10 kV配網(wǎng)綜合防雷技術(shù)研究

閆永梅，王科，沈韜

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.昆明理工大學(xué)，昆明 650093)

10 kV配網(wǎng)綜合防雷技術(shù)研究

閆永梅1，王科1，沈韜2

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.昆明理工大學(xué)，昆明 650093)

感應(yīng)雷引起的跳閘事故已經(jīng)成為危害10 kV配電網(wǎng)輸電線(xiàn)路的主要原因。本文通過(guò)搭建配電網(wǎng)感應(yīng)雷數(shù)字仿真模型，仿真并分析了雷電流幅值、桿塔高度等對(duì)感應(yīng)雷過(guò)電壓大小的影響。并結(jié)合不同防雷措施的優(yōu)缺點(diǎn)，提出10 kV配網(wǎng)綜合防雷方法。

配電網(wǎng)；防雷措施；仿真分析

0 前言

隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步，社會(huì)與電力的聯(lián)系更加緊密，人們對(duì)供電的可靠性要求越來(lái)越高，電力電氣設(shè)備的可靠性逐步增加，電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的操作失誤也呈減少的趨勢(shì)，因此由雷擊引起的電網(wǎng)故障次數(shù)和危害性超過(guò)操作過(guò)電壓，成為影響電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的主要原因之一。在自然條件惡劣的地區(qū)，受雷電活動(dòng)的強(qiáng)烈的地形等影響因素，雷擊輸電線(xiàn)路引起的事故率更高。由于架空線(xiàn)路是直接暴露于環(huán)境中，其所經(jīng)地形也復(fù)雜多樣，加之輸電線(xiàn)路一般距離較遠(yuǎn)，因此極易受到外界的影響和損害。雷電直擊架空線(xiàn)路或者雷擊桿塔和架空線(xiàn)附近大地時(shí)，都會(huì)在輸電線(xiàn)中產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，從而引起線(xiàn)路開(kāi)關(guān)跳閘，更有甚者，過(guò)電壓將導(dǎo)致線(xiàn)路電氣設(shè)備原件的損壞，致使供電中斷甚至系統(tǒng)瓦解等惡性停電事故。

對(duì)于高壓輸電線(xiàn)路，尤其是110 kV及以上的高壓架空輸電線(xiàn)路，由于線(xiàn)路絕緣水平相對(duì)較高，雷擊線(xiàn)路附近時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)雷過(guò)電壓對(duì)線(xiàn)路正常運(yùn)行的影響并不大；對(duì)于中低壓輸電線(xiàn)路，尤其是10 kV配電網(wǎng)線(xiàn)路，由于絕緣水平較低，受雷電感應(yīng)過(guò)電壓的影響較大。雷擊事故嚴(yán)重影響了供電可靠性，而由感應(yīng)雷引起的跳閘事故的已經(jīng)成為危害10 kV配電網(wǎng)輸電線(xiàn)路的主要原因 [1-6]。因此，研究10 kV架空配電線(xiàn)路的感應(yīng)雷過(guò)電壓及過(guò)電壓防護(hù)，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行和供電可靠性具有十分重要的意義。

本文結(jié)合云南10 kV配電網(wǎng)實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，搭建配電網(wǎng)感應(yīng)雷數(shù)字仿真模型。針對(duì)特定的電網(wǎng)與線(xiàn)路結(jié)構(gòu)，仿真并分析了雷電流幅值、桿塔高度、落雷點(diǎn)與線(xiàn)路距離對(duì)感應(yīng)雷過(guò)電壓大小的影響。研究分析防止絕緣導(dǎo)線(xiàn)雷擊斷線(xiàn)、配變雷擊損壞的綜合防雷方案，降低線(xiàn)路雷擊跳閘率。

