10 kV 配电线路差异化防雷策略及综合评估

林敢，鲍明正，何一川，张晓琴，王智凯，王健，黎鹏

（1.湖北省输电线路工程技术研究中心（三峡大学），湖北 宜昌 443002；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；3.国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司，内蒙古 兴安 137400；4.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074）

0 引言

10 kV配电线路绝缘水平差、易发生雷击故障，由于位于不同地区配电线路的地闪密度、地形地貌及防雷配置等存在差异，使得采用常规统一防雷措施的防雷策略存在经济性或效果较差的问题。因此，开展配电线路差异化防雷策略综合评估，对提升配电线路运行的安全可靠性具有重要意义［1-3］。

目前，对于线路各类防雷措施的评估开展了较多研究［4-7］，但对于线路整体防雷方案综合评估的研究相对较少。文献［7］考虑跳闸率降低效果、防断线效果、投入费用、改造维护难易度与运行寿命5 个因素，基于层次分析法建立了配电线路防雷方案评估模型。文献［9］基于贝叶斯决策理论建立了输电线路防雷措施决策模型，可根据输电线路的不同运行条件给出各防雷改造方案的推荐排序。文献［10］通过计算雷击跳闸率，对三明市10 kV 配电线路防雷措施效果进行了评估。文献［11］提出基于同一地闪密度下的跳闸率计算方法，对江西电网常用防雷措施防雷效果进行了定量评估。文献［12］基于层次分析法考虑降低跳闸率、改造费用、改造效果、改造寿命等5 个因素，提出了配电网防雷措施评估模型。可见，线路防雷改造方案的综合评估框架已较为完善，即通过计算不同防雷装置对线路防雷能力的提升效果，结合改造花费等因素采用层次分析法等数学模型进行评分，根据评分结果排名完成评估。但现有研究主要集中在防雷改造方案本身，鲜有考虑被改造线路的运行特征，而配电线路网架结构复杂，即使同一线路不同线路段之间运行情况也存在较大差异，导致各改造方案的实际效果会随之发生变化，因此，实际应结合线路自身运行条件来获得最佳改造方案。

本文以实际10 kV 配电线路为研究对象，建立了基于MATLAB 与ATP-EMTP 的配电线路雷击过电压联合仿真计算模型，分析了各防雷改造措施在不同运行条件、不同组合安装方式下的改造效果，并结合各方案的改造花费建立了防雷改造方案性价比评估模型，得到各典型运行条件下的防雷改造方案评估结果，可为10 kV 配电线路差异化防雷改造工作提供一定的参考。

1 典型10 kV配电线路

1.1 线路基本信息

本文选取湖北地区10 kV 戴岭线作为典型配电线路进行研究，该线路全长25.88 km，共有688 基杆塔、34 条支线，平均档距为40 m，导线绝缘化率为14.94%，其中裸导线型号以LGJ-95 为主，绝缘导线型号主要为JKLYJ-10-95；线路绝缘子多采用老式针式瓶，仅有少部分线路段间隔1 杆安装有线路型避雷器（型号为HY5WS-17/50），约占8%，根据杆塔坐标绘制戴岭线各杆塔分布如图1所示。

图1 戴岭线典型地形及杆塔分布Fig.1 Typical terrain and tower distribution of Dailing line

线路包含平原空旷带、山区丘陵带两种常见的走廊地形条件（已在图1 中标记），各地形杆塔数量统计结果如表1所示。

表1 戴岭线各地形杆塔数量统计Tab.1 Statistics of the number of towers on various terrains

1.2 线路走廊雷电活动情况统计

线路雷电活动情况可通过雷电定位系统获得的地闪密度数据表示，地闪密度越高，处于该区域线路的雷击风险也越高。由于配电线路防雷能力普遍较弱，且70%以上的雷击跳闸事故是由于雷电感应过电压引起的［13］，因此需要根据感应雷对线路的影响范围来确定地闪密度图绘制半径。根据仿真计算，当雷电流幅值为30 kA（湖北地区雷电流幅值平均值）时，未安装防雷措施的配电线路发生雷电感应跳闸的距离约为200 m（雷击点与导线之间距离大于此距离时线路不发生闪络跳闸），因此，绘制地闪密度时走廊半径取200 m（总宽度为400 m）。结合国家标准《GB/T 40621-2021 地闪密度分布图绘制方法》［14］给出的地闪密度分级标准，得到戴岭线2016—2021年的地闪密度分布如图2所示。

