10kV配电工程线路防雷水平及提高方法研究

国网浙江杭州市余杭区供电公司 周勃志

雷电是一种常见的自然现象，具有突发性、不可控性，雷电放电可产生数百万伏的电压，电流瞬间高达数十万安培，一旦线路遭受雷击，将会造成较大破坏。随着社会的不断发展和人们对电力需求的增长，10kV 配电工程线路在电力供应中扮演着至关重要的角色，10kV 的配电线路规模大，是配电网中重要的组成部分，也是雷击故障率较高的电网。

然而，雷电作为一种强大而不可预测的自然现象，给高压配电线路带来了严重的威胁，据统计，配电网的雷害事故约占整个电力系统全部雷害事故的70%以上。近年来，国家已针对10kV 配电网投入大量资金提升耐雷水平，尽管已得到明显改善，但雷击跳闸事故率依然居高不下。雷电击中电力设施不仅可能造成设备的损坏和人员的伤亡，还会导致停电和电网的瘫痪，给社会和经济带来较大损失。

研究10kV 配电工程线路的防雷水平及提高方法，对于确保电网的安全稳定运行，保障人民生命财产安全具有重要意义。在实际工作中，应加强对规范和标准的了解，科学进行防雷设计，在实际设计工作中要防止雷击导线以及防止线路的中断，采取综合防雷措施，提高10kV 配电线路的稳定性。本文以某公司为例，对10kV 配电工程线路防雷水平及提高方法展开研究。

1 10kV 配电工程线路雷击事故特点分析

对于10kV 配电工程线路而言，线路上因雷击引起的过电压主要有两种方式，即直击雷电过电压和感应雷电过电压。

1.1 直击雷过电压形成机理

雷击杆塔顶部，对于安装避雷线的10kV 配电线路，雷电流会全部流向大地，安装避雷线的线路，会经避雷线分流后，一部分雷电流流向大地。线路耐雷水平数学表达式如式（1）所示：

式中，U50%=50%冲击放电电压，β 为杆塔分流系数；k 为配电线路中导线与避雷线之间的耦合系数；Ri为杆塔的冲击接地电阻；Lt为杆塔的等值电感，hc为导线和避雷线悬挂高度。由式（1）可知，绝缘子50%冲击放电电压值越高、耦合系数越大、分流系数越低，冲击接地电阻越小，线路耐雷水平越高。

1.2 感应雷过电压形成机理

先导通道在雷电放电初始时期向下发展，在静电感应作用下，电场强度分量将正电荷吸引到导线上形成束缚电荷，负电荷向导线两端移动，最终由中性点泄放到大地。当雷击点与线路距离大于65m时，感应过电压最大值数学表达式如式（2）所示：

式中：I 表示为雷电流幅值，kA；hav表示为导线平均高度，m；S 表示为雷击点与导线的距离，m。

2 10kV 配电工程线路常用防雷技术

防雷措施一般分为堵塞式和疏导式，堵塞式防雷措施旨在阻断雷电击中设备或线路，将雷电的冲击能量阻止在设备之外，从而保护设备免受雷电的影响。疏导式防雷措施是指将雷电引导到安全地区，远离设备和建筑物，从而减少对设备和建筑物的影响。其中，堵塞式防雷措施有安装避雷器、避雷线和增强线路绝缘等。疏导式防雷措施包括安装防弧金具、并联间隙等[1]。在实际应用中，综合采用堵塞式和疏导式防雷措施可提高防雷效果。不同的设备和场景可能需要不同的防雷措施组合，因此在设计防雷方案时，需要综合考虑特定情况下的雷电风险和需要保护的设备或建筑物。

2.1 绝缘导线

线路绝缘性不佳是导致10kV 配电线路防雷水平差的重要原因之一。通常，对于部分地区，架空线为了节约成本，通常选用裸导线，易发生绝缘子闪络，因此为了有效提升10kV 配电线路耐雷水平，首先应参考线路负荷分布后，将雷电重灾区域的导线更换为绝缘导线，并在绝缘子的负荷侧安装放电线夹。

2.2 安装防弧金具

防弧金具（也称为防弧板或电弧外壳）是一种用于安装在断路器、隔离开关或负荷开关等设备上的安全装置。其主要功能是在设备操作时，防止电弧对周围设备和人员造成伤害或损坏。安装防弧金具的目的是减少电弧的爆炸和能量释放，从而避免火灾和设备损坏。当断路器或开关操作时，可能会产生电弧，这是因为电流在断开或连接的瞬间没有完全中断。

电弧是一种高温、高能量的放电现象，如果不加控制，会对设备和周围环境造成严重的危害。防弧金具通常由可熔融断裂盖板和金属外壳组成。当电弧发生时，可熔融断裂盖板会在瞬间熔断，将电弧能量引导到金属外壳中，并将电弧囚禁在金属外壳内，从而阻止电弧扩散到周围空间[2]。这样，电弧的危害范围就被控制在金属外壳内部，保护了周围设备和人员的安全。

2.3 安装线路避雷器

对于10kV 配电线路，通过选用串联间隙金属氧化物型避雷器，具体为穿刺型、环电极型、固定间隙型等。在避雷器选型中，应注意以下两点：一是避雷器额定电压与10kV 配电线路的额定电压相匹配；二是避雷器应该具有快速的动作特性，能够在雷电击中时迅速引导雷电流入地，以减少对线路设备的冲击。

当前，氧化锌避雷器得到了广泛应用，当电压值处于正常状态时，斜率接近于无穷大；反之，当电压值超过某一临界值时，斜率趋近于零，氧化锌避雷器电压电流数学表达式如式（3）所示：

