雙回配電線路直擊雷過電壓耐雷水平及閃絡(luò)特性研究

常雯雪，陳 嬌，金 楊，陳 鵬，林萬成，曾繁杰

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000；2.珠海廣達(dá)電氣有限公司，廣東 珠海 519000；3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080；4.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司云浮供電局，廣東 云浮 527300）

0 引 言

配電線路是輸電網(wǎng)與用戶端的重要連接，而雷害是配電線路的主要故障原因。配電線路分布范圍廣，絕緣水平低。雷電直擊配電線路架空導(dǎo)線、絕緣子以及避雷器等元件，往往會造成不可恢復(fù)的損壞，嚴(yán)重影響用電可靠性和故障搶修恢復(fù)時(shí)間。常規(guī)設(shè)計(jì)的配電線路一般不設(shè)置線路避雷器和避雷線。在雷暴活動強(qiáng)烈地區(qū)如何采取合理的雷電保護(hù)配置，對于減少配電線路雷電損壞具有重要意義。國內(nèi)學(xué)者近年對配電線路各種防雷措施開展了研究[1-2]，主要集中在感應(yīng)雷過電壓方面[3]。清華大學(xué)王希等[4-5]對安裝避雷器和不安裝避雷器的2.4 km配電線路感應(yīng)過電壓進(jìn)行計(jì)算，考慮了大地電阻率對感應(yīng)過電壓水平的影響。大地電導(dǎo)率對于感應(yīng)過電壓衰減和變形影響較大，大地電導(dǎo)率越小，線路沿線波形幅值越小。線路安裝避雷器的情況下，可以很好地抑制配電線路感應(yīng)過電壓幅值。

本文針對雙回配電線路直擊雷，對線路直擊雷過電壓耐雷水平及閃絡(luò)特性進(jìn)行研究，定量分析在雷擊桿塔和雷擊導(dǎo)線時(shí)，接地電阻和絕緣水平對線路耐雷水平及閃絡(luò)范圍的影響，得到了3 km雙回路配電線路的耐雷水平及閃絡(luò)范圍。

1 線路基本參數(shù)與仿真建模

我國10 kV配電線路直線水泥桿接地方式有2種類型6種方式。基礎(chǔ)型式一有直埋式基礎(chǔ)、卡盤基礎(chǔ)和底盤基礎(chǔ)，基礎(chǔ)型式二有套筒無鋼筋式基礎(chǔ)、套筒式基礎(chǔ)和臺階式基礎(chǔ)。計(jì)算桿塔采用直埋式基礎(chǔ)，埋深1.9 m。桿塔沖擊接地阻抗值與土壤的電阻率有關(guān)，表1為廣東兩鎮(zhèn)土壤的電阻率測量數(shù)據(jù)，淺層土壤電阻率為20～25 Ω·m。表2為經(jīng)過CDGES仿真軟件計(jì)算后獲得的Φ190×12-M桿塔直埋式不同電阻率下的沖擊阻抗值。土壤電阻率為300 Ω·m時(shí)，沖擊接地電阻為61.86 Ω。在ATP-EMTP計(jì)算中，不以接地電阻為變量時(shí)使用60 Ω集中參數(shù)電阻模擬桿塔沖擊接地電阻[6-7]。

表1 土壤電阻率測量

表2 桿塔沖擊接地電阻

本文計(jì)算模型參數(shù)根據(jù)“南方電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和典型造價(jià)平臺”《國家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)工程典型設(shè)計(jì)》[8]以及DL/T5220-2005《10 kV及以下架空配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[9]。雙回線路采用三層橫擔(dān)雙垂直排列，橫擔(dān)采用角鋼橫擔(dān)HD-75/09-230。1.5 km線路有23個(gè)桿塔，3 km線路有44個(gè)桿塔。選用配電線路導(dǎo)線型號為JL/G1A-120/20，檔距70 m；架空線路終端有配電變壓器，配電變壓器處設(shè)有避雷器保護(hù)。在軟件ATPEMTP中建立仿真計(jì)算電路，線路桿塔編號從首端至線路末端依次為1～67號。線路使用ATP-EMTP中的LCC模塊，仿真時(shí)根據(jù)精度需要選用J.Marti線路模型。該模型能直接計(jì)算架空避雷線與相導(dǎo)線之間的耦合以及大地回路的趨膚效應(yīng)，簡化了計(jì)算步驟。

