10kV配電工程線路防雷水平及提高方法研究

國網浙江杭州市余杭區供電公司 周勃志

雷電是一種常見的自然現象，具有突發性、不可控性，雷電放電可產生數百萬伏的電壓，電流瞬間高達數十萬安培，一旦線路遭受雷擊，將會造成較大破壞。隨著社會的不斷發展和人們對電力需求的增長，10kV 配電工程線路在電力供應中扮演著至關重要的角色，10kV 的配電線路規模大，是配電網中重要的組成部分，也是雷擊故障率較高的電網。

然而，雷電作為一種強大而不可預測的自然現象，給高壓配電線路帶來了嚴重的威脅，據統計，配電網的雷害事故約占整個電力系統全部雷害事故的70%以上。近年來，國家已針對10kV 配電網投入大量資金提升耐雷水平，盡管已得到明顯改善，但雷擊跳閘事故率依然居高不下。雷電擊中電力設施不僅可能造成設備的損壞和人員的傷亡，還會導致停電和電網的癱瘓，給社會和經濟帶來較大損失。

研究10kV 配電工程線路的防雷水平及提高方法，對于確保電網的安全穩定運行，保障人民生命財產安全具有重要意義。在實際工作中，應加強對規范和標準的了解，科學進行防雷設計，在實際設計工作中要防止雷擊導線以及防止線路的中斷，采取綜合防雷措施，提高10kV 配電線路的穩定性。本文以某公司為例，對10kV 配電工程線路防雷水平及提高方法展開研究。

1 10kV 配電工程線路雷擊事故特點分析

對于10kV 配電工程線路而言，線路上因雷擊引起的過電壓主要有兩種方式，即直擊雷電過電壓和感應雷電過電壓。

1.1 直擊雷過電壓形成機理

雷擊桿塔頂部，對于安裝避雷線的10kV 配電線路，雷電流會全部流向大地，安裝避雷線的線路，會經避雷線分流后，一部分雷電流流向大地。線路耐雷水平數學表達式如式（1）所示：

式中，U50%=50%沖擊放電電壓，β 為桿塔分流系數；k 為配電線路中導線與避雷線之間的耦合系數；Ri為桿塔的沖擊接地電阻；Lt為桿塔的等值電感，hc為導線和避雷線懸掛高度。由式（1）可知，絕緣子50%沖擊放電電壓值越高、耦合系數越大、分流系數越低，沖擊接地電阻越小，線路耐雷水平越高。

1.2 感應雷過電壓形成機理

先導通道在雷電放電初始時期向下發展，在靜電感應作用下，電場強度分量將正電荷吸引到導線上形成束縛電荷，負電荷向導線兩端移動，最終由中性點泄放到大地。當雷擊點與線路距離大于65m時，感應過電壓最大值數學表達式如式（2）所示：

式中：I 表示為雷電流幅值，kA；hav表示為導線平均高度，m；S 表示為雷擊點與導線的距離，m。

2 10kV 配電工程線路常用防雷技術

防雷措施一般分為堵塞式和疏導式，堵塞式防雷措施旨在阻斷雷電擊中設備或線路，將雷電的沖擊能量阻止在設備之外，從而保護設備免受雷電的影響。疏導式防雷措施是指將雷電引導到安全地區，遠離設備和建筑物，從而減少對設備和建筑物的影響。其中，堵塞式防雷措施有安裝避雷器、避雷線和增強線路絕緣等。疏導式防雷措施包括安裝防弧金具、并聯間隙等[1]。在實際應用中，綜合采用堵塞式和疏導式防雷措施可提高防雷效果。不同的設備和場景可能需要不同的防雷措施組合，因此在設計防雷方案時，需要綜合考慮特定情況下的雷電風險和需要保護的設備或建筑物。

