有架空地線的10 kV線路導—地線間距取值建議

沈海濱，雷 挺，賀子鳴，趙 霞，張兆華，盧甜甜

(中國電力科學研究院有限公司，北京100192)

關鍵字：10 kV配電網；架空地線；導—地線間距；直擊雷過電壓；雷擊瞬態(tài)過程建模；修正公式

0 引言

我國10 kV架空線路過去鮮有采用架空地線(注:放置在導線上方的地線稱為架空地線，放置在導線下方的地線稱為耦合地線)防雷措施，主要原因是認為線路絕緣水平配置低，雷擊架空地線幾乎一定會反擊導線，設置架空地線的防雷效果不佳甚至會增大引雷概率。近年來，隨著10 kV架空線路營運里程超過300萬公里，提高防雷技術經濟性、實施差異化設計變得益發(fā)重要，加之電磁瞬態(tài)過程數值仿真技術的進步可以實現精細化評估防雷措施的效果[1-6]，架空地線作為一種成本低、實施簡單、免運行維護的防雷措施，在連續(xù)受到建筑物和綠化樹木屏蔽、以遭受感應雷擊為主的城區(qū)線路上，被證明可顯著降低線路感應雷擊閃絡率而得到推薦[7-8]，從2017年開始在上海、浙江、福建、湖南、江蘇、湖北、遼寧等多個電力公司批量推廣應用。對于多雷區(qū)的變電站近區(qū)出線線路段、處于空曠區(qū)域的重要負荷線路等需要強化雷電防護的，也推薦采用架空地線和線路避雷器[9-10]組合措施[7,11]。

對有架空地線的線路，我國電力過電壓與絕緣配合技術現行母標準GB/T 50064—2014[12]及前序標準中均規(guī)定：除大檔距外，導線和地線之間應按照公式(1)控制間距，以防止雷電直擊架空地線檔距中央部位后反擊導線。

S=0.012L+1

(1)

式中，S:在15 ℃、無風、無冰條件下，檔距中央導線與架空地線間的最小距離，m；L:檔距長度，m。

該公式是我國學者在20世紀60、70年代基于典型輸電線路導、地線波阻抗參數和雷電流陡度在集中參數電路模型下推導出、并經多年運行經驗修正的簡化計算公式，寫在了技術標準SDJ 7—1979《電力設備過電壓保護設計技術規(guī)程》中，沿用至今。工程設計實踐上，目前對于750 kV及以下電壓等級的交流線路，均采用該經驗公式。由于之前很長一段時間并不推薦10 kV架空線路采用架空地線防雷措施，公式(1)推導時選取的典型線路參數和運行經驗修正其實并沒有考慮10 kV配電線路配置情況，按此公式確定10 kV線路導—地線間距必然與設計預計存有偏差，而相關研究未見文獻報道?，F階段，隨著10 kV線路防雷設計精細化要求的不斷提高，有必要對該公式予以修正。

筆者采用仿真模擬計算方法，建立雷電直擊10 kV線路架空地線檔距中央瞬態(tài)過程計算模型，經雷電過電壓幅值比較研究后確定關鍵影響線路參數和典型取值，計算給出基于檔距中央耐雷水平控制指標的導—地線間距特性曲線，并以簡化工程操作為目的，提出對應技術標準推薦公式的修正公式。

1 仿真建模與參數選定

求解導—地線間距控制值本質上是求解雷擊檔距中央架空地線上時導線不發(fā)生檔中反擊的耐雷水平，耐雷水平與導—地線間雷電過電壓相對應并呈現正相關，以工程防雷可接受的安全性、經濟性等條件確定耐雷指標后，即確定了導—地線間過電壓值，再除以空氣間隙雷電放電電場強度，可折算成導—地線間距值?；贏TP—EMTP[13]電磁瞬態(tài)計算程序，搭建10 kV線路架空地線檔距中央雷電直擊瞬態(tài)過程計算模型來開展導—地線間過電壓計算研究，建模具體處理如下：

1)雷電流采用集中參數電流源和雷電通道波阻抗并聯回路等值。雷電流波形取技術標準[12]推薦的2.6/50 μs雙斜角波。因后續(xù)仿真過程模擬高幅值直擊雷，通道波阻抗統一取300 Ω。雷電流幅值暫取100 kA、150 kA、200 kA、250 kA、300 kA，該雷電流可以視作導—地線之間不發(fā)生雷擊放電的耐雷水平。

