35 kV中性點不接地系統架空線路雷擊風險評估

張文鋒，李志偉，張國建

（云南電網有限責任公司輸電分公司，云南 昆明 655000）

0 前言

35 kV配電線路在我國電力系統占據重要地位，承擔著直接向電力用戶輸送電能的任務，一旦配電線路發生故障導致停電事故，將會嚴重影響社會生產和生活，帶來很大的經濟損失，同時也會對電力系統本身帶來惡劣的影響[1-2]。35 kV配電線路絕緣水平低，防護措施不足，在運行中會有各種原因造成故障導致線路跳閘停電，而其中雷擊長期以來都是首要因素。

我國電力行業的國情是重視主網架的安全穩定性而輕視配網，近年來隨著主網架安全運行水平不斷提升和和農網改造推動，配電網的雷擊防護也開始得到關注。配電線路桿塔總體上配置的絕緣子片數少，多使用鋼筋混泥土桿，大部分不專門設人工接地，線路耐雷水平低，研究較集中于雷電感應過電壓。文獻[3-6]給出了10 kV配電線路感應過電壓的計算方法、仿真模型；文獻[7-8]提出了配電線路桿塔防雷措施，包括架設避雷線/耦合地線、改造加裝水泥桿接地引下線、安裝并聯間隙、線路避雷器、增加絕緣、優化接地方式等；文獻[9]仿真計算了10 kV配電線路臨近的變電站感應雷和直擊雷過電壓，提出了變電站進線段防雷保護措施。35 kV線路通常架設單根或兩根架空地線，兼具配電與輸電線路特點，實際運行經驗表明，35 kV線路由于直擊雷造成的線路跳閘率遠高于感應雷，且由于35 kV系統中性點一般為非有效接地，需要兩相或三相同時閃絡才能造成線路跳閘，這于主網輸電線路情況又有所不同。文獻[10-12]研究了35 kV線路直擊雷過電壓和雷擊跳閘率計算方法，重點防范35 kV雷電直擊造成多相閃絡的情況。目前，對于主網雷擊風險評估研究較多[13-15]，但工程上客觀評估35 kV線路雷擊風險的研究仍較少。

本文基于ATP-EMTP建立了35 kV架空線路和桿塔仿真模型，計算了典型桿塔反擊兩相閃絡耐雷水平；提出了基于線路雷擊跳閘率的雷擊風險評估方法，結合具體35 kV線路工程給出防雷改造方案，研究可為準確掌握35 kV中性點不接地系統架空線路的雷害水平、針對性加強防護措施提供參考。

1 耐雷水平和雷擊跳閘率計算

1.1 耐雷水平

中性點不接地系統單相故障后可持續運行2 h，雷擊線路為瞬時性故障，雷電繞擊通常僅造成一相閃絡，因此不會造成中性點不接地系統線路跳閘，本文主要研究直擊雷中的反擊。為使結果準確，本文采用ATP-EMTP進行仿真計算，采用ATPDraw作為圖形前端進行電路編輯并轉換為程序卡。

圖1 水泥桿結構及等效模型

雷電流采用ATPDraw集成的斜角波電流源，波形參數為2.6/50 μs，35 kV線路耐雷水平較低，根據雷電通道波阻抗與電流幅值關系，取值為800 Ω。

架空線采用ATPDraw集成的LCC元件，使用頻率相關參數的Jmarti模型，對單根地線總共4相，按規格填入導線參數即可。

35 kV線路常用斜拉線的鋼筋水泥桿或鐵塔，鋼筋水泥桿，等效為多段集中電感，取值0.42 μH/m，鐵橫擔等效為125 Ω的波阻抗，鐵塔的塔身及橫擔均等效為無損波阻抗，阻抗值根據各段高度及塔材規格計算。桿塔工頻接地電阻按實際值取，并考慮沖擊效應，通過自定義的MODELS元件實現。兩種塔結構及等效模型如圖2所示。