2 直擊雷過電壓耐雷水平及閃絡(luò)特性分析

2.1 兩種雷擊形式線路耐雷水平及閃絡(luò)特性

我國常規(guī)10 kV配電線路大多沒有架設(shè)避雷線。在沒有架設(shè)避雷線的情況下，配電線路導(dǎo)線與桿塔易遭受雷電直擊。本文計(jì)算時(shí)分別考慮雷擊桿塔與雷擊導(dǎo)線兩種工況。表3為雷擊1.5 km雙回線路中央桿塔和導(dǎo)線時(shí)的耐雷水平。雷擊導(dǎo)線時(shí)，雷擊相為1A相。計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，雙回線路在雙垂直排列情況下在一回一相發(fā)生閃絡(luò)后，當(dāng)雷電流增大時(shí)，第二回的某一相先于第一回的非雷擊相閃絡(luò)。雙回線路兩回供電用戶可能不同，計(jì)算雙回第二回耐雷水平有利于估計(jì)雷害影響范圍。雷擊導(dǎo)線時(shí)，雙回耐雷水平較雷擊桿塔時(shí)略高。雷擊相導(dǎo)線在吸引直擊雷擊后，它的作用相當(dāng)于一條屏蔽避雷線，保護(hù)了其他相，而雷擊桿塔時(shí)沒有這一效果。當(dāng)桿塔接地電阻較大，桿塔電位升高將使其他未發(fā)生閃絡(luò)相的絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。

表3 兩種雷擊形式線路耐雷水平

圖1為雷擊線路中央導(dǎo)線和雷擊線路中央桿塔時(shí)，全線在1 kA、3 kA、10 kA、30 kA、50 kA、75 kA以及100 kA雷電流下的閃絡(luò)范圍。

（1）相較于雷擊導(dǎo)線，雷擊桿塔時(shí)線路閃絡(luò)范圍小0～2桿。

（2）雙回線路閃絡(luò)范圍相比于單回線路閃絡(luò)范圍，在相應(yīng)的雷電流幅值下差距在0～2桿內(nèi)。

（3）線路在50 kA雷擊導(dǎo)線時(shí)出現(xiàn)隔桿閃絡(luò)現(xiàn)象，在計(jì)算單回線路時(shí)出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，主要是線路首末端反射波疊加造成的。

圖1 兩種雷擊形式線路閃絡(luò)范圍

2.2 接地電阻對線路耐雷水平及閃絡(luò)范圍的影響

雷擊1.5 km單回線路中央導(dǎo)線時(shí)，接地電阻對線路耐雷水平和閃絡(luò)范圍的影響如圖2和圖3所示。考慮了土壤電阻率100～1 000 Ω·m的情況，絕緣子50%放電電壓240 kV，桿塔接地電阻不同情況下的耐雷水平和閃絡(luò)范圍。計(jì)算的接地電阻為5 Ω、10 Ω、20 Ω、30 Ω、40 Ω、50 Ω、100 Ω、150 Ω 和200 Ω。圖2表明，線路不發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，線路耐雷水平與線路桿塔接地電阻大小無關(guān)。當(dāng)改善桿塔接地時(shí)，線路閃絡(luò)范圍明顯減小；當(dāng)接地電阻為5 Ω時(shí)，雷電流100 kA內(nèi)線路閃絡(luò)范圍僅雷擊點(diǎn)附近6桿。雷電流越大時(shí)，雷擊點(diǎn)附近桿塔泄流越大，閃絡(luò)范圍越易控制。當(dāng)雷電流較大時(shí)，改善接地對縮小線路閃絡(luò)范圍的效果非常明顯。

