粤东山区10 kV线路防雷技术研究与应用

摘要：10 kV线路是农村配电网的骨干线路，其输送的电能通过变压系统转换到低压配电网后，再把电能分配至每个用电客户。山区农村10 kV线路的安全、稳定运行，对于保证电网的安全、可靠、经济运行以及提高农村用户的用电质量具有极大的意义。为此，首先对粤东山区配电网的现状进行了详细介绍，阐述了山区供电所在实际工作中遇到的一些困难，通过分析可知，雷电对经自动化改造后配电网的安全、稳定运行存在较大的“杀伤力”，就如何最大限度地减少雷电对电网的伤害，提出了应对方案。以10 kV丙村线546配电网防雷改造工程为例，统计了10 kV丙村线546配电网经防雷改造后一年多的运行情况，结果表明，对处于特殊地理环境中运行的10 kV丙村线546配电网防雷改造是成功的。

关键词：山区防雷技术;10 kV线路;电铸铜接地棒

0 引言

梅州地处粤东山区，自然村零星分布，许多山区农村偏远，往往交通不便甚至根本无法通行车辆。随着国家对农村配电线路建设的重视，特别是在2008年“抗冰救灾”结束后，各电网公司加大了对农村10 kV及以下配电线路的投资，改变了以往因资金缺乏和整体规划的缺失，造成的网架薄弱、线径小;一条主线不分段，带十几条支线运行;供电半径过大;线损严重;电能质量差等现状。以梅州供电局丙村线546配电网为例，其负荷分布示意图如图1所示。该线路由于缺少资金、无整体规划等原因，配电设备普遍陈旧，开关仍以机械式为主，故障处理以人工方式为主，导致故障定位、供电恢复时间长，供电可靠性极低。

因此，从2010年开始，广东电网公司加大资金投入，用于改造山区农村配电网，并将馈线自动化技术推广应用于山区配电线路，以提高线路的自动化程度，减轻山区供电所人员的工作压力。但是在智能开关、智能监测终端等智能设备大量应用于山区配电线路后，又出现了新的问题，就是这些“娇贵”的智能设备因设备内部有较多集成线路板，抗雷性能较差，特别是在粤东北山区，农村配电线路多处于高山峻岭中，有些线路70%处于雷区。每年7月—10月雷雨季节来临时，是各乡镇供电所人员最繁忙的时候，基本就是雷声响后，值班室电话跟着响，运行人员需立即开展巡线、查线、排查故障、送电工作。因此，如何提高10 kV线路的防雷、抗雷能力成为了一个新的研究课题。

1 10 kV线路的防雷技术研究

1.1    雷电对山区农村10 kV线路的危害

雷电作为一种人力难以抑制的强大自然力，不仅威胁人类的生命安全，还会严重破坏电力输电线路和电气设备。雷电作用于配电线路的形式主要是直击雷和感应雷，两者均会在配电线路上产生过电压，但产生的直击雷过电压和感应雷过电压有所不同。直击雷过电压是指雷云击中杆塔、电力设备等物体时，强大的雷电流流过该物体泻入大地，作用在该物体上形成电压差。感应雷过电压是雷电击在线路附近的大地时，在导线上由于电磁感应产生的过电压。研究表明，10 kV架空配电线路由雷击引起线路闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压而是感应雷过电压，配电线路遭受直击雷过电压的概率较小，约占雷害事故的25%，感应雷过电压导致的故障比例超过75%。

对于经过自动化改造后的山区农村10 kV配电线路而言，雷电对配电线路的主要危害是：当雷电作用于线路时，对线路上的一些智能自动化开关、配电变压器等电气设备造成损坏。特别是智能开关，因智能开关本体、控制器内有较多集成电子线路板，相比于其他隔离开关等设备，抗雷电能力更差。因此，智能开关能否经受住雷电的考验，将直接关系到自动化改造的成败，为此，我们必须给这些智能设备戴上“防雷罩”，同时提高线路的防雷能力，以保证线路全天候正常运行。