式中：p 和q 为常数；uref表示为避雷器的参考电压，kV。

以氧化锌避雷器为例，计算过程中氧化锌避雷器MOV 采用分段线性函数模型进行模拟，其最大标称电流不超过5kA。通常，对于雷击严重线路段采用10kV串联间隙金属氧化物避雷器作为防雷措施的线路段，建议全线逐级逐相安装10kV 串联间隙金属氧化物避雷器。并且无须对每级杆塔设置接地，条件允许的话可在末端设置直接接地。对于易击点安装避雷器，可在相邻一级或两级同时安装10kV 串联间隙金属氧化物避雷器，条件允许的话可在两端设置直接接地[3]。

2.4 降低杆塔的接地电阻

配电线路的耐雷水平与杆塔接地电阻有关系。在工程中常采用固定值来简化计算。杆塔接地电阻的数学表达式为：R=0.1ρ，式中ρ 为土壤电阻率。降低杆塔接地电阻具有有效的防雷击效果。当雷电击中避雷线或杆塔，一旦接地电阻过大，或导致杆塔电位急剧上升，因此要对杆塔接地电阻进行控制。

接地电极长度是影响接地电阻值的重要因素，接地电极长度（m）/接地电极电阻（Ω）对应关系如下：15/81.9、45/26.9、65/19.6、145/9.4、245/5.9。由此可知，电极长度越长，接地电阻值越低，当接地电极长度为145m 时，接地电阻为9.4Ω，但在实际施工过程中，要结合施工环境、地形特点、施工成本合理设置电极长度。一般而言，接地电阻对感应雷跳闸率影响较小，对直击雷跳闸率影响较大。通过对比避雷线、避雷器两种不同防雷措施下，直接类跳闸率整体均随接地电阻的增大而增加，具体见图1所示。

图1 直击雷跳闸率随接地电阻的变化

由图1可知，在安装避雷线和避雷器两种防雷措施下，直击雷跳闸率均随着接地电阻值的增大而加大，并逐步趋于稳定，相比于避雷线，安装避雷器接地电阻值相对较小，当电阻值从5Ω 增加至30Ω时，避雷线和避雷器对应的跳闸率增大了35.3%和13.7%；当接地电阻值小于20Ω 时，安装避雷线跳闸率低于避雷器，而当接地电阻值高于20Ω 时，安装避雷器直击雷跳闸率更小。

3 工程运用

本文以A 地区某10kV 架空配电线路为例，对其进行综合防雷改造，并结合线路运行数据对实际防雷效果进行科学评估。该线路所有杆塔雷害风险见表1。

表1 线路雷害风险评估结果

3.1 工程概况

通过实地调研，该地区线路导线采用JLGIA-150-20型导线，柱式绝缘子，杆塔附近树木较多，大部分杆塔位于山坡、山谷地形，由于地形会对10kV配电线路耐雷水平有着重要影响，而且树木也会影响线路感应雷过电压，因此在对配电工程线路防雷改造方面，结合实际地形、周边环境采取综合防雷措施。

3.2 技术方案

结合工程实际，考虑地形条件实际状况，综合考虑经济性和防雷有效性，对该地区配电工程线路防雷改造，对线路加装线路避雷器（型号：HY5WS-17/50），安装避雷器的杆塔要做好人工接地装置。对每隔3～4基杆塔（200m～260m）建设人工接地装置，余下杆塔可自然接地，与此同时，对人工接地装置要做好降阻，保证杆塔接地电阻值不能过高，施工中，利用石墨接地装置来辅助降阻，控制接地电阻值不高于25Ω。

3.3 线路运行数据评价分析

对比改造前（2018—2021年）与改造后（2022年）线路雷击跳闸数据，统一选取6～9月的数据进行对比分析，具体数据见表2。可以看出，改造后线路跳闸率显著下降，表明该线路防雷效果显著。

表2 10kV 配电工程线路改造前后雷击跳闸数据对比分析

由上述可知，A 线路于2023年5月整治完投运后，历经一个雷雨季的运行，线路可靠性显著提升，雷击故障跳闸数据有了较大的改善，可认为该方案技术可行，能够达到较好的防雷水平。

4 结论与展望

4.1 结论

雷电直接威胁了电网运行的安全性，在实际工程中，以往运行的配电工程线路防雷水平不高，难以满足某些地区的防雷要求，因此提高配电线路防雷水平较为关键。本文对10kV 配电工程线路的防雷水平及提高方法进行了深入研究，讨论了10kV配电工程线路常用防雷技术措施，并结合实际工程案例探讨了防雷效果的有效性，经改造后雷击跳闸数据得到明显改善，线路耐雷击水平提高，线路可靠性得到明显提升。

4.2 展望

为了进一步提升10kV 配电工程线路防雷水平，探讨有效的防雷措施，后续的研究工作可从以下几方面开展。

雷击具有随机性和不可预见性，从经济方面考虑，要事先做好防雷评估，可采用蒙特卡罗法评估配电线路感应雷过电压防护水平。在实际工程中，应综合考虑线路承受雷电过电压类别，做好防雷水平的评估；为进一步研究配电线路的感应雷电电压响应特性以及避雷线、避雷器等雷电防护措施的作用机制和规律，应做好综合试验验证，提出科学的试验方案，例如可采取人工引雷等方法。

随着科学技术的不断进步，新的防雷技术和设备不断涌现。未来可以考虑采用更先进的雷电监测与预警系统、新型避雷器等，提高线路的防雷水平；10kV 配电工程线路的防雷工作是一项重要的任务，需要不断加强研究和改进。通过引入新技术、完善标准、优化设计和增强防雷意识，来进一步提高线路的防雷水平，确保电网的安全稳定运行。