10 kV 架空絕緣線路雷擊典型事故分析及應(yīng)對策略建議

彭 濤，卜 凱，任 磊

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司益陽供電分公司，湖南 益陽 413000；3.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南 長沙 410007）

隨著“雙碳”目標的提出以及新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力在全社會的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活中的作用越來越重要。與此同時，人們對供電可靠性提出了更高的要求。作為連接輸電和用電的重要環(huán)節(jié)，10 kV 配電網(wǎng)的供電可靠性對于提升供電質(zhì)量和用電質(zhì)量的作用也日益重要。雷擊是引起10 kV 線路跳閘的重要原因之一。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，雷擊跳閘在所有跳閘事故中所占比例為60%～70%[1]。

湖南電力十分重視防范雷電對電力系統(tǒng)安全的影響，在很早的時候已經(jīng)開展雷電及其對輸電網(wǎng)的影響研究，并開展監(jiān)測和主動預(yù)警工作。目前配網(wǎng)的設(shè)備狀況、技術(shù)水平等方面與輸電網(wǎng)之間均存在著較大差距，配電架空線路絕緣水平較低，且一般無特別的防雷措施。隨著城市配電網(wǎng)的發(fā)展，配電線路的長度和密度不斷增加，且架空線路的比例較高，一旦發(fā)生雷擊，可能引起架空線路斷線和絕緣子閃絡(luò)，引發(fā)故障停電，嚴重影響配電的供電可靠性。因此，針對配網(wǎng)架空絕緣線路運行薄弱環(huán)節(jié)進行針對性防雷研究具有極其重要的意義和價值。本文結(jié)合一起具體的10 kV架空絕緣線雷擊斷線事故進行分析，并給出配電網(wǎng)架空線路防雷方面的優(yōu)化舉措。

1 湖南地區(qū)雷電情況

1.1 雷電定位監(jiān)測

湖南省閃電定位監(jiān)測工作開展得較早，并取得了良好的成效。早在2007 年，湖南省已經(jīng)在長沙等城市部署10 套ADTD 閃電定位儀，此外還建有多部多普勒雷達和氣象自動站，結(jié)合大氣電廠儀，基本形成了較為完備的雷電監(jiān)測體系。根據(jù)雷達回波影響和衛(wèi)星氣象云圖動態(tài)發(fā)展趨勢，可以有效地分析監(jiān)測和預(yù)警雷電災(zāi)害，為全省重要生產(chǎn)部門提供雷電災(zāi)害防控數(shù)據(jù)服務(wù)[2-3]。

1.2 雷電災(zāi)害特征分析

根據(jù)已有文獻分析，湖南省雷電活動呈現(xiàn)出以下特征[4]：①時間性。雷電主要發(fā)生在每日的13：00—16：00 之間，需要在雷電高發(fā)季加強對重點時段的雷擊災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)防。②季節(jié)性。湖南省每年夏季6—8月為雷電活動高發(fā)季節(jié)，雷擊較為頻繁，其次為春季和秋季，冬季雷電活動較弱。因此，除了雷電高發(fā)的夏季，春秋兩季的雷擊災(zāi)害防范工作也不容忽視。③區(qū)域性。雷電主要發(fā)生在懷化、邵陽、常德等地區(qū)，區(qū)域特征較為明顯，需要加強對相關(guān)地區(qū)的雷擊災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)防。

2 架空線路雷擊跳閘斷線機理分析

2.1 雷擊引發(fā)架空線路過電影響分析

根據(jù)已有研究結(jié)果和實際現(xiàn)場觀測分析[5-6]，雷電具有極高的對地電壓和電流，通常分別可達數(shù)百千伏和數(shù)百千安，一旦雷電直接擊中電氣線路或相關(guān)設(shè)備，將產(chǎn)生設(shè)備過電壓問題，造成極大的破壞性。城市建筑物通常有避雷裝置，雷電直擊配電網(wǎng)的概率較低，然而配電網(wǎng)架空線路缺少必要的屏障，一旦雷電直接或間接擊中，將不可避免地產(chǎn)生過電壓或感應(yīng)過電壓，從而引發(fā)線路跳閘。根據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果，在實際運行中，配網(wǎng)架空線路感應(yīng)雷過電壓引起的配網(wǎng)故障占比超過80%[7]。