图2 2016—2021年地闪密度分布Fig.2 Distribution of flash densities in 2016—2021

对戴岭线各风险等级杆塔数量与占比情况进行统计，结果如表2所示。

表2 各风险等级杆塔数量及占比Tab.2 Numbers and proportions of towers at all risk levels

其中风险等级为A 级的称为少雷区，处于B 级的称为中雷区，处于C 级的称为多雷区，处于D 级与E 级的称为强雷区。由表2 可知，戴岭线处于少雷区的杆塔仅占1%；处于中雷区的杆塔仅占2.9%；处于多雷区的杆塔占比为77.18%；处于强雷区的杆塔占比为18.89%。可见戴岭线整体雷击风险较高，绝大多数杆塔处于多雷区或强雷区。

2 配电线路防雷方法

2.1 配电线路常见防雷措施

本文选取较为常见的避雷线、避雷器和增强绝缘3 种措施，对其防护效果进行分析，下面逐一介绍各改造措施型号及基本参数。

2.1.1 避雷器

避雷器型号为HY5WS-17/50，标称放电电流为5 kA，伏安特性曲线如图3所示［15］。

图3 避雷器伏安特性Fig.3 V-A characteristics of the arrester

2.1.2 避雷线

避雷线型号与基本信息如表3所示。

表3 避雷线主要技术参数Tab.3 Main technical parameters of the lightning line

2.1.3 增强绝缘

增强绝缘的方式为更换绝缘子，线路中原始绝缘子型号为P-10，更换的绝缘子型号有P-15 和XP-70两种，其冲击放电电压参数如表4所示［16-17］。

表4 绝缘子冲击放电电压Tab.4 Impulse discharge voltage of insulator

汇总上述防雷措施价格信息如表5所示［16］。

表5 各防雷改造措施价格信息Tab.5 Basic information of lightning protection reform measures

对于上述防雷装置单独作用的效果评估已有大量研究结果，但对于多防雷装置组合搭配使用的效果评估较少，本文将对上述防雷措施组合使用时的防雷效果与经济性进行研究。

2.2 配电线路防雷改造原则

在进行配电线路防雷改造时，出于经济性考虑，需要优先选取线路中雷害风险较高的线路段，根据运行经验与已采集到的线路信息，确定影响线路雷害风险的主要因素有3 个：走廊地形情况、雷电活动情况以及防雷配置情况，下面分别对各因素的影响情况及筛选原则进行分析。

2.2.1 走廊地形条件

走廊地形条件主要分为平原空旷带与山区丘陵地带两种，其中处于山区丘陵地带的线路受地质条件与环境影响，往往具有较高的接地电阻，同时雷击线路附近时，具有坡度的地面会使雷电流产生的电场发生畸变，从而在导线上产生更高的雷电感应过电压引起跳闸，因此山区丘陵地带的雷害风险最高［18］，当线路中同时存在两种典型地形时，应优先选取处于山区丘陵带的线路进行改造。

2.2.2 雷电活动情况

根据雷电定位系统采集的地闪密度信息，将线路雷地闪密度进行分级，应优先选取高地闪密度的线路段进行改造，以戴岭线的地闪密度的统计结果为例，应优先选取处于强雷区的线路进行改造。

2.2.3 防雷配置情况

配电线路普遍存在防雷配置较差的问题，大部分线路未安装避雷器或其他防雷装置，因此可根据防雷配置情况筛选掉部分已进行改造过的线路，优先选取防雷配置较差的线路进行改造。

结合以上3 个原则，对戴岭线改造杆塔进行筛选，结果如表6所示。

表6 待改造杆塔筛选结果Tab.6 Screening results of the tower to be renovated

表6中的所有杆塔均未安装防雷装置，共有299基杆塔需要改造，占戴岭线杆塔总数的43.46%，本文将针对表6中杆塔进行差异化防雷改造。

3 差异化防雷策略及综合评估

3.1 防雷策略评估模型

差异化防雷策略评估需要结合各方案的防雷效果（雷击跳闸率）以及改造费用两方面数据进行，后者可通过市场调研获得，而前者则只能通过对实际线路的大量建模仿真获取。因此下面将首先介绍雷击过电压计算模型、雷击特性联合仿真计算模型的建模过程，最终引出本文的防雷策略评估模型。

3.1.1 配电线路雷击过电压计算模型

根据戴岭线参数，在ATP-EMTP中分别建立配电线路直击雷过电压与雷电感应过电压计算模型。

直击雷计算模型中线路采用JMARTI 模型模拟，档距取戴岭线的平均档距40 m，导线型号为LGJ-95。雷电流模型采用Heilder 模型［19-20］，根据我国防雷设计标准，雷电流波形参数设置为2.6/50 μs，雷电流回击速度为1.5×108m/s，雷电通道波阻抗取400 Ω。杆塔采用分段波阻抗模型，波阻抗取125 Ω［21-22］。绝缘子采用压控开关进行模拟；雷电感应过电压通过搭建自定义元件模型进行计算［23-25］。直击雷与感应雷过电压计算模型分别如图4—5所示。