1 配網(wǎng)線(xiàn)路雷電過(guò)電壓類(lèi)型

根據(jù)過(guò)電壓行程的物理過(guò)程，雷閃放電引起線(xiàn)路雷電過(guò)電壓主要有以下幾種類(lèi)型：

1)感應(yīng)雷過(guò)電壓

當(dāng)雷擊輸電線(xiàn)路旁大地及輸電線(xiàn)桿塔時(shí)，在線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)上感應(yīng)出過(guò)電壓，感應(yīng)過(guò)電壓大小一般情況下為300～500 kV，如圖1(4)。所以對(duì)35kV及以下線(xiàn)路絕緣有一定威脅。

圖1 引起雷電過(guò)電壓的幾種雷擊類(lèi)型

2)雷電直擊導(dǎo)線(xiàn)過(guò)電壓

當(dāng)雷直接擊于無(wú)避雷線(xiàn)線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)或繞過(guò)避雷線(xiàn)而擊于導(dǎo)線(xiàn)引起導(dǎo)線(xiàn)出現(xiàn)較高的過(guò)電壓，使絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地短路，如圖1(3)。無(wú)避雷線(xiàn)線(xiàn)路這種情況容易發(fā)生，而有避雷線(xiàn)線(xiàn)路也可能發(fā)生，繞擊的多少用繞擊率來(lái)表示。

3)雷直擊桿塔反擊過(guò)電壓

當(dāng)雷擊于線(xiàn)路桿塔及桿塔旁1/4檔距的避雷線(xiàn)，較大的雷電流經(jīng)桿塔電感和接地電阻入地，如圖1(1)，使塔頂電位升高，這樣與導(dǎo)線(xiàn)之間形成一定的電位差，當(dāng)桿塔和導(dǎo)線(xiàn)的電位差超過(guò)絕緣子串50%放電電壓時(shí)，就會(huì)使線(xiàn)路絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地短路。

4)雷擊檔距中避雷線(xiàn)過(guò)電壓

雷擊有避雷線(xiàn)的線(xiàn)路的檔距中避雷線(xiàn)時(shí)，如圖1(2)，會(huì)產(chǎn)生很大的雷擊電流使避雷線(xiàn)電壓升高，但由于避雷線(xiàn)半徑較小，檔距較大，雷電流在沿桿塔傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊電暈，幅值衰減很快，一般不會(huì)導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)。按規(guī)程規(guī)定確定的避雷線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)的空氣間也極少發(fā)生閃絡(luò)。工程中一般不考慮這種過(guò)電壓。

2 感應(yīng)雷過(guò)電壓的計(jì)算及仿真

架空配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的計(jì)算分為兩個(gè)步驟：首先，通過(guò)雷電回?fù)舻臄?shù)學(xué)模型計(jì)算出雷電通道周?chē)姶艌?chǎng)；然后，建立雷電通道周?chē)姶艌?chǎng)與架空線(xiàn)路禍合的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算架空配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓。目前，我國(guó)配電網(wǎng)大多采用由架空線(xiàn)和電纜線(xiàn) (大多用于城市供電系統(tǒng)中)構(gòu)成的輻射狀結(jié)構(gòu)。隨著城市配電網(wǎng)的改造、建設(shè)，電纜線(xiàn)使用量大大增加，在考慮配網(wǎng)線(xiàn)路受感應(yīng)雷過(guò)電壓影響的時(shí)候，也需要考慮因電纜、架空絕緣線(xiàn)和裸導(dǎo)線(xiàn)在結(jié)構(gòu)上的不同，使感應(yīng)雷在三類(lèi)線(xiàn)路上產(chǎn)生的過(guò)電壓也存在不一樣。圖2所示為仿真模型示意圖。

圖2 輻射狀中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)