2.1 絕緣導線

線路絕緣性不佳是導致10kV 配電線路防雷水平差的重要原因之一。通常，對于部分地區，架空線為了節約成本，通常選用裸導線，易發生絕緣子閃絡，因此為了有效提升10kV 配電線路耐雷水平，首先應參考線路負荷分布后，將雷電重災區域的導線更換為絕緣導線，并在絕緣子的負荷側安裝放電線夾。

2.2 安裝防弧金具

防弧金具（也稱為防弧板或電弧外殼）是一種用于安裝在斷路器、隔離開關或負荷開關等設備上的安全裝置。其主要功能是在設備操作時，防止電弧對周圍設備和人員造成傷害或損壞。安裝防弧金具的目的是減少電弧的爆炸和能量釋放，從而避免火災和設備損壞。當斷路器或開關操作時，可能會產生電弧，這是因為電流在斷開或連接的瞬間沒有完全中斷。

電弧是一種高溫、高能量的放電現象，如果不加控制，會對設備和周圍環境造成嚴重的危害。防弧金具通常由可熔融斷裂蓋板和金屬外殼組成。當電弧發生時，可熔融斷裂蓋板會在瞬間熔斷，將電弧能量引導到金屬外殼中，并將電弧囚禁在金屬外殼內，從而阻止電弧擴散到周圍空間[2]。這樣，電弧的危害范圍就被控制在金屬外殼內部，保護了周圍設備和人員的安全。

2.3 安裝線路避雷器

對于10kV 配電線路，通過選用串聯間隙金屬氧化物型避雷器，具體為穿刺型、環電極型、固定間隙型等。在避雷器選型中，應注意以下兩點：一是避雷器額定電壓與10kV 配電線路的額定電壓相匹配；二是避雷器應該具有快速的動作特性，能夠在雷電擊中時迅速引導雷電流入地，以減少對線路設備的沖擊。

當前，氧化鋅避雷器得到了廣泛應用，當電壓值處于正常狀態時，斜率接近于無窮大；反之，當電壓值超過某一臨界值時，斜率趨近于零，氧化鋅避雷器電壓電流數學表達式如式（3）所示：

式中：p 和q 為常數；uref表示為避雷器的參考電壓，kV。

以氧化鋅避雷器為例，計算過程中氧化鋅避雷器MOV 采用分段線性函數模型進行模擬，其最大標稱電流不超過5kA。通常，對于雷擊嚴重線路段采用10kV串聯間隙金屬氧化物避雷器作為防雷措施的線路段，建議全線逐級逐相安裝10kV 串聯間隙金屬氧化物避雷器。并且無須對每級桿塔設置接地，條件允許的話可在末端設置直接接地。對于易擊點安裝避雷器，可在相鄰一級或兩級同時安裝10kV 串聯間隙金屬氧化物避雷器，條件允許的話可在兩端設置直接接地[3]。

2.4 降低桿塔的接地電阻

配電線路的耐雷水平與桿塔接地電阻有關系。在工程中常采用固定值來簡化計算。桿塔接地電阻的數學表達式為：R=0.1ρ，式中ρ 為土壤電阻率。降低桿塔接地電阻具有有效的防雷擊效果。當雷電擊中避雷線或桿塔，一旦接地電阻過大，或導致桿塔電位急劇上升，因此要對桿塔接地電阻進行控制。

接地電極長度是影響接地電阻值的重要因素，接地電極長度（m）/接地電極電阻（Ω）對應關系如下：15/81.9、45/26.9、65/19.6、145/9.4、245/5.9。由此可知，電極長度越長，接地電阻值越低，當接地電極長度為145m 時，接地電阻為9.4Ω，但在實際施工過程中，要結合施工環境、地形特點、施工成本合理設置電極長度。一般而言，接地電阻對感應雷跳閘率影響較小，對直擊雷跳閘率影響較大。通過對比避雷線、避雷器兩種不同防雷措施下，直接類跳閘率整體均隨接地電阻的增大而增加，具體見圖1所示。