2.2 雷擊引發(fā)架空線路斷線機理分析

雷擊除了引發(fā)架空線路跳閘外，可能引起絕緣子燃燒和導(dǎo)線短線。其相關(guān)機理為：當(dāng)雷擊引發(fā)的直擊過電壓和感應(yīng)過電壓后，由于架空線路絕緣十分薄弱，架空線路的絕緣層和絕緣子不可避免地被擊穿并引發(fā)閃絡(luò)，引發(fā)擊穿點燃燒；同時可引發(fā)相間電弧，產(chǎn)生較高溫度，通過引起電磁反作用力并結(jié)合導(dǎo)線自身張力，最終引發(fā)架空線產(chǎn)生路脆性或韌性斷線事故[8-18]。

3 典型雷擊事故分析

3.1 事故過程簡述

2021-08-07T15：00 左右，湖南省某110 kV 變電站的10 kV 線路出現(xiàn)#047/2 桿A 相線路斷線，靠負荷側(cè)導(dǎo)線跌落至高速公路上。經(jīng)路政部門反映，事故發(fā)生時當(dāng)?shù)赜忻黠@雷鳴聲。當(dāng)?shù)毓╇娝藛T于當(dāng)日15：30 確認斷線地點，在16：05 匯報調(diào)度并得到許可后，將該線#047 桿后段線路轉(zhuǎn)檢修，完成故障的隔離工作。由于故障處理及時和應(yīng)急響應(yīng)策略得當(dāng)，16：28 分高速公路恢復(fù)暢通，事故處置期間未造成高速擁堵。供電所人員于2021-08-08T08：30—09：00對高速進行封路，并開展線路復(fù)電搶修工作；09：02線路放線完畢，高速公路恢復(fù)暢通；10：05 該線路#047/2—#047/3 桿A 相斷線搶修竣工；供電所人員在10：09 匯報調(diào)度后，操作#047 桿斷路器全線恢復(fù)供電。

3.2 系統(tǒng)運行情況分析

根據(jù)調(diào)控系統(tǒng)單線圖，該110 kV 變電站為雙主變單母線分段帶旁母接線運行方式，母線下共帶16 回10 kV 線路，發(fā)生事故的線路為其中一條10 kV 線路，故障前電流為55.25 A。檢查該110 kV 變電站保護裝置動作情況，發(fā)生雷擊故障的10 kV 線路配置完整的電流三段保護、重合閘保護，無故障錄波裝置。結(jié)合現(xiàn)場實際檢查結(jié)果，發(fā)生故障的10 kV 線路所有保護均未動作。通過查詢雷電定位系統(tǒng)信息，系統(tǒng)顯示，2021-08-07T15：00 左右，發(fā)生故障的10 kV 配網(wǎng)架空線路斷線點附近（10 km 范圍內(nèi)）短時間內(nèi)落雷數(shù)高達18 個，落雷電流最大幅值高達-31.2 kA。

3.3 線路現(xiàn)場檢查情況

發(fā)現(xiàn)架空線路故障跳閘信息后，供電所相關(guān)人員立即前往現(xiàn)場勘察搶修。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該10 kV線#047/2 桿A 相瓷瓶炸裂，A 相導(dǎo)線（導(dǎo)線型號為JKLYJ-70/10）斷裂，經(jīng)現(xiàn)場仔細檢查后，發(fā)現(xiàn)炸裂瓷瓶有明顯放電痕跡，斷裂導(dǎo)線處有明顯針孔放電痕跡，導(dǎo)線斷裂現(xiàn)象呈現(xiàn)韌性斷裂狀態(tài)，屬于明顯的雷擊斷線特征，具體如圖1—圖3 所示。

