滇中配网雷击隐患分析及防雷治理应用实例

李科，瞿秋南

（云南电网有限责任公司昆明晋宁供电局，云南 昆明 650600)

0 前言

对于配电网，线路跳闸一直是影响供电可靠性的重要因素，严重影响到电力系统的供电可靠性。而由于历史的原因，配电网的发展还很落后，在网络结构、技术管理和运行维护上还有很多缺陷，导致配电网故障频繁发生，尤其是在雷雨、大风等恶劣天气时配电网雷害事故更是频繁，极大地影响了人民群众的生产、生活的正常用电。虽然经过农网和城网改造后状况有所好转，但在防止雷害事故，特别是防止雷击跳闸事故方面并没有发生根本的好转。在雷电活动频繁的地区，雷害事故仍经常发生，极大地影响了低压电网的供电可靠性，影响了配电网的安全稳定运行。因此，对配电网的防护现状进行认真的分析和研究，找出雷害事故频发的原因，找出配电网在防雷措施和防雷设备上存在的缺陷和不足，提出改进和完善措施是非常必要的[1]。

1 滇中地区典型雷害区域配网现状

滇中高原浅切割的中山地带及断陷湖盆区，海拔高度在1700～2700 m 之间，地形起伏大，地形地貌复杂。辖区内10 kV 配电线路走廊经过高山、山谷、农田等高雷击风险区。另外，如图1所示，山区线路的架设会不可避免地经过河流山谷等需要跨越的地形，跨越杆塔档距较大，大地屏蔽作用减弱，缺乏泄流通道。另外，从雷电监测资料可得出结论，正极性的雷电流幅值、陡度随着海拔的升高而增大，在海拔1000 m 以上为雷电频次的最高值。且高海拔地区云层离地高度相对较近，也增加了落雷的机率。

图1 滇中高海拔配电网

雷电直击和雷电过电压导致10 kV 配网线路设备损坏或断路器跳闸，影响了该区域配电网的可靠运行，因此降低雷击跳闸率，减少雷击设备损坏，提高配电线路的综合耐雷水平势在必行。

1.1 配网结构和雷害主要特点

1）线路分布广，线路走廊地理条件错综复杂，走廊周边多处架设有基站或避雷针，与主网线路形成交叉跨越。当雷击中该段输电线路、避雷针或基站时，落雷点周边产生电场畸变，在线路上形成感应过电压，危害配网线路运行[2]，如图2、3 所示。

图2 配网线路通道附近的通信基站

图3 配网线路与主网线路平行架设

2）城镇化和产业园区建设的加快，线路占地越来越紧张，传统的架空裸导线逐步改造为绝缘线和电缆，绝缘线的使用大幅度降低了瞬时性短路故障，但对绝缘线耐雷水平低的弱点考虑不充分，常发生断线事故。

3）目前滇中地区的年均雷暴日大于40 d，属于多雷区，雷电的影响对配电线路安全可靠运行尤为突出。

1.2 雷害的主要原因分析

1）滇中配网线路雷害区域大部分处于山区和空旷地。山区主要分布在山顶、山坡迎风面上和山体夹沟的迎风带中，地理及线路布置因素是配电线路易遭受雷击的主要因素。

2）只注重架空绝缘线的优势（一是解决“树线矛盾”的有效性，二是较少相间距离和占用空间少带来的经济性，三是施工简单和建设周期短的便捷性），而对其耐雷水平差的弱点考虑甚少，导致绝缘线雷击断线时有发生。

3）防雷手段单一且适用性差。主要采用分区段安装避雷器，在安装避雷器的同时，对主干线、分支线、柱上配电变压器绝缘水平配置考虑不到位，形成配电线路“见子打子”的局面长期存在，防雷综合技术欠缺。

4）设备老化，耐雷水平降低。防雷设计、绝缘匹配不合理。

5）运行维护不到位。主要体现在以下两方面：一是大多数线路上的避雷器长期运行，定期轮换执行不到位，常发生永久性故障或设备损坏。二是线路设备状态检修落实不到位，绝缘弱点不能及时消除，耐雷水平下降，雷击跳闸率上升。

1.3 雷害重点区域配网防雷措施现状

1）绝缘子老旧，采用大量针式绝缘子，针式绝缘子在结构上有着致命的缺陷，绝缘子内部的钢脚螺栓与导线直线距离十分小（图4红色部分），容易发生内部击穿，而针式绝缘子在内部击穿后是极难发现的。每当遇到小雨、大雾等天气时，水汽会渗入到击穿的缝隙，绝缘水平急剧下降，引起短路跳闸。