1.2    10 kV线路防雷技术的改造与应用

为更好地研究10 kV线路防雷技术，本文以梅州供电局10 kV丙村线546自动化改造工程为案例，结合实践与理论，详细研究改造后的防雷技术在实践中的应用情况。

由于10 kV丙村线546配电网有50%线路处于雷区，上述已说明，10 kV架空配电线路由雷击引起线路闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压而是感应雷过电压，配电线路遭受直击雷过电压的概率较小，约占雷害事故的25%，感应雷过电压导致的故障比例超过75%。為了有效防范上述直击雷过电压和感应雷过电压，我们采取了如下措施：

1.2.1    加强处于雷区部分线路的绝缘水平

将线路上的P-10型针式绝缘子更换为FPQW-10型复合绝缘子（转角杆处更换为P-15型针式绝缘子），能提高线路的抗雷电冲击闪络电压，可由75 kV提高到110 kV。绝缘子串抗雷电冲击闪络电压如表1所示。增加绝缘子片数，可提高线路的抗雷电冲击闪络电压，由表1可知：随着绝缘子片数的成倍增加，抗雷电冲击闪络电压也随之增加，则线路的抗雷水平也成倍增加。

1.2.2    安装硅橡胶氧化锌避雷器

避雷器是专门用于限制雷电过电压或操作过电压以保护电气设备的一种装置。其中高压避雷器分为阀型避雷器、管型避雷器和氧化锌避雷器，前两种统称为碳化硅避雷器。而硅橡胶氧化锌避雷器属于氧化锌避雷器的改进类型，该种避雷器具有绝缘性能良好、耐污性能强的优点，与线路绝缘子配合使用，能有效提高线路的防雷和绝缘水平。

为了更好地提高10 kV丙村线546配电网的防雷和绝缘水平，以确保线路经馈线自动化改造后，智能化设备能全天侯正常运行，将线路原有的普通氧化锌避雷器全部更换为硅橡胶氧化锌避雷器，同时在绝缘薄弱点，如个别金属杆塔、特别高的杆塔、终端杆加装硅橡胶氧化锌避雷器。

智能开关设备是此次馈线自动化改造的重点，其安装后能否正常运行直接关系到此次馈线自动化改造的成败，所以智能开关的防雷是线路防雷的重中之重。根据多年的运维经验，不管是直击雷过电压还是感应雷过电压，最终过电压都是由导线传递到开关。因此，我们改变以往只在电源侧安装避雷器的传统做法，在开关两侧都安装了避雷器，如图2所示。这样做的好处是能在开关两边限制雷电过电压，能很好地起到防护智能开关的作用。

1.2.3    降低杆塔的雷电保护接地电阻值

接地电阻是指电流通过接地装置流向大地受到的阻碍作用。在数值上，接地电阻是电气设备的接地体对接地体无穷远处的电压与接地电流之比，即：

式中，Uj为接地体对接地体无穷远处的电压;Ij为接地電流。

降低杆塔的接地电阻可以减小雷击杆塔时的电位升高，并将故障电流快速泄入大地。根据电力规程的规定，当接地电阻小于5 Ω时，线路的耐雷水平能达到18.39 kV。所以，此次对10 kV丙村线546配电网接地电阻改造的目标是≤5 Ω。线路耐雷水平与接地电阻关系如表2所示。

影响接地电阻的主要因素有土壤电阻率，接地体的尺寸、形状、材料及埋入深度，接地体与接地体的连接方式等。目前降低杆塔接地电阻的方法主要有：

（1）加大接地体与土壤的接触面积，因为接触面积越大，接地体的电流泄漏得越快，能更好地起到防雷作用。为达到以上目的，可通过增加接地极的尺寸和增大接地体的水平延伸距离来实现。如有一些地方土壤电阻率比较低，可将接地体的水平引线敷设至湿地或河边，与湿地或河边的垂直接地体相连，能有效降低接地电阻，提高线路的绝缘水平。

（2）使用降阻剂，实践证明，在敷设线路的水平接地体时，在其周围添加降阻剂，能大大降低此处的土壤电阻率。

（3）深埋接地极，避开地表电阻层，将接地体埋在地下土壤电阻率小的更深处，可用坚井式或深埋式接地体。选择埋设地点时，应选择地下水丰富或地下水位较高的地方。若杆塔附近有金属矿体，可将接地体插入矿体上，利用矿体来延长或增大接地体尺寸。

