沿线雷电活动有以下两个特征：
1）地闪密度极高。统计结果显示，2018～2021年10kV保石线走廊区域的地闪密度平均值为12.1次/(km2•a)，处于强雷区等级。
2）雷电流幅值较高。保石线全线2018～2021年平均年的雷电流幅值累积概率分布曲线拟合表达式为P(＞I)=1/[1+(I/36.8)2.977]，平均中值电流为36.8kA，大于全国的平均中值电流31kA。
2.2 雷击跳闸率计算
保石线基本参数为：主要使用12m水泥杆，无避雷线，杆塔波阻抗250Ω，电感取0.84μH/m，杆塔接地电阻10Ω，线路波阻抗400Ω，使用P—15针式绝缘子，U50%=120kV，主干导线LGJ—120，导线半径1.52cm，档距50m。依据上述线路参数，参考DL/T 1674—2016《35kV及以下配网防雷技术导则》标准中附录C雷击跳闸率计算方法，雷击跳闸率计算公式为
式（1）
式（1）中：P为配电线路总的雷击跳闸率（次/(100km•a)）；Pr为直击雷跳闸率（次/(100km•a)）；Pf为感应雷跳闸率（次/(100km•a)）。
直击雷跳闸率Pr为雷击杆塔引起的反击跳闸率和雷击导线引起的直击跳闸率之和，感应雷跳闸率Pf为雷击线路附近地面引起的间接闪络跳闸。参照导则中确定的计算方法获得保石线全线直击雷跳闸率为9.86次/(100km•a)、感应雷跳闸率为3.04次/(100km•a)。因此将保石线直击雷跳闸率指标Sz值定为9.86次/(100km•a)，感应雷跳闸率指标Sg值定为3.04次/(100km•a)。
2.3 雷击风险评估
依据图3的雷击跳闸率计算流程获得逐基杆塔雷击跳闸率计算结果，如图5（a）所示。参照表1确立的评估标准，确定逐基杆塔雷击风险等级，如图5（b）所示，A、B、C、D等级的各级杆塔数量比例分别为12.59%、43.71%、27.81%、15.89%，即有56.3%的杆塔具有相对较好的防雷性能，有43.7%的杆塔防雷性能不理想，雷击闪络风险很高。
图5 保石线逐基杆塔雷击跳闸率及雷击风险等级分布结果
3 防雷综合治理改造
3.1 防雷措施分析和选择
实际运行数据表明，保石线近三年来每年都发生雷击跳闸事故，且2016年发生9次，造成此状况的主要原因包括：海南全区域近年来雷电活动日趋强烈，雷雨季节持续时间长；保石线沿线走廊周围雷电强度较大，平均中值电流超过31kA。因此在选择该条线路的防雷措施时，必须要求能可靠降低线路雷击跳闸率，同时施工方便。
不同于输电线路，10kV配电线路有以下特点：①大量使用绝缘导线；②混合使用电缆、架空线路；③大量线路是同塔多回线路；④中性点不接地或经消弧线圈接地。这些特点导致10kV配电线路防雷措施同输电线路相比有所不同。
目前10kV配电线路主要的防雷措施有：①提高线路绝缘水平；②安装防雷支柱绝缘子；③安装穿刺型防弧金具；④安装带串联间隙避雷器；⑤加装复合绝缘横担；⑥架设避雷线。
提高线路绝缘水平是有效的雷电防护措施，适用于线路设计阶段，但是对于已建线路，由于受与变电站绝缘配合的限制，提高线路绝缘水平（如全线更换更高等级绝缘子）工程周期较长，不太适宜；架设避雷线，受地形条件限制施工困难，使线路运行维护的工作量和难度增大，且加装避雷线后杆塔的受力情况和地线与导线安全距离需要进行校核，其经济造价亦较高，因此不宜选用.
安装穿刺型防弧金具会短接部分绝缘子，造成线路绝缘水平降低，导致雷击跳闸率提高，在海南强雷区雷击跳闸率较高的情况下，不宜大范围推广.
同理，技术原理与穿刺型防弧金具相似的防雷支柱绝缘子也会造成线路雷击跳闸率上升，同时其施工难度较穿刺型防弧金具更大，因此更不宜选用；复合绝缘横担由于其目前价格较高，且实际防雷效果有待检验，因此本次改造暂不作考虑。
理论计算分析和运行经验都证明，将带串联间隙避雷器应用到雷电活动强烈或土壤电阻率高、降低接地电阻有困难的线段，可以显著提高线路防雷水平，降低线路雷击跳闸率。因此，对于海南强雷区10kV配电线路，安装带串联间隙避雷器是减少雷击故障的最有效方法。带串联间隙避雷器具有以下优点：
1）运行时不承受工频电压，阀片使用寿命长，避雷器发生故障也不影响线路安全稳定运行。
2）安装方便，不需更换绝缘子，也不需更改原有线路设计。
3）通过限流元件快速切断工频续流，可有效限制雷电过电压，防止雷击跳闸。
3.2 防雷改造方案
根据保石线已有的雷击跳闸记录，结合雷击风险评估的结果，确定需要进行防雷改造杆塔的范围和顺序依次为：1）已经发生过雷击跳闸故障的杆塔；2）雷击风险为D级的杆塔；3）雷击风险为C级的杆塔。
10kV保石线需改造杆塔号见表2。
表2 10kV保石线需改造杆塔号
依据此改造顺序，给出以下两套防雷改造方案。
方案一：选择标准1）和2）的杆塔进行改造，标准1）、2）中有部分重复的杆塔，经过累加，共计需要改造28基杆塔。
方案二：选择标准1）、2）、3）的杆塔全部进行改造，标准1）、2）、3）中有部分重复的杆塔，经过累加，共计需要改造68基杆塔。
两套备选防雷改造方案技术经济性对比见表3，根据10kV保石线防雷改造目标与经费预算，可在两套改造方案中选择其一。如果已经预先确定了防雷改造目标与经费预算，也可以此为限定条件进行方案的重新制定和调整。
表3 两套备选防雷改造方案技术经济性
4 结论
针对海南强雷区典型10kV配电线路开展差异化防雷综合治理研究，本文选择海南地区近年来发生雷击故障次数最多的10kV保石线开展研究：
首先统计分析了保石线的雷电活动特征；将线路所在区域处理成离散质点，建立了综合包含线路信息、雷电信息的10kV配电线路雷击风险评估流程；然后采用10kV配电线路差异化防雷技术，进行逐基杆塔的雷击风险评估；综合雷击风险评估结果、现有防雷措施特点，确定带串联间隙避雷器作为保石线防雷改造主要装置；根据评估结果，结合保石线历史雷击故障统计情况，制定了两套防雷改造方案，并对改造方案进行了预期治理效果评估。
本文提出的差异化防雷综合治理技术可为海南强雷区及类似地区10kV配电线路防雷提供有效的方法和经验。
本文编自2022年第3期《电气技术》，论文标题为“海南强雷区典型配电线路差异化防雷措施研究”，作者为王录亮、韩来君 等。
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