图4 针式绝缘子实物图与剖面图

2）防雷设备布置不合理、施工工艺不达标。零星安装了带空气间隙的防雷绝缘子，以及极少数杆塔安装有跌落式避雷器作为线路保护用。单一防雷装置的保护范围是有限的，且落雷具有一定的随机性，若采用零星安装方式，防雷效果微乎甚微。图5所示防雷绝缘子，设计的放电路径为C，若绝缘子安装在连接板中间或引弧棒球头朝向有误，因为A的距离比C小，过电压通过防雷绝缘子时放电路径很可能为A，此时绝缘子的动作电压降低，绝缘子折断电弧的能力下降，降低绝缘子使用寿命，增加线路跳闸几率。

图5 安装不合理的防雷绝缘子示意图

图6所示力矩螺母上半部分应脱离掉落，则可能出现穿刺线夹咬合不深，且长期运行状况下线路风摆也易导致绝缘子放电回路无法与导线形成稳定的电气连接。若穿刺线夹咬合不到位，则线夹钝齿与导线之间存在间隙。雷击放电时，线夹与导线之间的间隙会产生电弧，电弧的温度远远高于导线的熔点，会导致导线在咬合不当处断线。

图6 防雷绝缘子穿刺引发断线故障点

3）杆塔接地不合格。地形条件复杂，杆塔所处位置土壤电阻率高，杆塔及设备接地电阻高或接地装置导通性差，导致落雷时接地电位上升，致使较大雷电流侵入时发生反击，引发绝缘子闪络。

2 配网线路防雷的差异性

围绕着配电线路的雷害整治，虽采用了种类繁多的防雷举措，但雷击率仍然居高不下，不同地貌、不同环境、不同地闪密度雷击故障情况也不同。

2.1 配网线路防雷的差异性

雷击配电线路故障分布存在的差异。雷击故障按照线路通道地貌、周边环境分布情况来看，雷击故障与周边地貌和环境因素有关系。从地貌方面看雷击故障（如图7所示）主要发生在山脚（上山处）和山顶（下山处）。从环境因素（如图8所示）来看雷击故障主要发生在通信基站、水源地、矿场附近。同时查看地闪密度分布图，相同时间内各街道办、乡镇的雷电活动存在较大差异。大部分地闪密度处于C1 级，少数处于B2 级。这对评估线路通道内地闪密度在防雷治理中不可或缺，是配电线路防雷线路耐雷水平评估中需采集的要素。

图7 配网雷击故障地形统计分布

图8 配网雷击故障周围环境统计分布

2.2 配电线路结构特征参数存在差异

1）配电线路雷击过电压的差异。配电线路雷击过电压分为直击雷和感应雷过电压，直击雷过电压时，将有强大的雷电流通过被击中的杆塔流入地面，同时产生很高的电压降；雷击配电线路附近的大地，在线路上产生由电磁感应产生的过电压为感应过电压。尽管相关文献表明，直击雷不是10 kV 架空配电线路雷击引起故障的主要原因，配电线路设备遭受直击雷过电压的概率也相对较小，但在配电线路差异化防雷评估中，除了正常通道线路主要考虑感应雷过电压，在特殊区段内还是不能排除直击雷的影响（特别是在多山区的云南）。

2）配电线路绝缘配合存在的差异。目前，针式绝缘子、悬式绝缘子在配电线路中使用较多，按照防雷公式计算，若雷电幅值为100 kA，线路到雷击点的距离为100 m，线路平均对地距离为10 m 时，在没有任何防雷措施时，感应雷过电压的最大值约为250 kV，针式绝缘子和XP-70 冲击闪络电压与片数的关系，配电线路极其易发生闪络、击穿、甚至断线或设备损坏。

3）配电线路杆塔及线路排列结构存在的差异。配电线路以水平、垂直和三角排列居多，线路的对地距离的差异在一定程度上影响了感应雷过电压的大小，另外杆塔的高度对配电线路耐雷水平也有影响。随着杆塔与雷击点之间距离的增大，感应雷过电压的幅值有降低的趋势；假设在杆塔与雷击点之间距离不变的情况下，杆塔越高，感应雷过电压的幅值有升高的趋势，引起线路闪络所需的雷电流幅值越小，说明线路耐雷水平就越低[3-4]。