（4）换土，土壤电阻率的高低直接影响接地电阻，如采用其他方法降阻有因难，可用电阻率低的土壤来代替电阻率高的土壤，即换土，以获得较低的接地电阻。

根据多年工作经验，在实施此项目的接地工程时，采用了上述传统方法的同时并进行了技术性改造，具体方法如下：

（1）接地极全部采用？准12 mm×1 440 mm电铸铜接地棒代替角铁接地极。

由角铁制成的接地极深埋一段时间后容易腐蚀，特别是焊接处，容易因腐蚀造成接地体彼此之间断开连接，最终因接地体与土壤接触面不够而电阻率变大，在线路或设备遭受雷击后，雷电流无法泄入大地，使线路与设备失去接地保护。

电铸铜接地棒是采用含量为99.9%的电解铜分子均匀覆盖到低碳钢芯上，使铜与钢芯完全分子结合。电铸铜接地棒的铜层厚0.25 mm以上，耐腐蚀性强，可保证使用寿命在50年以上;且抗拉强度大，高达600 N/mm2。电铸铜接地棒及熔焊工具如图3所示。

电铸铜接地棒深埋地下后，无论是自然腐蚀，还是电化学反应，都有极强的保护性，用电铸铜接地棒代替角铁接地极，可避免因角铁腐蚀后与大地接触不够充分。接地棒与接地网线采用化学焊剂焊接，使接地装置完全处在铜的保护之下，成为真正的免维护接地装置。

（2）深埋接地极并覆盖降阻剂。

降阻剂由多种成分组成，主要包括电解质、固化剂、润滑剂及填充材料等。降阻剂一般为灰黑色，是一种良好的导电体，将它使用于接地体和土壤之间，一方面能够与金属接地体紧密接触，形成足够大的电流流通面;另一方面它能向周围土壤渗透，降低周围土壤电阻率，在接地体周围形成一个变化平缓的低电阻区域。地极安装示意图如图4所示。

采用此种方法安装后，10 kV丙村线546配电网全线接地电阻都在1 Ω以下，一劳永逸地解决了因接地体腐蚀、虚焊造成电阻率变大等问题，使线路接地电阻能在长时间内保持稳定、合格的电阻值。

2 10 kV丙村线546配电网经防雷技术改造后的运行情况

10 kV丙村线546配电网经防雷技术改造后，于2014年5月投入运行，截至2016年5月，共运行24个月。统计2014年6月—2015年2月的数据，10 kV丙村线546配电网全线共发生有记录的雷击26次，造成线路故障13起，馈线自动化设备共实现故障定位和隔离13次（平均正确率100%），其间未发生自动化开关设备故障。自动化改造后的故障统计表如表3所示。

实践证明，经过防雷技术改造后，自动化开关和线路运行稳定，故障率低;维护工作量小;能准确、及时、可靠定位及隔离发生在10 kV线路上的故障，提高了供电可靠性和配网运行管理水平。

3 结语

本文主要是对粤东山城梅州的配电网进行整体调研与分析后发现，梅州山区配电网的防雷措施存在一些问题，笔者利用既有的雷电理论知识，详细阐述了雷电对配电网和智能电力设备的危害，分析论证后得出感应雷过电压是造成配电线路及智能电力设备故障的主要因素，进而认为研究10 kV线路防雷技术对山区配电网的安全、稳定、可靠运行具有重大意义。同时，还提出了解决目前问题的一些新防雷措施，以提高10 kV配电线路的抗雷能力。

本文以梅州供电局10 kV丙村线546自动化改造工程为例，实践与理论应用相结合，详细研究改造后的防雷技术在实践中的应用情况。同时，在此次配电网防雷技术改造建设过程中，笔者在技术路线、设备选型、设计施工、运行管理等方面也积累了一些宝贵经验，为进一步研究山区10 kV线路的防雷技术提供了可资借鉴的经验。

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收稿日期：2020-06-04

作者简介：张祖华（1981—），男，广东梅州人，硕士，工程师，从事电力工程施工管理工作。