10 kV架空地線接地對(duì)防雷影響的研究

廖 圣，陳 龍，李小明，徐文華，周 鵬，桑前浩，胡 洋，譚清華

(1.云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司, 云南 昆明 650214；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江華坪供電局，云南 麗江 674800；3.昆明理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，云南 昆明 650504)

麗江某縣地區(qū)由于高海拔礦產(chǎn)資源豐富等原因經(jīng)常發(fā)生落雷現(xiàn)象，當(dāng)雷電通道直擊到地后，會(huì)使落雷區(qū)域附近輸電線會(huì)耦合感應(yīng)雷過電壓。主網(wǎng)由于有架空地線、避雷器、避雷針、高絕緣裕度絕緣子串等特點(diǎn)，所以沒有出現(xiàn)故障問題[1-2]。周圍10 kV配網(wǎng)輸電線路，最初架設(shè)都用針式絕緣子及單個(gè)懸式絕緣，全線也只有少數(shù)桿塔裝有避雷器及接地線，因此當(dāng)線路上感應(yīng)雷過電壓稍大一些就會(huì)導(dǎo)致線路故障例如：絕緣子損壞、避雷器擊穿及斷線等[3-5]。所以該地區(qū)的人民大眾深受停電事故的影響，影響其正常的生活、工作及農(nóng)耕等，華坪供電局也時(shí)常被投訴到省公司，因此解決大面積10 kV防感應(yīng)雷過電壓技術(shù)至關(guān)重要[6]。

現(xiàn)在防雷技術(shù)主要是堵截、疏通及抑制產(chǎn)生3方面研究。堵截就是增加線路絕緣強(qiáng)度減少絕緣子閃絡(luò)，在輸電線上傳播的過程中衰減[7-8]。疏通就是當(dāng)線路上產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓后，通過避雷器、減小接地電阻等措施盡快將感應(yīng)雷電波疏導(dǎo)到大地[9-10]。抑制產(chǎn)生就是架空地線使得耦合到輸電線上的感應(yīng)雷過電壓幅度減小，在源頭抑制住感應(yīng)雷的產(chǎn)生，從而也不再對(duì)線路進(jìn)行其他改造防雷措施，使得防雷工程可以趨于簡(jiǎn)單化一致化標(biāo)準(zhǔn)化[11-13]。

初步調(diào)研發(fā)現(xiàn)接地情況的好壞直接影響到架空地線的效果。在接地電阻10 Ω 以下的接地電阻時(shí)，加裝架空地線其感應(yīng)雷幅值才能降低20%以上，由此研究接地點(diǎn)對(duì)感應(yīng)雷電波的衰減作用尤為重要[9,14]。考慮到實(shí)際應(yīng)用工程中接地改造成本的問題，是否有必要在每級(jí)桿塔上加裝接地線，怎樣才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)[15]。由此架空地線接地電阻大小及檔距等因素對(duì)架空地線防雷研究的影響非常重要。

目前架空地線在10 kV配網(wǎng)防雷應(yīng)用并不廣泛，由于架空線成本相對(duì)較高，現(xiàn)目前的供電局由于經(jīng)費(fèi)及有效性驗(yàn)證問題，都只是在試點(diǎn)建設(shè)不敢大面積投建。本文將為10 kV 配網(wǎng)后續(xù)建設(shè)工作提供技術(shù)支撐。

1 雷電波形呈現(xiàn)震蕩衰減趨勢(shì)分析

根據(jù)麗江華坪地區(qū)龍務(wù)線安裝的智能絕緣子實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，下文闡述實(shí)測(cè)波形呈現(xiàn)震蕩衰減趨勢(shì)的原因。

依托重慶大學(xué)研制的智能絕緣子及其他檢測(cè)設(shè)備，測(cè)得的觀測(cè)點(diǎn)、系統(tǒng)配置、土壤和沖擊電流參數(shù)，雷電過電壓的特性可能會(huì)有很大差異。對(duì)架空線上的雷電感應(yīng)電壓的測(cè)量和計(jì)算表明，它們可能與標(biāo)準(zhǔn)的雷電沖擊電壓存在明顯差異。圖1 給出了一個(gè)由附近雷擊在10 kV 龍務(wù)線某項(xiàng)目改造線段上引起的電壓示例。

圖1 濾波后電壓波形

如圖1 所示，當(dāng)使用高通濾波器濾掉原始波形中的工頻分量，剩余的就是由雷電感應(yīng)引起的高頻分量，此時(shí)波形呈現(xiàn)雙極性且存在震蕩衰減趨勢(shì)，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間約為5 ms左右。