圖2中，假設(shè)該電網(wǎng)中的G為無(wú)限大電源；T為主變壓器，變比為110 kV/10 kV，聯(lián)結(jié)組別為YN/d11；TZ是Z形變壓器；L為消弧線(xiàn)圈；R為消弧線(xiàn)圈的阻尼電阻。線(xiàn)路采用架空裸線(xiàn)路、架空絕緣線(xiàn)、電纜三種線(xiàn)路組成。在圖1所示的仿真網(wǎng)絡(luò)中，架空裸導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)選用的是LGJ-120，絕緣架空線(xiàn)為JKLGJ-120，電力電纜型號(hào)選用的是YJLV22-3×120。本文通過(guò)仿真計(jì)算分析各參數(shù)對(duì)架空配電線(xiàn)路觀測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值和波形的影響。仿真過(guò)程中，雷電流模型選擇Heidler模型，雷電流波頭時(shí)間為1.2 μs，雷電流波長(zhǎng)時(shí)間為50 μs，雷電回?fù)羲俣葹?.5×108 m/s。結(jié)合仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以下影響規(guī)律

2.1 雷電流幅值的影響

隨著雷電流幅值的增加，線(xiàn)路上感應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值也會(huì)相應(yīng)增加，且雷電流幅值大小與感應(yīng)雷過(guò)電壓的幅值大小成接近于線(xiàn)性的關(guān)系。感應(yīng)雷過(guò)電壓上升沿部分的電壓爬升速度較快，引起的電壓沖擊最為明顯，對(duì)線(xiàn)路絕緣的危害最大。

2.2 落雷點(diǎn)與架空線(xiàn)路水平距離的影響

雷擊點(diǎn)距離線(xiàn)路越近，架空配電線(xiàn)路觀測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值越大，感應(yīng)雷過(guò)電壓爬升速度越快，在過(guò)電壓峰值過(guò)后，感應(yīng)過(guò)電壓的下降速度也越快，架空配電線(xiàn)路觀測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)雷過(guò)電壓的幅值隨雷擊點(diǎn)距離線(xiàn)路距離不斷增大衰減得越慢。

2.3 線(xiàn)路高度的影響

線(xiàn)路的對(duì)地高度會(huì)影響感應(yīng)雷在線(xiàn)路上引起的過(guò)電壓水平，架空配電線(xiàn)路觀測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)雷過(guò)電壓的幅值隨線(xiàn)路高度的增大而增加，為防止感應(yīng)雷的危害，配電網(wǎng)中的桿塔高度不宜太高。

2.4 線(xiàn)路長(zhǎng)度的影響

落雷點(diǎn)和線(xiàn)路之間垂點(diǎn)的雷電過(guò)電壓幅值與架空線(xiàn)路長(zhǎng)度大小關(guān)系不大，電磁波在線(xiàn)路上的傳播與相互疊加并不影響感應(yīng)雷過(guò)電壓的幅值，對(duì)于500 m到3 000 m長(zhǎng)度的架空輸電線(xiàn)路，其感應(yīng)雷電壓的最大幅值都約為70 kV。

2.5 架空地線(xiàn)對(duì)感應(yīng)雷過(guò)電壓的影響

架空線(xiàn)路的電磁屏蔽作用，會(huì)降低相導(dǎo)線(xiàn)上的感應(yīng)過(guò)電壓，其原理可作如下解釋?zhuān)杭芸盏鼐€(xiàn)與大地相連接保持地電位，可以看做將一部 “大地”引入相導(dǎo)線(xiàn)的近區(qū)。對(duì)靜電感應(yīng)，其影響是增大了相導(dǎo)線(xiàn)的對(duì)地電容從而使導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地電位降低，另外也可以認(rèn)為接地的架空地線(xiàn)通過(guò)電容耦合抑制相導(dǎo)線(xiàn)上的電壓，相導(dǎo)線(xiàn)離架空地線(xiàn)越近，則耦合越好，感應(yīng)電壓越低。對(duì)于電磁感應(yīng)，其影響相當(dāng)于在導(dǎo)線(xiàn)-大地回路附近增加了一個(gè)地線(xiàn)-大地的短路環(huán)，從而抵消了一部分導(dǎo)線(xiàn)上的電磁感應(yīng)電勢(shì)。這樣，架空地線(xiàn)總的保護(hù)效果是降低了導(dǎo)線(xiàn)上的感應(yīng)過(guò)電壓。