图4 直击雷过电压计算模型（间隔装设避雷器）Fig.4 Calculation model of direct lightning overvoltage（installing arresters at intervals ）

图5 雷电感应过电压计算模型（未安装避雷器）Fig.5 Calculation model of lightning induced overvoltage（without arrester ）

3.1.2 雷击特性联合仿真计算模型

采用3.1.1 节中搭建的仿真模型进行防雷计算时，需要根据实际可能出现的雷击情况，修改模型中对应的节点信息与仿真参数，以测得不同雷击点的雷击特性。在面对实际线路的大量杆塔时，上述操作过程将大量重复，因此本文提出了一种基于MATLAB 与ATP-EMTP 联合仿真的计算方法，可实现输电线路雷击特性批量计算，减小人工计算所需的工作量，并进一步通过MATLAB 中编写的跳闸率计算结果，计算线路中各杆塔的雷击跳闸率。整体计算流程如图6所示。

图6 雷击特性联合仿真计算流程Fig.6 Joint simulation calculation process of lightning characteristics

由图6 可知，雷击特性联合仿真计算主要分为以下3个步骤。

1）对线路运行情况进行统计，得到各杆塔、档距参数以及防雷配置信息；

2）在ATP-EMTP中搭建完整的雷击特性仿真计算模型，并将基本参数、节点信息以及仿真判据在MATLAB中进行设置，进行循环求解；

3）输出各节点的耐雷水平计算过程变量以及计算结果。

采用以上计算方法，即使在面对长线路时，仅需根据各杆塔以及档距的运行情况搭建出仿真计算模型，设置并导出节点信息至MATLAB程序中，即可完成全线的雷击特性计算，结合雷电定位系统采集的线路地闪密度信息，在MATLAB中编制雷击跳闸率计算程序进行计算（计算公式参考文献［19］），即可获取评估防雷策略所需的雷击跳闸率数据。

3.1.3 评估模型

在相同地闪密度条件下，该防雷策略应用后的跳闸率下降值越大表明防雷能力越强，改造费用越低表明经济性越好［26］，由此构建性价比K的计算公式如式（1）所示（为便于比较，此处雷击跳闸率的计算条件中地闪密度取值为1次/（km2·a））。

式中：A0为改造前雷击跳闸率，次/（100 km·a）；A1为改造后雷击跳闸率，次/（100 km·a）；B1为改造费用，万元。K值越高表明该差异化防雷策略的经济性越好，反之亦然。由于不同线路走廊的雷电活动情况不同，因此在实际线路改造时需要根据实际地闪密度Ng与允许跳闸率P进行方案筛选，排除改造效果不满足运行要求的策略，计算方法如式（2）所示。

式中：P为允许跳闸率，通常取湖北省10 kV 配电线路雷击跳闸率平均值，单位：次/（100 km·a）；Ng为地闪密度，次/（km2·a）。

综上所述，评估流程为首先通过式（1）对各差异化防雷策略进行经济性评估，再通过式（2）对各策略进行技术性筛选，淘汰部分不符合运行要求的策略，即可得出最佳防雷策略。

3.2 防雷策略分析

戴岭线平均档距为40 m，每千米25 基杆塔，对两种地形条件下线路加装避雷器、绝缘子、避雷线3 种措施相互组合的共24 种防雷策略（包含原始线路）进行分析，其中避雷器的安装方式有逐基逐杆、间隔一杆、间隔两杆、不安装，共4 种；绝缘子安装方式有全线更换为XP-70 绝缘子（2 片）、P-15 绝缘子、不更换，共3 种；避雷线安装方式有全线架设、不架设，共2 种。计算结果如表7 所示，表中改造效果为改造后单位地闪密度下的线路雷击跳闸率（次/（100 km·a）），对应式（1）中A1；改造花费为每千米线路改造价格（万元），对应式（1）中B1。

以上防雷策略中19号为原始线路，未进行改造，对应式（1）中的A0。对比两种地形下跳闸率计算结果可知，山区线路雷击跳闸率比平原地区高出43%。

1—6号防雷策略改造效果近似，主要是因为全线安装避雷器时，避雷器能有效钳制雷击发生时绝缘子两端电压，从而抑制闪络现象的发生，因此在逐基逐杆安装避雷器的条件下，再对绝缘子进行改造的效果并不显著，在选取方案时应当首先排除2、3、5、6号。

上述防雷策略中，经济性最好的为21 号，改造措施为将P-10 绝缘子更换为2 支XP-70 绝缘子，改造价格为每公里0.25 万元，在单位地闪密度条件下，雷击跳闸率为2.64 次/（100 km·a），略高于湖北省近年10 kV 配电线路平均跳闸率2.24 次/100 km·a，但在高地闪密度地区如多雷区（地闪密度为2.78 次/（km2·a））条件下，跳闸率将升至7.34 次/（100 km·a），远高于湖北省平均水平，难以保障线路运行的安全可靠性。

