10 kV配電線路防雷治理方法研究

陳輝榮，陳朝興

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通，657000)

0 引 言

配電線路是電力系統(tǒng)中靠近用戶的一級，在當(dāng)前主網(wǎng)輸電線路足夠堅強的情況下，配電線路的供電可靠性很大程度上決定了居民的用電體驗[1-2]。由于配電線路自身絕緣水平較低等原因，雷擊跳閘已成為影響其供電可靠性的主要原因[3]。用于10 kV架空線路防雷的措施眾多[4]，如使用放電間隙[5]、防雷絕緣子[6]、多腔室吹弧防雷裝置[7]，但目前使用量最大的措施為安裝避雷器。

現(xiàn)有研究表明，避雷器能夠有效提升配電線路的雷電防護水平[8-10]。針對避雷器的配置方式，國內(nèi)外開展了較多研究。文獻[9]分析不同避雷器類型、不同桿塔沖擊接地電阻以及雷擊位置等對避雷器防護效果的影響并分析其保護范圍，提出需要每隔6～8基桿塔三相安裝氧化鋅避雷器的建議；文獻[10]通過研究不同接地條件下只安裝單相避雷器對同級其它相絕緣子的影響及只安裝一級對相鄰級絕緣子的影響，提出了接地電阻的安裝要求；文獻[11]通過對比避雷線和避雷器兩種防雷措施，認(rèn)為避雷器能夠更好的降低線路上的過電壓；文獻[12]計算了避雷器安裝間距與線路閃絡(luò)降低百分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系曲線，建議每隔300 m裝一組避雷器。上述研究為利用避雷器進行配電線路防雷治理提供參考指導(dǎo)，但存在一個主要的缺陷，即在進行避雷器優(yōu)化配置研究時，未考慮線路上各基桿塔的實際地形地貌、雷電參數(shù)及歷史雷擊故障數(shù)據(jù)，導(dǎo)致得出的結(jié)論在指導(dǎo)實際線路防雷治理的時候缺乏針對性。

為此，本研究以云南山區(qū)某10 kV配電線路為例，統(tǒng)計分析了該線路走廊雷電參數(shù)及地形地貌特點，然后利用EGM模型和ATP-EMTP軟件，提出一種考慮雷電參數(shù)、走廊環(huán)境、絕緣配置以及歷史雷擊故障數(shù)據(jù)的配電線路防雷治理方法，最后通過工程運用，驗證了該方法的實用性。本研究結(jié)果可為配電線路防雷治理提供參考。

1 線路雷電參數(shù)及地形特征

1.1 雷電參數(shù)

通過雷電定位系統(tǒng)[13-15]，統(tǒng)計得到該線路走廊2015～2019年各年的地閃密度見表1。通過表1可以看出：

表1 線路2015～2019年地閃密度統(tǒng)計表Table 1 Ground flash density of the line from 2015～2019

1)同一年該線路各區(qū)段桿塔的地閃密度有較大不同，以2019年為例，線路35號～45號桿塔的地閃密度高達5.24次/km2·年，而17號～19號桿塔則只有1.003次/km2·年。

2)不同年同一桿塔區(qū)段的地閃密度也不相同，以35號～45號桿塔為例，地閃密度最高的為2015年，達到11.528次/km2·年，而最低的則為2017年2.096次/km2·年；

3)該線路地閃密度最高的區(qū)段基本集中在35號～45號桿塔。

1.2 地形地貌

通過實地調(diào)研，該線路主線86基桿塔，全長約20 km，導(dǎo)線全線采用JLG1A-150-20型導(dǎo)線，絕緣子主要采用R5ET105L型柱式絕緣子。1號～64號桿塔基本位于山谷地形，65號～86號桿塔則處于山坡地形，且桿塔附近多有樹木，見圖1。山坡、山谷等不同地形會影響到線路耐雷水平[16]，而周圍的樹木則可能因為屏蔽作用影響線路上的感應(yīng)雷過電壓[17]，因此在進行線路防雷治理時，應(yīng)當(dāng)考慮地形地貌及走廊環(huán)境。

圖1 線路走廊的地形地貌Fig.1 The terrain of the line corridor

2 配電線路精細化防雷治理

2.1 雷擊形式判斷

對于任意桿塔，周圍有落雷時，雷擊存在3種形式，即直接擊中線路(導(dǎo)線或桿塔)、擊中樹木以及擊中大地。對于配線線路而言，擊中線路會產(chǎn)生直擊雷過電壓，而擊中樹木和地面則認(rèn)為在線路上引起感應(yīng)雷過電壓。

因此，為了判斷每一次落雷的雷擊形式，結(jié)合輸電線路常用的EGM模型[18-20]，以所研究的目標(biāo)桿塔為坐標(biāo)原點，以平行于線路方向為y軸，垂直于線路方向為x軸，沿桿塔垂直于xy平面的方向為z軸方向，用于表示物體間的高度。建立樹木、導(dǎo)線和地面的引雷面見圖2。其中，Rt、Rl、Rg分別為樹木、導(dǎo)線和地面的引雷半徑，A1A2C、CB2B3、DE分別為樹木和導(dǎo)線的引雷面。