2.6 避雷器對(duì)感應(yīng)雷過(guò)電壓的影響

利用數(shù)值計(jì)算方法可以統(tǒng)計(jì)線(xiàn)路感應(yīng)過(guò)電壓。避雷器密度增加，感應(yīng)過(guò)電壓降低。全線(xiàn)安裝避雷器后感應(yīng)過(guò)電壓可以降低60%，是無(wú)避雷器保護(hù)線(xiàn)路的40%。但是若每隔一個(gè)桿塔安裝一組避雷器，離雷擊點(diǎn)最近的桿塔上沒(méi)有安裝避雷器，過(guò)電壓水平會(huì)升高很多，接近全線(xiàn)無(wú)避雷器保護(hù)線(xiàn)路的水平。安裝避雷器后，雷擊閃絡(luò)發(fā)生在沒(méi)有安裝避雷器的桿塔處。

3 10 kV配電網(wǎng)綜合防雷方案

3.1 加裝線(xiàn)路避雷器

在易擊段桿塔上安裝線(xiàn)路避雷器可以有效的提高線(xiàn)路防雷性能，線(xiàn)路避雷器的選擇性安裝應(yīng)該予以相當(dāng)?shù)闹匾暎蔷€(xiàn)路避雷器保護(hù)范圍較小，只能有效保護(hù)1個(gè)基桿塔，只有所有桿塔都安裝，其保護(hù)效果才能得到體現(xiàn)，且需確保避雷器的接地裝置良好、接地電阻合格。由于其昂貴的價(jià)格的限制，要結(jié)合桿塔周?chē)牡匦巍夂颉⑹挛锏纫蛩剡M(jìn)行綜合考慮，將避雷器安裝在最需要的桿塔上。

3.2 安裝防雷金具

該保護(hù)裝置直接安裝在絕緣子上端，上部金屬電極中有一個(gè)帶穿刺的電極，它可穿透絕緣導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層，實(shí)現(xiàn)與內(nèi)部的導(dǎo)體緊密電接觸；在雷電過(guò)電壓的作用下，該保護(hù)裝置直接通過(guò)與導(dǎo)體緊密接觸的穿刺刀片，將雷電過(guò)電壓引至該保護(hù)裝置的外部金屬電極，使雷電過(guò)電壓直接加在該保護(hù)裝置的外部金屬電極和絕緣子底部金屬電極之間，從而造成雷電過(guò)電壓沿著絕緣子表面擊穿。此后，工頻續(xù)流電弧將沿著該保護(hù)裝置的金屬電極表面漂忽移動(dòng)燃燒，而不會(huì)再像架空絕緣導(dǎo)線(xiàn)那樣總是固定在某一點(diǎn)燒灼。這樣，實(shí)際上該保護(hù)裝置就是在絕緣子處，將絕緣導(dǎo)線(xiàn)變成了類(lèi)似的裸露導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)，它不易被燒壞，從而保護(hù)了架空絕緣導(dǎo)線(xiàn)在雷擊過(guò)程中不會(huì)斷線(xiàn)。

3.3 安裝可調(diào)式保護(hù)間隙

針對(duì)電纜和絕緣架空線(xiàn)，可以采用可調(diào)式保護(hù)間隙進(jìn)行保護(hù)，減少電纜和絕緣架空線(xiàn)的外層絕緣受到的過(guò)電壓沖擊。可調(diào)式保護(hù)間隙的工作原理為：在絕緣子串旁邊并聯(lián)一對(duì)金屬電極，構(gòu)成保護(hù)間隙，間隙距離小于絕緣子串的串長(zhǎng)。正常運(yùn)行時(shí)，并聯(lián)間隙具有均勻工頻電場(chǎng)的作用。架空線(xiàn)路遭受雷擊時(shí)，在絕緣子串上產(chǎn)生較高的雷電沖擊過(guò)電壓，由于并聯(lián)間隙的雷電放電電壓低于絕緣子串的放電電壓，間隙先放電，連續(xù)的工頻電弧在電動(dòng)力和熱應(yīng)力作用下離開(kāi)絕緣子串在間隙電極之間燃燒并向外發(fā)展，保護(hù)絕緣子串免于損壞，進(jìn)而防止了雷擊斷線(xiàn)。