防雷效果最好的策略为4 号，逐基逐杆装设避雷器并配置避雷线能有效降低雷电感应对线路造成的损坏，在地闪密度为1 次/（km2·a）条件下，雷击跳闸率仅为0.08 次/100 km·a，即使处于强雷区（地闪密度为15.5 次/（km2·a））条件下，其雷击跳闸率也仅为1.28 次/100（km·a），仍低于湖北省平均水平，且远低于单独使用避雷器或避雷线的雷击跳闸率（方案1 与方案22），但缺点在于该方案经济花费较高，每公里改造价格为1.8万元。

相比于效果最佳的4 号与经济性最佳的21 号，处于中间层级的防雷策略能更好的兼容防雷效果与改造花费两个指标，如策略12与策略18，分别为间隔1杆与间隔2杆安装避雷器并全线装设避雷线，改造价格分别为1.38与1.098万元，改造后跳闸率分别为0.27 与0.31 次/100 km·a，在高地闪密度地区如强雷区（地闪密度为7.98 次/（km2·a））条件下，跳闸率将分别升至2.17 与2.44 次/（100 km·a），接近湖北省平均水平，因此上述两个策略同样具备较高的使用价值。

综合分析表7 中各方案可知，最具性价比的策略在改造效果上存在上限，无法在高地闪密度条件下保障线路运行的安全可靠性；改造效果最好的策略其经济性较差，能有效保护线路但需要较高的经济投入；处于中间层级的防雷策略则兼顾了改造效果与改造花费两个指标，更适用于中高风险地区线路。在进行具体线路的防雷改造时，需要结合实际需求进行选择。

3.3 典型线路防雷策略应用实例

采用4.1 节建立的评估模型对3.2 节中确定的改造对象进行10 kV 配电线路防雷策略应用示例，结果如表8中所示。

表8 戴岭线高风险线路段防雷改造结果Tab.8 Lightning protection reconstruction results of high risk line section of Dailing line

戴岭线高风险线路段共涉及22 条支线，其中山区线路占14 条，防雷改造目标均为使雷击跳闸率不超过湖北省平均水平的50%（3.35 次/（100 km·a））。

通过对不同线路段的防雷改造方案筛选结果可知，主要采用的改造方案有4 号、12 号以及18 号，其中4 号方案主要用于山区线路或雷电活动极其频繁的平原线路，12 号与18 号方案适用于情况稍为缓和其他高风险线路段。

根据表8 计算结果可知，戴岭线未进行防雷改造时的雷击跳闸次数为14.652 次/a（由于篇幅原因，本文仅展示了高风险线路段详细计算结果，实际则根据4.1 提出的评估模型对全线雷击跳闸情况进行了计算），高风险线路段的雷击跳闸次数为9.039 次/a；改造后戴岭线全线的雷击跳闸次数下降至5.9 次/a，降幅约为60%，戴岭线高风险线路段全线的雷击跳闸次数下降至0.29 次/年，降幅约为97%。

以上为结合表7 中各防雷改造方案对戴岭线进行的差异化防雷策略应用示例，可见，在相同改造目标下，不同运行条件对最终的方案选择会造成一定影响，而本文提出的模型能较好地筛选出适用于不同运行条件下的最佳防雷改造方案，实现架空配电线路的差异化防雷。

4 结论

本文对10 kV 配电线路防雷差异化防雷策略进行了研究，提出了基于MATLAB 与ATP-EMTP 联合仿真的雷击特性联合仿真计算方法，并搭建了配电线路差异化防雷策略经济性评估模型，对目前常见的防雷措施在混合搭配使用条件下的防雷效果、经济性进行了综合分析，并对实际10 kV 配电线路进行了防雷策略应用示例，得出主要结论如下。

1）10 kV 配电线路网架结构复杂，同一线路不同线路段的运行条件差异显著，因此在进行防雷改造时应优先选取处于山区、高地闪密度（多雷区、强雷区）条件下且未安装防雷装置的线路。

2）在已考虑的防雷措施中，最具性价比的防雷策略为全线加强绝缘，将原始绝缘子更换为绝缘能力更强的2片XP-70绝缘子能使跳闸率下降68.4%，但缺点在于改造效果有上限，仅适用于雷电活动较弱的线路，在高地闪密度条件下，线路仍有较高的雷击跳闸风险。

3）防雷效果最好的策略为逐基逐杆安装避雷器与避雷线，在平原地区能使线路雷击跳闸率下降99%，因此即使线路处于强雷区，其雷击跳闸率也能下降至可接受范围，推荐在风险最高的支线或具备特殊保供电需求的支线使用。