圖2 各部分的引雷面示意圖Fig.2 The lightning-induced area of different position

對于任意桿塔，分別取x方向及y方向步長△h、△l作為指定的預(yù)設(shè)面積區(qū)域，則對應(yīng)的面元面積為ΔS=Δh·Δl，在該區(qū)域一年中產(chǎn)生的落雷次數(shù)ΔN表示為ΔN=ΔS·γ，其中γ為地閃密度；根據(jù)該線路的雷電流幅值累積概率分布函數(shù)， 將所有雷電流區(qū)間[0,Imax]按照仿真步長ΔI劃分區(qū)間，則雷電流幅值累積概率分布函數(shù)上I與I+ΔI之間的面積等效為I+0.5ΔI所發(fā)生的概率ΔP；則在面元ΔS中心點一年中所能發(fā)生的幅值為的I+0.5ΔI雷電流次數(shù)等效為NI+0.5ΔI=ΔN·ΔP。

對于任意一個雷，假定其先導(dǎo)在地面的垂直投影為(x0，y0)，則根據(jù)坐標(biāo)系可知雷電先導(dǎo)與線路的最小水平距離為

L2=|x0|

雷電先導(dǎo)與樹木間距離為

假如該雷電垂直投影落在樹木引雷的范圍中，則此時其引雷面與地面的間距為

同理，當(dāng)該雷電垂直投影分別在導(dǎo)線和地面引雷范圍內(nèi)，相應(yīng)的引雷面與地面的間距分別為

Hg=Rg/cosθ

通過比較根據(jù)上述Ht、Hl和Hg的大小，最大者即為此次雷擊位置，進而可以確定此次雷擊形式。

2.2 雷擊跳閘判斷

對于任意桿塔在確定了雷擊形式后，針對不同的過電壓形式，分別判斷是否會引起線路跳閘。

對于雷電擊中線路的情況，因為配電線路自身絕緣配置決定其直擊雷耐雷水平不足3 kA，因此筆者認(rèn)為雷電直擊線路必定引起線路跳閘。

對于雷電擊中樹木和大地的情況，均會在線路上引起感應(yīng)雷過電壓，其大小會隨著雷電流幅值和落雷位置的變化而變化，當(dāng)其大小超過線路的感應(yīng)雷耐雷水平時，則引起線路跳閘。在ATP-EMTP中，根據(jù)線路的絕緣配置，建立相應(yīng)的線路仿真模型，其中感應(yīng)雷過電壓的模型采用ATP中的MOD感應(yīng)過電壓子模塊進行仿真。根據(jù)典型10 kV線路參數(shù)，利用ATPDraw進行耐雷水平仿真，搭建的單相仿真模型見圖3。通過仿真得到的線路耐雷水平見圖4，將桿塔周圍任意雷電的雷電流幅值、雷擊點位置帶入到仿真模型中，將產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓與線路耐雷水平進行比對，即可判斷此次雷擊是否引起線路跳閘。

圖3 在ATP中配電線路的仿真模型Fig.3 Simulation model of the line in ATP

圖4 線路感應(yīng)雷耐雷水平隨雷擊點位置的變化情況 Fig.4 Lightning withstand level of line induced lightning under different lightning distance

2.3 雷擊風(fēng)險判斷及修正

對于任意桿塔，將一年中雷電直擊跳閘次數(shù)、感應(yīng)雷跳閘次數(shù)之和作為其雷害風(fēng)險判斷參數(shù)，設(shè)為Pr。參考相關(guān)文獻[21]，確定線路各基桿塔雷害風(fēng)險劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 雷害風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The standard of lightning disaster risk assessment

其中，Sr為雷害風(fēng)險控制指標(biāo)，其值為該線路所有桿塔Pr的平均值。

在完成整條線路各基桿塔的雷害風(fēng)險評估后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)過去5年線路雷擊故障統(tǒng)計對評估結(jié)果進行修正，對于曾經(jīng)發(fā)生過跳閘事故的桿塔，在現(xiàn)有評估結(jié)果的基礎(chǔ)上提升一級。

2.4 防雷措施選用

對于最終評估結(jié)果為A級的桿塔，雷害風(fēng)險等級很低，日常巡視多加注意即可。

對于最終評估結(jié)果為B級的桿塔，雷害風(fēng)險等級較低，應(yīng)當(dāng)確保桿塔可靠接地，接地電阻符合要求。

對于最終評估結(jié)果為C、D級的桿塔，綜合考慮經(jīng)濟性和防雷有效性，應(yīng)當(dāng)三相安裝避雷器。

2.5 防雷治理流程

根據(jù)上述研究，最終形成10 kV配電線路防雷治理流程見圖5。

圖5 配電線路防雷治理流程圖Fig.5 The flow diagram of lightning protection administer for distribution line

3 工程運用

利用上述方法，在2018年末對線路進行了防雷治理。該線路所有桿塔最終的雷害風(fēng)險見表3。根據(jù)評估結(jié)果，C、D級桿塔全部三相加裝避雷器，安裝率為39.5%。根據(jù)2019年線路運行效果來看，全線跳閘次數(shù)由治理前平均每年4次降為1次，下降了75%，驗證了防雷治理方法的有效性。

表3 線路雷害風(fēng)險評估結(jié)果Table 3 The evaluation result of lightning disaster risk assessment of the line

4 結(jié) 論

1)同一條線路不同桿塔區(qū)段以及不同年份的地閃密度不相同，但地閃密度較高的桿塔區(qū)段基本固定，在進行防雷治理時應(yīng)重點關(guān)注。

2)通過EGM模型，建立了配電線路雷擊形式判斷模型，可判斷每一基桿塔周圍每一次雷電的雷擊形式。

3)綜合考慮桿塔絕緣配置、雷電參數(shù)、走廊環(huán)境以及歷史雷擊故障數(shù)據(jù)，形成了配電線路防雷治理方法，并通過工程運用，驗證了該方法的有效性。