3.4 采用絕緣塔頭和橫擔(dān)

對(duì)同桿雙回或同桿多回配電線(xiàn)路，可采用絕緣子與絕緣橫擔(dān)組合的配置方式；對(duì)三角排列的單回配電線(xiàn)路，可采用絕緣桿頭、絕緣橫擔(dān)、絕緣子組合的配置方式，桿塔上部整體形成一個(gè)絕緣塔頭，提高10 kV配電線(xiàn)路的絕緣水平和供電可靠性。絕緣塔頭、橫擔(dān)具備良好的電氣絕緣性能，具有放電電壓高、 泄漏電流小，抗老化能力強(qiáng)、適應(yīng)長(zhǎng)期戶(hù)外運(yùn)行環(huán)境以及便于安裝等特點(diǎn)。能夠大幅提高配電線(xiàn)路的絕緣水平，使雷電放電的空氣間距增大。通過(guò)采用絕緣塔頭或絕緣子和絕緣橫擔(dān)的組合絕緣，使放電路徑增大3-4倍，絕緣水平提高至110 kV線(xiàn)路水平，在感應(yīng)過(guò)電壓下一般不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。

3.5 加裝耦合地線(xiàn)或桿塔拉線(xiàn)

對(duì)于降低桿塔接地電阻有困難，以及雖已部分安裝避雷線(xiàn)但仍易受雷害侵襲的線(xiàn)路，也可采用加裝耦合地線(xiàn)或桿塔拉線(xiàn)的方法。其原理是通過(guò)增加避雷線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)之間的耦合作用，從而降低絕緣子串上的電壓，對(duì)雷電流進(jìn)行有效分流，使桿塔波阻抗減小。由于加裝耦合地線(xiàn)成本較高，且耦合地線(xiàn)并不能完全防止絕緣子串受雷擊閃絡(luò)，故無(wú)法大范圍推廣使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)配網(wǎng)防雷措施現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，通過(guò)搭建配電網(wǎng)感應(yīng)雷數(shù)字仿真模型，針對(duì)特定的電網(wǎng)與線(xiàn)路結(jié)構(gòu)，對(duì)配電變壓器、架空裸導(dǎo)線(xiàn)、絕緣架空線(xiàn)、電纜等進(jìn)行了數(shù)字建模，仿真并分析了雷電流幅值、桿塔高度、落雷點(diǎn)與線(xiàn)路距離對(duì)感應(yīng)雷過(guò)電壓大小的影響。收集并總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的主要防雷手段，列舉了架空地線(xiàn)、線(xiàn)路避雷器、防弧金具等一系列配電網(wǎng)防雷設(shè)施與手段，并分析與比較了其優(yōu)缺點(diǎn)。為今后在云南山區(qū)的特殊地理環(huán)境，綜合采用多種防雷措施，切實(shí)提高配網(wǎng)防雷水平降低雷擊跳閘率，提供了借鑒和參考。

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[3] 黃衛(wèi)洪.10 kV配網(wǎng)線(xiàn)路防雷技術(shù)初探 [J].電力科技，2012，10：165.

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Study on Lightning Protection Techniques for 10 kV Distribution Network

YAN Yongmei1，WANG Ke1，SHEN Tao2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.Yunnan，650217，China；2.Kunming University of Science and Technology，Yunnan 650093，China)

Tripping caused by the induced lightning has been become the main hazard to the 10 kV power distribution network.In this study，we establish a simulation model for the induced lightning of distribution network and analyze the influence of the amplitude of lightning current，height of the tower，etc.By comparing the advantage and disadvantage of different protection techniques，we proposed a comprehensive lightning protection method for 10 kV distribution network.

distribution network；lightning protection techniques；simulation analysis

TM85

B

1006-7345(2015)06-0103-03

2015-09-13