圖1 #047/2 桿炸裂瓷瓶碎片

圖2 #047/2 桿C 相導(dǎo)線斷線點

圖3 #047/2 桿拆除斷線導(dǎo)線

3.4 事故過程反演

根據(jù)系統(tǒng)運行情況分析和現(xiàn)場勘察結(jié)果，基本上可以對本次引發(fā)的配網(wǎng)架空線路斷線事故的過程進行反演，相關(guān)結(jié)論如下：①該10 kV 線路#047/2 桿A 相瓷瓶遭受雷擊導(dǎo)致斷線，斷線后，#047/2—#047/3 桿側(cè)（用戶側(cè)導(dǎo)線）A 相掉落在高速上，#047/1—#047/2桿側(cè)（電源側(cè)導(dǎo)線）A 相導(dǎo)線懸掛在附近通信線上，導(dǎo)線斷口懸空；②雖然架空線路配備了相對齊全的保護裝置，但由于架空線路的斷口未直接接地，所屬110 kV 變電站10 kV I 母電壓正常，因此相關(guān)保護并未啟動，也無任何異常告警信號產(chǎn)生，導(dǎo)致此次配電網(wǎng)線路故障具有一定隱蔽性。

4 工作建議

4.1 配電網(wǎng)防雷建議

在實際配電網(wǎng)中，受限于配電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展水平，架空線路受雷擊產(chǎn)生雷擊過電壓引發(fā)的跳閘事故較多，對配電網(wǎng)的供電可靠性影響較大。因此，配網(wǎng)防雷應(yīng)首先對架空線路關(guān)鍵位置進行有針對性的感應(yīng)雷過電壓防護。本次事故就是典型的因雷擊感應(yīng)過電壓引起的10 kV 架空絕緣線路跨越高速公路段斷線，造成一定影響。為防止同類事件再次發(fā)生，建議針對10 kV 架空線路跨越公路、鐵路等關(guān)鍵位置的配電線路，其絕緣導(dǎo)線兩側(cè)均應(yīng)加裝能有效釋放雷電流的防雷裝置，防止絕緣導(dǎo)線遭受雷擊發(fā)生斷線事故。同時，建議針對歷史事故開展反演和總結(jié)分析，加強設(shè)備雷擊故障應(yīng)急策略的制定和應(yīng)急演練，因地制宜地制定差異化防雷策略和方法，進一步提升配網(wǎng)設(shè)備防雷工作的有效性。

4.2 電力數(shù)字化建議

加強雷電災(zāi)害系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，利用數(shù)字化和信息化手段打通相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能診斷和災(zāi)害搶修輔助決策。對雷電災(zāi)害高發(fā)區(qū)開展數(shù)字化建模，精確模擬易雷擊區(qū)域及地理信息特征，同時利用數(shù)據(jù)中臺將PMS 系統(tǒng)中的配電網(wǎng)運行管理模塊、GIS 模塊以及災(zāi)害系統(tǒng)信息相結(jié)合，收集氣象信息、雷電參數(shù)、雷擊地理位置、停電線路桿塔坐標等數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和停電場景自動化匹配，實現(xiàn)快速的雷電事故聯(lián)動。及時推送雷電故障預(yù)警，提示停電區(qū)域信息，輔助系統(tǒng)運行檢修人員快速導(dǎo)航前往事故發(fā)生地點，進一步提升故障診斷和搶修效率。建立數(shù)字化移動巡檢終端，加強防雷移動應(yīng)用的建設(shè)和推廣，快速進行雷擊現(xiàn)象的信息采集、填報和現(xiàn)場的巡視管理，并與服務(wù)器聯(lián)動，實現(xiàn)智能輔助決策。

5 結(jié)論

本文總結(jié)了湖南地區(qū)雷電災(zāi)害監(jiān)測現(xiàn)狀及雷電事件分布特征，介紹了雷電引起配電跳閘和斷線的機理，結(jié)合配電網(wǎng)實際架空線路遭雷擊引發(fā)的斷線停電事故分析，從系統(tǒng)和現(xiàn)場實際情況兩方面印證了雷擊斷線的理論分析結(jié)果，同時從配電網(wǎng)雷害故障預(yù)防角度，提出配電網(wǎng)差異化防雷、提升電力數(shù)字化防雷建設(shè)等合理化建議，對于指導(dǎo)配電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)、提升供電可靠性、減少故障停電時間具有重要意義。