2)相導線和架空地線利用LCC模塊下的JMarti模型計算分布參數，該模型運算中同時考慮到雷電流頻率特性和導、地線間電磁耦合特性。按照技術標準DL/T 5220—2005[14]規(guī)定，選取10 kV干線導線截面積為70 mm2～240 mm2，材質為鋁絞線，地線截面積為35 mm2和50 mm2，材質為鋼絞線，其中截面積35 mm2的地線搭配70 mm2～185 mm2導線使用，截面積50 mm2的地線搭配240 mm2導線使用。建模所需導線直流電阻、截面直徑參數依據技術標準GB/T 1179—2017[15]選取。

3)電桿按公式(2)[16]進行波阻抗等值，橫擔、架空地線支架均按1 μH/m的電感等值。按照《國家電網公司配電網工程典型設計—10 kV架空線路分冊》(2016年版)規(guī)定，電桿高度選取為12 m、15 m和18 m，桿頭選擇可以在電桿頂部設置架空地線支柱的“一”字形單回、雙“品”字形和“王”字形同桿雙回結構，架空地線可通過金屬支架架設在電桿正上方，見圖1，以及由上述結構組合成的同桿三回、同桿四回結構，其中上相導線與電桿之間的橫擔長度介于600 mm～1 100 mm之間。

圖1 典型桿頭結構

(2)

4)按照2016年版國網典設手冊選取檔距長度為40 m～100 m，涵蓋10 kV線路在城鎮(zhèn)和郊區(qū)的通用檔距范圍。

5)按照技術標準GB 51302—2018[17]規(guī)定，設置架空地線線路應每基電桿做接地處理，控制工頻接地電阻不超過30 Ω，參考文獻[18]實測結果，取沖擊接地電阻為工頻電阻的0.7倍。

6)絕緣子閃絡利用理想壓控開關模擬，動作電壓取絕緣子50 %雷電沖擊放電電壓，典型值為125 kV，當絕緣子兩端電壓差超過該動作電壓后，視為絕緣子閃絡。

7)計算中不考慮線路末端反射波的影響，即設置模型線路足夠長，在仿真時間段內沒有反射波返回。

8)雷擊點位置在架空地線檔距中央，并根據公認的空氣間隙雷電沖擊放電電壓試驗結論，設定此處的導—地線間雷電擊穿電場強度為700 kV/m。此值與公式(1)的取值一致，使結果具有可比性。

基于上述原則，以單回線路為例，建立的仿真計算模型簡化示意圖見圖2。模型中，Io為雷電流源，Zo為雷電流通道波阻抗，Vi為絕緣子，L為一個檔距的架空線路，Rg為電桿沖擊接地電阻，La、Lb、Lc為A、B、C相橫擔，Zp為電桿，Lw為架空地線支架，Vdd為檔距中部導—地線間電壓。

圖2 計算模型簡化示意圖

利用上述模型，首先對仿真所需的線路參數進行了大量的比對計算研究，以檔距中央的導—地線間雷電過電壓值為評價指標，對初選參數做了如下優(yōu)化處理。

1)因架空地線設置在導線上方，控制導—地線間距就是控制架空地線和上相導線間的距離，同一電桿高度下，前文初選的桿頭結構中上相導線對地距離保持一致，同時橫擔的長度可變化范圍有限，計算結果顯示，桿頭結構差異對導—地線間雷電過電壓的影響很小，幅值波動在2%以內，可做簡化處理。考慮單回線路應用最為普遍，在后文計算中均選擇典型“一”字型桿頭結構。

2)電桿高度變化對導—地線間雷電過電壓的影響很小，比對計算結果顯示，12 m和18 m電桿的結果相比15 m電桿的結果，偏差均小于1%，可做簡化處理。后文計算中均選擇應用最普遍的15 m鋼筋混凝土電桿。

3)電桿工頻接地電阻在10 Ω～30 Ω之間變動時，導—地線間雷電過電壓的偏差在3%以內，并且呈現出電壓隨著電阻的增大而降低的趨勢。后文計算中做簡化處理，從結果偏嚴格角度，統一選擇電桿工頻接地電阻為10 Ω。

4)檔距不同對導—地線間雷電過電壓影響最大，導線截面積不同對導—地線間雷電過電壓影響較大，70 mm2相比240 mm2，計算結果差異超過7%。檔距和導線參數不宜做簡化處理。

2 不同耐雷水平下導—地線最小間距

基于上文模型和參數，以前文假定的導—地線之間不發(fā)生雷擊放電的系列耐雷水平分別作為入射雷電流，計算獲得檔距中央導—地線間雷電過電壓幅值，并按照空氣間隙雷電放電電場強度700 kV/m折算成所需最小空氣間隙距離，詳見表1至表7。表中數據與我國10 kV架空線路實際設置相匹配，可供工程設計人員參考?；贓MTP程序的直擊雷過電壓數值計算方法在我國輸配電工程雷電防護實踐中廣泛采用，而且10 kV線路桿塔結構簡單、等值偏差影響小，計算結果具有可信性。