4）配电线路防雷措施实施存在的差异。配电线路的防雷保护包括裸线和绝缘线的防雷保护。裸线的防雷措施主要有加强绝缘、装设线路避雷器、降低杆塔的接地电阻、装设自动重合闸装置、架设避雷线等；鉴于绝缘线易断线的弱点，防止断线的主要防护措施基于“疏导型”和“堵塞型”开展[5]，其他还有在绝缘子两侧局部加强绝缘、采用长闪络路径避雷器及其他基于降低工频电弧建弧率的金具等。在配网中裸线、绝缘线和电缆混合辐射也十分常见，但在防雷运用时没有综合考虑。

3 差异化配网防雷治理措施

结合雷击配电线路故障差异化分析以及线路实际情况确定重点雷害区域，针对区域内的配电线路由主到次。基于“疏导型”和“堵塞型”防雷技术[3]，先特殊再重点进而一般的顺序结合现有的防雷技术手段开展防雷治理。主要原则为摸清状况，整合资源，效果匹配。针对辖区雷击跳闸和断线频发的中压配网线路梳理雷电的导流点，通过历史断线情况、地理位置、落雷情况、杆塔接地情况等，确定每条线路各个杆段的需要优化布置的“防雷措施”。根据实际情况确定各重点中雷区及以上区域10 kV 线路的防雷治理方案。

3.1 雷害频发、高危区段治理措施

雷害频发、高危区段（历史频发、高山顶、大跨越、大海拔落差区段），基于“疏导型”和“堵塞型”并重的组合型防雷，采取架设架空避雷线；强化线路绝缘（针式绝缘子更换为瓷柱式绝缘子、存量已损伤的绝缘子，酌情合理选择雷电冲击耐受电压的绝缘子）；一定密度配置线路间隙避雷器，其中绝缘导线区段间隔4-5 杆段，裸导线区段间隔10 杆段，避雷器标称电流酌情可由5 kA 改为10 kA；间隔4-5 杆段强化杆塔接地电阻；裸导线区段间隔10 杆段合理配置防雷绝缘子。注意间隙击穿电压与绝缘子雷电冲击耐受电压的匹配。

优点：防范直击雷，降低线路感应雷过电压，防范绝缘闪络，线路间隙避雷器阻断工频续流防止绝缘导线断线。配置间隙设置绝缘薄弱点有效泄流。

缺点：造价高，施工难度大，停电时间长，3 km 以内分段实施。

3.2 近基站、近水源、近大线路区段治理措施

近基站、近水源、近大线路区段首先强化线路绝缘更换针式绝缘子，绝缘导线区段间隔4-5 杆段配置线路间隙避雷器为主，防范直击雷标称电流酌情可由5 kA 改为10 kA，裸导线区段一定密度配置防雷绝缘子，线路间隙避雷器适当放宽距离。间隔4-5 杆段强化杆塔接地电阻，以防范感应雷过电压为主，注意间隙击穿电压与绝缘子雷电冲击耐受电压的匹配。

优点：防范感应雷，施工容易，效果显著。

缺点：防范直击雷能力有限，大量线路避雷器增加运维难度。

3.3 一般线路区段治理措施

一般线路区段强化线路绝缘更换针式绝缘子，间隔4-5 杆段强化杆塔接地电阻，绝缘导线区段按耐张段配置线路间隙避雷器，裸导线区段按耐张段配置防雷绝缘子或线路间隙避雷器，注意间隙击穿电压与绝缘子雷电冲击耐受电压的匹配。

优点：经济性好，施工容易快捷。

缺点：防雷效果有限。

3.4 成功案例

位于昆明市晋宁区的10 kV 大营线基本涵盖了滇中地区的地质地貌特点，该线路走廊同时囊括了影响雷害内外部主要因素，同时该线路故障属于昆明供电局排名前3 的高故障线路，也是雷击灾害发生的重点线路。2019年9月-2020年5月10 kV 大营线以上述方法开展差异化防雷治理，如图9和图10所示。

图9 10 kV大营线差异化防雷治理1

图10 10 kV大营线差异化防雷治理2

如表1所示，2017年1月-2022年10月10 kV 大营线雷击故障占比43%，排在故障原因第一位，影响3576 时·户，每年故障高峰出现在7-9月，经过2020年5月防雷治理完成后前后对比，2022年11月10 kV 大营线雷击故障影响时户由1597 时·户减少至71 时·户。防雷治理效果显著。

表1 10 kV大营线2017年-2022年故障分析

4 结束语

本文从配网结构和雷害主要特点、雷害的主要原因分析滇中地区了典型雷害区域配网现状。同时介绍了滇中配电网周边地貌和环境因素的雷击故障分布情况以及配网雷击故障在配电线路结构特征参数状态下存在差异。提出了滇中地区的配网差异化防雷治理措施，给配电网长期遭受雷害困扰的供电企业提供一种差异化的防雷治理模式。