圖2 接地電阻對線路耐雷水平的影響

2.3 絕緣水平對線路耐雷水平及閃絡(luò)范圍的影響

計(jì)算不同的絕緣子U50%線路的耐雷水平和閃絡(luò)范圍，結(jié)果如圖4和圖5所示。計(jì)算工況：接地電阻60 Ω，雷擊1.5 km雙回線路中央導(dǎo)線，絕緣子絕緣水平為118 kV、134 kV、147 kV、179 kV、211 kV、266 kV和296 kV。

圖3 接地電阻對線路閃絡(luò)范圍的影響

圖4 絕緣水平對線路耐雷水平的影響

圖5 絕緣水平對線路閃絡(luò)范圍的影響

由圖4可知，線路耐雷水平隨絕緣水平的升高而升高，關(guān)系近乎線性上升。絕緣水平每提高30 kV，線路耐雷水平提高約0.2 kA，提高效果不佳，296 kV絕緣水平線路耐雷水平僅2.1 kA。由圖5可知，不同雷電流幅值的曲線均近乎水平，絕緣水平提高對線路閃絡(luò)范圍的縮小效果不甚明顯。絕緣水平最大與最小之間，相應(yīng)的30 kA及以上雷電流下，閃絡(luò)桿塔相差3～6桿。對比圖3的計(jì)算結(jié)果，相比于提高線路的絕緣水平，改善線路的接地電阻對縮小線路閃絡(luò)范圍更有效。

2.4 不同長度配電線路的耐雷水平及閃絡(luò)范圍

計(jì)算雷擊3 km雙回線路中央導(dǎo)線的線路耐雷水平和閃絡(luò)范圍，表4和圖6分別為線路長度為3 km時(shí)的耐雷水平和閃絡(luò)范圍。雙回線路雷擊相發(fā)生閃絡(luò)后，因?yàn)榇嬖谂c雷擊相同一水平線的相導(dǎo)線，非雷擊相更易于發(fā)生閃絡(luò)。雷電流達(dá)到50 kA后，線路容易出現(xiàn)隔桿閃絡(luò)和距避雷器較遠(yuǎn)處的桿塔發(fā)生閃絡(luò)。

表4 1.5 km雙回線路雷擊導(dǎo)線時(shí)耐雷水平

圖6 3 km雙回線路閃絡(luò)范圍

雷電流幅值在50 kA之前，閃絡(luò)百分比與雷電流幅值成正比；雷電流30 kA時(shí)，3 km線路閃絡(luò)百分比為23.7%；雷電流50 kA時(shí)，3 km線路閃絡(luò)百分比為45%。當(dāng)雷電流幅值大于50 kA之后，雷電流幅值變化對閃絡(luò)百分比影響不大。

3 結(jié) 論

（1）接地電阻小于50 Ω時(shí)，每升高10 Ω，30 kA以上雷電流閃絡(luò)范圍擴(kuò)大3～5桿。較低的接地電阻可以有效泄放較大幅值的雷電流，而當(dāng)接地電阻增大時(shí)，雷擊點(diǎn)附近入地電流幅值降低，線路閃絡(luò)范圍擴(kuò)大。計(jì)算了常規(guī)線路安裝118～296 kV共7種耐雷水平不同的絕緣子耐雷水平和閃絡(luò)范圍發(fā)現(xiàn)，絕緣水平每提升30 kV，線路耐雷水平約提高0.2 kA。

（2）相比于提高線路的絕緣水平，改善線路的接地電阻對于縮小線路閃絡(luò)范圍更有效。當(dāng)雷電流較大時(shí)，改善接地對縮小線路閃絡(luò)范圍的效果明顯。

（3）線路長度為3 km時(shí)，雙回線路雷擊相發(fā)生閃絡(luò)后，因?yàn)榇嬖谂c雷擊相同一水平線的相導(dǎo)線，非雷擊相更易于發(fā)生閃絡(luò)。雷電流達(dá)到50 kA后，線路易出現(xiàn)隔桿閃絡(luò)和距避雷器較遠(yuǎn)處的桿塔發(fā)生閃絡(luò)。