表1 導—地線最小間距(對應導線截面積為70 mm2)

表3 導—地線最小間距(對應導線截面積為120 mm2)

表4 導—地線最小間距(對應導線截面積為150 mm2)

表5 導—地線最小間距(對應導線截面積為185 mm2)

表6 導—地線最小間距(對應導線截面積為210 mm2)

表7 導—地線最小間距(對應導線截面積為240 mm2)

3 導—地線間距取值建議

將經驗公式(1)與上文表格數據進行比較，可以發(fā)現，公式(1)體現的檔距中央耐雷水平與檔距長度相關，并隨著檔距長度的增大而降低。以比較導線截面積70 mm2計算結果為例，見圖3，在檔距長度為40 m時公式(1)對應的耐雷水平略高于200 kA，至檔距長度為100 m時，耐雷水平下降至約120 kA。顯然，僅因線路檔距長短而存在防雷性能指標差異是不妥當的，這顯示出公式(1)相對10 kV線路實際配置情況存在較大偏差。

圖3 公式(1)與仿真計算結果比較

在技術標準GB/T 24842—2018[19]中，對雷擊1 000 kV特高壓線路架空地線檔距中央的耐雷指標要求是不低于200 kA。雖然從送電重要程度性上，10 kV配電線路遠不及特高壓線路，但前者的自然雷擊閃絡率和雷擊閃絡總次數遠遠高于后者，另外城區(qū)絕大部分的10 kV架空線路采用了絕緣導線，若雷擊架空地線檔距中央發(fā)生閃絡引起工頻續(xù)流建弧，絕緣導線幾乎必然斷線[20-21]，事故損失和社會影響也很嚴重。因此，筆者建議將10 kV架空線路檔距中央的耐雷指標同樣取為200 kA，相當于與公式(1)在40 m檔距下的要求基本保持一致，在經濟性上與現有要求出入不大，運行安全性也得到了保障。在此耐雷指標下，由表1～表7計算結果經線性擬合后，可分別獲得對應不同導線截面積的導—地線最小間距計算公式，見表8。

表8 導—地線最小間距計算公式

進一步地，為了簡化工程操作過程，取表1至表7計算結果的平均值，可得到單一的擬合公式(3)。

S=0.034L+0.04

(3)

公式(3)下，導線截面積不同帶來的偏差被控制在5%以內，可以理解為采用小截面導線的線路檔距中央耐雷水平略低于200 kA，采用大截面導線的線路檔距中央耐雷水平略高于200 kA。按電氣幾何模型法[22]評估，依據該公式設定的間隙距離，不影響架空地線屏蔽導線的效果，即雷電不會繞擊導線。公式(3)可作為公式(1)的修正公式。

工程實踐時，若因導—地線間距大而存在實施困難的，也可酌情降低間距值，極限距離是確保雷擊間隙閃絡后不會在導—地線間建立穩(wěn)定的工頻續(xù)流電弧。按照工頻電弧建立所需最低平均運行電場強度6 kV/m計算，對中性點不接地系統，導—地線間距不得低于2.2 m，對中性點經低電阻接地、高電阻接地和諧振接地系統，導—地線間距不得低于2.0 m。依據表1～表7數據，可以測算出實際選擇的間距對應的耐雷水平。需要提醒的是，降低耐雷水平即降低間距雖然不至于發(fā)生雷擊跳閘、絕緣導線斷線等故障，但線路雷擊閃絡概率不可避免會增大，并伴隨電壓瞬時跌落問題，供電質量變差。

對于占比較低的大跨越等大檔距線路，因電桿高度、檔距等均為特別設計，可參照本研究的建模計算方法，依據雷電過電壓具體計算結果來確定導—地線間距。

4 結論

1)在10 kV架空線路典型設計范圍內，雷擊檔距中央架空地線產生的導—地線間雷電過電壓主要受檔距長度和導線參數影響，桿頭結構、電桿高度、電桿接地電阻參數變化對其影響較小，仿真計算時可做簡化處理。

2)現行技術標準推薦的有架空地線線路檔距中央導—地線間距計算公式對10 kV架空線路存在較大偏差，推薦采用修正公式S=0.034L+0.04進行工程設計。

3)大檔距線路宜參照本研究的建模方法、依據雷電過電壓仿真計算結果來確定導—地線間距。