提高35 kV架空配電線路防雷性能的分析研究

翟瑋星

（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315800）

提高35 kV架空配電線路防雷性能的分析研究

翟瑋星

（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315800）

以北侖地區(qū)架空配電線路為研究對象，統(tǒng)計分析了該地區(qū)的雷電特性，結合實際線路參數(shù)，采用電磁暫態(tài)分析程序，主要從降低桿塔接地電阻和安裝線路避雷器兩方面對提高線路耐雷水平、降低雷擊跳閘率進行了分析研究，結果證明：降低桿塔接地電阻和在合理的位置安裝線路避雷器，能夠有效改善線路防雷性能。

架空配電線路；接地電阻；線路避雷器；耐雷水平；雷擊跳閘率

0 引言

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，優(yōu)質(zhì)持續(xù)的電力供應已經(jīng)成為社會發(fā)展不可或缺的重要因素，而雷擊引起的線路故障將嚴重威脅電網(wǎng)安全，特別是對于重要用戶及居民生活用電，雷擊引起的線路跳閘不僅會影響正常的生產(chǎn)、生活，其伴隨的雷電侵入波甚至會危及人身和財產(chǎn)安全。因此，提高線路耐雷水平、降低雷擊跳閘率，始終是電力部門從設計到運行維護各環(huán)節(jié)的重要目標。

雷電引起的過電壓可分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓。其中直擊雷過電壓主要包括雷擊桿塔或附近避雷線時對線路造成的反擊和雷電繞過避雷線對線路產(chǎn)生的繞擊，這兩類過電壓是造成線路（特別是路徑經(jīng)過山區(qū)、丘陵等復雜地形的線路）故障的重要原因；感應雷過電壓幅值一般不超過300～400 kV[1]，因此對35 kV及以下的架空線路可能造成絕緣閃絡，而對110 kV及以上輸電線路危害不大。

架空線路的防雷措施主要有：架設避雷線、降低桿塔接地電阻、安裝線路避雷器、架設耦合地線和加強線路絕緣等[1]。本文以北侖地區(qū)某條35 kV配電線路為研究對象，采用電磁暫態(tài)分析程序，結合工程實際，主要從降低桿塔接地電阻、安裝線路避雷器兩方面，對提高線路防雷性能進行分析研究。由于一般感應雷過電壓幅值與35 kV架空線路的絕緣水平相當，因此其對35 kV線路的危害程度較之直擊雷要小，鑒于此，本文主要以反擊和繞擊來模擬雷電對線路的危害。

1 北侖地區(qū)雷電活動情況及線路概況

1.1 雷電活動情況

北侖區(qū)氣象局發(fā)布的2012年雷電監(jiān)測公報顯示[2]，2012年全年北侖區(qū)共有23個雷暴日，地閃共發(fā)生6 567次，其中正地閃361次，最大強度為151.6 kA，陡度為21.6 kA/μs；負地閃6 206次，最大強度為-160.2 kA，陡度為-25.6 kA/μs。圖1為月度地閃次數(shù)統(tǒng)計，圖2為月度平均地閃強度記錄。

圖1 月度地閃次數(shù)

圖2 月度平均地閃強度

從圖1可知，2012年全年雷電活動主要集中在7月和9月，地閃數(shù)達5 486次，占總數(shù)的83.53%，雷暴活動頻繁。

從圖2可知，平均地閃都保持在35 kA以下，正地閃在5～35 kA之間，負地閃在5～30 kA之間。

7月和9月的地閃強度區(qū)間分布見圖3，由圖可知，強度小于50 kA的地閃次數(shù)約占總地閃數(shù)的90%。

圖3 7月和9月地閃強度的區(qū)間分布

以上對雷電活動信息的了解，為下一步改善線路防雷性能提供了事實依據(jù)。

1.2 線路概況

本文選用近幾年發(fā)生雷擊故障較高的某條35 kV線路為研究對象。該線路主要為某天然氣站提供電源，負荷等級較高，線路全長約21 km，共使用桿塔（鐵塔）57基，采用雙回路架設，其中有31基桿塔位于山上，地形復雜，土壤電阻率較高。

線路現(xiàn)有防雷措施為單避雷線，采用直接接地型式，桿塔上避雷線對邊導線的保護角為20°～30°。

桿塔型號有SZ22，SZ23，SJ22，SJ23，SJ24等。其中直線塔呼稱高18～30 m，轉(zhuǎn)角塔呼稱高18～27 m。

2 基于EMTP的線路防雷性能分析

EMTP（電磁暫態(tài)分析程序）是國際公認的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析程序，具有分析功能多和元件模型全等優(yōu)點，其計算精度經(jīng)過了IEEE和CIGRE等國際權威組織的認定，因此計算結果的可信度很高[3]。