該種電壓波形的出現(xiàn)必然是由于波傳遞過程中，在線路中橫向不連續(xù)點(diǎn)（接地點(diǎn)）處發(fā)生折反射導(dǎo)致，由于10 kV 配電線路是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，且線路附近并沒有變壓器，故波形成因有3 種可能：由雷擊引起的線路短路故障、避雷器動(dòng)作或架空地線上感應(yīng)電壓波在接地點(diǎn)處發(fā)生折反射并耦合感應(yīng)至相導(dǎo)體上。

首先可排除由雷擊引起線路故障，某次感應(yīng)雷過電壓波形如圖2 所示，該波形以正常波形開始，后半段波形發(fā)生瞬變后迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)，未發(fā)生沿線短路引起的電壓變化過程，故此次雷電引起的瞬變過程不會(huì)導(dǎo)致短路，而監(jiān)測(cè)到的波形大多屬于該種情況。

圖2 原電壓波形

在架空地線項(xiàng)目線路改造過程中，架空地線連接電桿接地線引入到地，可近似看作通過接地阻抗接地，當(dāng)感應(yīng)雷擊引起的電壓波傳至接地點(diǎn)處，必然會(huì)發(fā)生折反射[16]。為驗(yàn)證此點(diǎn)，在Matlab 中建立單導(dǎo)體耦合架空地線感應(yīng)雷過電壓計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 感應(yīng)雷過電壓模型示意圖

仿真首先驗(yàn)證了架空地線接地點(diǎn)處會(huì)發(fā)生電壓波的折反射，如圖4（a）；又通過觀測(cè)點(diǎn)（線路中點(diǎn)）電壓波形驗(yàn)證了架空地線上電壓波的折反射同樣會(huì)耦合感應(yīng)影響到相導(dǎo)體過電壓波形，使其呈現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，如圖4（b）。

圖4 濾波后電壓波形

如圖5 理論電流流徑所示，架空地線接地點(diǎn)處會(huì)發(fā)生波的折反射，其中紅色箭頭方向表示折射波的前進(jìn)方向，而藍(lán)色紅色箭頭方向表示反射波的前進(jìn)方向。

圖5 架空地線橫向不連續(xù)點(diǎn)處折反射示意圖

2 接地間距影響

接地電阻變化僅會(huì)對(duì)過電壓幅值產(chǎn)生影響，而與整體波形變化過程無關(guān)，因此決定由線路橫向不連續(xù)點(diǎn)引起的折反射導(dǎo)致波形震蕩的主要因素為接地間距。為了研究接地間距對(duì)感應(yīng)過電壓的影響，本文不改變仿真模型其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，僅對(duì)線路接地間距長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，即L分別為60、120、240 和480 m。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 接地間距對(duì)感應(yīng)雷電波的影響

接地點(diǎn)處二次電壓波時(shí)延Td計(jì)算公式如所示：

式中：c為光速；D為放電位置距離輸電線的垂直距離；L為接地線路長(zhǎng)度間距。

在這些圖中可以明顯觀察到二次電壓波，該波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)處會(huì)導(dǎo)致相導(dǎo)體上的感應(yīng)電壓發(fā)生變化。該波是由線路兩端架空地線接地產(chǎn)生的，表1 顯示了二次波在線路觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)延，計(jì)算值是從雷擊位置經(jīng)過接地點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)的行進(jìn)距離計(jì)算得出的。測(cè)量值直接從圖6所示的波形中獲得，值得注意的是，計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果非常匹配。

表1 接地點(diǎn)處二次電壓波時(shí)延Td

另外還有發(fā)現(xiàn)如果二次波的延時(shí)大于直接來自雷電回?fù)舻碾妷翰ㄇ皶r(shí)間，則架空地線的作用完全消失。如圖6（c）和圖6（d）所示，當(dāng)接地間隔增加到240 m 或更大時(shí)，架空地線在觀測(cè)點(diǎn)完全失去耦合感應(yīng)降低過電壓幅值能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，架空地線接地點(diǎn)處感應(yīng)電壓波的折反射是導(dǎo)致相導(dǎo)體上感應(yīng)過電壓波形呈現(xiàn)震蕩衰減趨勢(shì)的根本原因，且接地點(diǎn)的存在極大降低了其周圍一定距離內(nèi)相導(dǎo)體上感應(yīng)雷過電壓幅值。

接地間距對(duì)于實(shí)現(xiàn)架空地線的有效性至關(guān)重要，為最大限度地抑制雷電感應(yīng)過電壓，建議架空地線盡量在每基桿塔處接地，多級(jí)桿塔接地有助于防雷。

如果來自最近接地點(diǎn)的電壓波延遲時(shí)間大于雷電回?fù)粢l(fā)過電壓的波前時(shí)間，則架空地線在該處的屏蔽效果可能會(huì)完全消失。