圖1 直擊雷跳閘率隨接地電阻的變化

由圖1可知，在安裝避雷線和避雷器兩種防雷措施下，直擊雷跳閘率均隨著接地電阻值的增大而加大，并逐步趨于穩定，相比于避雷線，安裝避雷器接地電阻值相對較小，當電阻值從5Ω 增加至30Ω時，避雷線和避雷器對應的跳閘率增大了35.3%和13.7%；當接地電阻值小于20Ω 時，安裝避雷線跳閘率低于避雷器，而當接地電阻值高于20Ω 時，安裝避雷器直擊雷跳閘率更小。

3 工程運用

本文以A 地區某10kV 架空配電線路為例，對其進行綜合防雷改造，并結合線路運行數據對實際防雷效果進行科學評估。該線路所有桿塔雷害風險見表1。

表1 線路雷害風險評估結果

3.1 工程概況

通過實地調研，該地區線路導線采用JLGIA-150-20型導線，柱式絕緣子，桿塔附近樹木較多，大部分桿塔位于山坡、山谷地形，由于地形會對10kV配電線路耐雷水平有著重要影響，而且樹木也會影響線路感應雷過電壓，因此在對配電工程線路防雷改造方面，結合實際地形、周邊環境采取綜合防雷措施。

3.2 技術方案

結合工程實際，考慮地形條件實際狀況，綜合考慮經濟性和防雷有效性，對該地區配電工程線路防雷改造，對線路加裝線路避雷器（型號：HY5WS-17/50），安裝避雷器的桿塔要做好人工接地裝置。對每隔3～4基桿塔（200m～260m）建設人工接地裝置，余下桿塔可自然接地，與此同時，對人工接地裝置要做好降阻，保證桿塔接地電阻值不能過高，施工中，利用石墨接地裝置來輔助降阻，控制接地電阻值不高于25Ω。

3.3 線路運行數據評價分析

對比改造前（2018—2021年）與改造后（2022年）線路雷擊跳閘數據，統一選取6～9月的數據進行對比分析，具體數據見表2?？梢钥闯?，改造后線路跳閘率顯著下降，表明該線路防雷效果顯著。

表2 10kV 配電工程線路改造前后雷擊跳閘數據對比分析

由上述可知，A 線路于2023年5月整治完投運后，歷經一個雷雨季的運行，線路可靠性顯著提升，雷擊故障跳閘數據有了較大的改善，可認為該方案技術可行，能夠達到較好的防雷水平。

4 結論與展望

4.1 結論

雷電直接威脅了電網運行的安全性，在實際工程中，以往運行的配電工程線路防雷水平不高，難以滿足某些地區的防雷要求，因此提高配電線路防雷水平較為關鍵。本文對10kV 配電工程線路的防雷水平及提高方法進行了深入研究，討論了10kV配電工程線路常用防雷技術措施，并結合實際工程案例探討了防雷效果的有效性，經改造后雷擊跳閘數據得到明顯改善，線路耐雷擊水平提高，線路可靠性得到明顯提升。

4.2 展望

為了進一步提升10kV 配電工程線路防雷水平，探討有效的防雷措施，后續的研究工作可從以下幾方面開展。

雷擊具有隨機性和不可預見性，從經濟方面考慮，要事先做好防雷評估，可采用蒙特卡羅法評估配電線路感應雷過電壓防護水平。在實際工程中，應綜合考慮線路承受雷電過電壓類別，做好防雷水平的評估；為進一步研究配電線路的感應雷電電壓響應特性以及避雷線、避雷器等雷電防護措施的作用機制和規律，應做好綜合試驗驗證，提出科學的試驗方案，例如可采取人工引雷等方法。

隨著科學技術的不斷進步，新的防雷技術和設備不斷涌現。未來可以考慮采用更先進的雷電監測與預警系統、新型避雷器等，提高線路的防雷水平；10kV 配電工程線路的防雷工作是一項重要的任務，需要不斷加強研究和改進。通過引入新技術、完善標準、優化設計和增強防雷意識，來進一步提高線路的防雷水平，確保電網的安全穩定運行。