2.1 建模參數(shù)設定

線路仿真用JMarti模型建立，山區(qū)土壤電阻率取1 000 Ω·m，平原土壤電阻率取100 Ω·m[4]；桿塔采用多波阻抗模型，桿塔電阻0.01 Ω/m，波阻抗為150 Ω；采用集中R-L支路模擬塔基的響應；采用理想壓控開關模擬絕緣子閃絡特性，絕緣子沖擊耐壓為400 kV；考慮到近幾年雷擊故障點大多位于山區(qū)線路段，因此本文所建模型主要依據(jù)山區(qū)桿塔參數(shù)。

根據(jù)文獻[5]中建議，模型中雷電波取波頭為2.6 μs、半波為50 μs的雙指數(shù)波，其中雷電通道波阻抗取400 Ω。對線路防雷性能的分析主要從線路耐雷水平和雷擊跳閘率兩方面來衡量。

2.2 降低桿塔接地電阻對線路防雷的影響

對于35 kV線路的桿塔，降低桿塔接地電阻是提高線路反擊耐雷水平、降低雷擊跳閘率的有效措施。規(guī)程要求，有避雷線的輸電線路，每基桿塔的工頻接地電阻在雷季干燥時需滿足表1所列的數(shù)值。

以線路1個具體耐張段即40—44號桿塔為例（耐張段全長1 268 m，代表檔距404 m），假設雷擊40號桿塔塔頂，即遭反擊雷時，經(jīng)過模型反復計算，當只改變40號桿塔接地電阻時，線路耐雷水平及雷擊跳閘率與接地電阻的關系如圖4所示，即隨著接地電阻的逐漸加大，線路耐雷水平會逐漸降低，雷擊跳閘率逐漸增大，但趨勢逐漸平緩。

表1 有避雷線線路桿塔的工頻接地電阻

圖4 線路耐雷及雷擊跳閘率與接地電阻的關系曲線

而若改變相鄰41號桿塔接地電阻，該桿塔絕緣所承受的電壓幅值如圖5所示，即其與接地電阻呈線性正相關的關系。該結論同樣可以推廣到其他桿塔。

圖5 相鄰桿塔接地電阻與絕緣電壓的關系

由圖4、圖5可知，對于反擊雷，降低桿塔接地電阻能夠減少絕緣電壓，改善線路防雷性能，保證線路長期穩(wěn)定運行。因此在土壤電阻率低、地形平坦的地區(qū)，降低桿塔接地電阻應成為改善線路防雷性能的首要方法之一。

2.3 安裝線路避雷器對線路防雷的影響

線路避雷器并接在線路絕緣子串的兩端，可防止線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡，并能自行切斷工頻電弧，從而提高線路耐雷水平，降低雷擊跳閘率。對雙回線路，在一回線上采用避雷器保護，可大大降低雙回線同時閃絡的事故率[1]。

仍然以上一節(jié)的線路耐張段為例，對于反擊雷，雷擊點位于40號塔時，分別在40—44號塔依次安裝1組（雙回線，每回線每相各1支）避雷器，根據(jù)實際線路情況，避雷器型號為HY10WX-57/170TL，伏安特性參考文獻[6]。由圖6和圖7可以看出，隨著避雷器安裝組數(shù)的增加，線路耐雷水平及雷擊跳閘率都有明顯改善，安裝1組時，線路耐雷水平提高了80%，雷擊跳閘率降低了38%，而當相鄰5基桿塔都安裝避雷器時，線路耐雷水平提高了10倍，雷擊跳閘率降低了16倍。

而對于繞擊雷，連續(xù)安裝超過2組避雷器后，線路耐雷水平不再提高，即相鄰連續(xù)2基桿塔安裝避雷器會對雷擊點的線路防雷產(chǎn)生積極作用，而更遠的桿塔避雷器則不會有任何作用。這為合理分布避雷器密度提供了理論依據(jù)。

圖6 避雷器數(shù)量與線路耐雷水平的關系

圖7 避雷器數(shù)量與雷擊跳閘率的關系

從以上結論可以看出，安裝避雷器能夠有效改善線路的防雷性能，特別對于反擊雷，避雷器安裝數(shù)量的增加能夠使線路耐雷水平大幅提高?？紤]到經(jīng)濟性等因素，在雷電密度正常的區(qū)域可以考慮只在各回線路的上導線安裝1組避雷器[7]，而在雷電活動頻繁的地區(qū)，則線路三相都應安裝避雷器。

表2給出了當幅值為50 kA的雷電流擊于41號塔頂或避雷線時，不同避雷器安裝位置對于相鄰各桿塔的閃絡情況。

表2 不同方案下的雷擊閃絡情況

由表2可以得出以下結論：

（1）由方案1—7，對于50 kA的雷電流，凡裝有避雷器的桿塔都能得到有效保護。

（2）由方案1—7，距離雷擊點最遠的44號塔均未被閃絡，即雷電流對線路的危害隨著傳輸距離的增加而降低。

（3）由方案3，4，6，7，位于42和43號塔上的避雷器能完全隔離雷擊對于其相應大號側線路的危害，即鄰近于雷擊點的避雷器能有效保護其相應側其余桿塔。

（4）由方案5和6，相鄰2基桿塔安裝避雷器能完全保護此檔距的線路。

由此可見，避雷器不同的安裝位置及數(shù)量對線路整體防雷效果影響較大，因此實際工程中應結合線路具體情況，并結合經(jīng)濟性、可操作性等因素綜合考慮。

2.4 線路防雷策略綜合考慮

基于以上分析結果，針對本文的目標線路，對防雷策略簡述如下：

（1）首先對線路各基桿塔，特別是曾發(fā)生過雷擊故障的桿塔，復測接地電阻，未滿足規(guī)定值的，應采取措施降低阻值。

（2）位于海拔較高的桿塔（特別是相鄰幾基桿塔都位于較高位置時），至少應安裝1組避雷器。在該35 kV線路中，有幾基桿塔位于山頂，平均海拔均超過290 m，安裝避雷器還能有效遮蔽鄰近低位置的桿塔免受雷擊。

（3）檔距較大的線路段應安裝至少1組避雷器。檔距過大，更容易發(fā)生反擊甚至是繞擊。在該35 kV線路的歷史雷擊故障記錄中，有40%故障線路均是大檔距，如30—31，40—41，48—49等線路檔距均超過650 m。

（4）線路首、末端應分別安裝至少1組避雷器，以防止雷電波侵入變電站或用戶設備。

3 結語

本文對35 kV配電線路的防雷性能進行了分析研究，分析結果證明了降低桿塔接地電阻和安裝線路避雷器能有效提高線路耐雷水平，降低雷擊跳閘率。在實際工程中，應結合路徑地形、線路參數(shù)、線路運行情況以及經(jīng)濟性與可行性等因素綜合制定防雷措施。

[1]魯鐵成.電力系統(tǒng)過電壓[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]北侖區(qū)氣象局.2012年北侖區(qū)雷電監(jiān)測公報[Online].北侖：http∶//www.bl.gov.cn/doc/zffw/，2012.

[3]吳文輝，曹祥麟.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算與EMTP應用[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[4]DL/T 621-1997交流電氣裝置的接地[S].北京：中國電力出版社，1997.

[5]DL/T 620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].北京：中國電力出版社，1997.

[6]張南法，王茂華，束靜.氧化鋅非線性電阻的特性方程[J].電子元件與材料，2012，31（5）∶1-7.

[7]劉德.丘陵地區(qū)35 kV架空線路防雷分析[J].高電壓技術，2006，32（11）∶160-163.

（本文編輯：龔皓）

Analysis and Research on Improving Lightning Protection Performance of 35 kV Overhead Distribution Lines

ZHAI Weixing
（State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315800，China）

Taking overhead distribution lines in Beilun as research objects,State Grid Zhejiang（Provincial）Electric Power Company conducts statistical analysis on lightning characteristics in this area.Combining with actual line parameters and using electro-magnetic transient program（EMTP），this paper mainly analyzes and investigates on improving lightning withstand level and reducing lightning trip-out rate by reducing pole and tower grounding resistance and installing line arrester.The results show that lightning protection performance of lines can be improved effectively by reducing the pole and tower grounding resistance and installing lightning arresters in appropriate places.

overhead distribution line；grounding resistance；line arrester；lightning withstand level；lightning trip-out rate

TM863

：B

：1007-1881（2014）06-0016-04

2013-12-12

翟瑋星（1985-），男，陜西鳳翔人，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度自動化、配電線路運行及檢修、負荷預測、風電功率預測等工作。