圖2 鐵塔結構及等效模型

本文搭建了3基桿塔、4段檔距的整體仿真模型（如圖3所示），雷電流從中間塔頂注入，絕緣間隙使用先導法閃絡判據，仿真中觀察不同雷電流幅值作用下各相絕緣間隙電壓變化，看是否出現兩相閃絡。

圖3 整體雷擊仿真模型

在絕緣距離0.584 m、工頻接地電阻20 Ω、呼高12 m條件下，鋼筋水泥桿和鐵塔的耐雷水平接近，其中單相閃絡耐雷水平約26 kA，兩相閃絡耐雷水平約32 kA；在絕緣距離0.730 m、工頻接地電阻20 Ω、呼高12 m條件下，鋼筋水泥桿和鐵塔的耐雷水平也接近，其中單相閃絡耐雷水平約35 kA，兩相閃絡耐雷水平約41 kA。總體上，兩相閃絡耐雷水平較單相閃絡提高20%左右，如表1所示。

表1 典型條件下耐雷水平

1.2 雷擊跳閘率

規程推薦的跳閘率計算如式(1)：

式(1)中：P為雷擊跳閘率，次/(100km·a)；Ng為地閃密度，次/(km2·a)；W為引雷寬度，m；g為擊桿率；P＞I為雷電流超過耐雷水平I的概率；η為建弧率。

中性點不接地系統發生兩相閃絡后，形成的工頻續流通道與中性點直接接地系統不同，建弧率計算方法也不同，文獻[12]采用式(2)計算建弧率：

式(2)中：UN為系統標稱線電壓，kV，對于35 kV線路取值為35；lj為兩相閃絡時放電路徑總長度，m。

對于地閃密度，不同區域、不同時段雷電活動情況均不相同，本文通過廣域雷電監測系統獲取全線雷電記錄后，逐線路段分別統計計算。

對于雷電流幅值累計概率分布，規程采用對數形式，如式(3)；IEEE采用式(4)，并推薦常參數a=31、b=2.6。

式(3)和式(4)中：P＞I為雷電流幅值超過I的概率；I為電流幅值，kA；a、b為常參數。

兩種形式都是多地觀測數據擬合后的平均結果，不能體現雷電活動在時間、空間分布的差異性規律，不宜通用。本文采用IEEE形式，但常參數a、b是由廣域雷電監測系統獲取全線雷電記錄后擬合得出。考慮到35 kV線路里程較短，為避免雷電數量偏少而導致擬合誤差大甚至失真，不應像地閃密度那樣將全線劃分多個線路段計算，而是全線統一計算。

2 雷擊風險評估

由前文知，兩相閃絡耐雷水平高于一相閃絡耐雷水平，而兩相閃絡時的建弧率小于一相閃絡時的建弧率，若按一相閃絡計算桿塔防雷性能必然夸大35 kV線路雷擊風險，增加后期改造成本。

為客觀、充分掌握全線每基桿塔防雷性能強弱，應逐基桿塔計算兩相閃絡耐雷水平和跳閘率，并且在雷電參數、桿塔結構、絕緣配置、接地電阻上選用各自的實際值，充分考慮這些因素的差異性。

具體實施過程包括：

1）收集線路桿塔信息，如塔型結構尺寸、桿塔坐標、絕緣配置、接地電阻、已有防雷措施等；

2）根據線路桿塔坐標，收集沿線區域近年來的雷電記錄，按區段統計計算地閃密度，按全線擬合雷電流幅值累積概率密度；

3）建立雷擊仿真模型，逐基桿塔仿真計算反擊兩相閃絡耐雷水平；根據式(1)，逐基桿塔計算反擊跳閘率；

4）對比雷擊跳閘率運行要求值和計算值，篩選出雷擊風險偏高的桿塔，即防雷性能不足，需要針對性加強防雷措施。

下文將結合實際工程案例闡述過程細節。

3 算例分析

前文闡述了適用于35 kV中性點不接地系統雷擊風險評估方法，現以云南地區某35 kV架空線為例，采用上述方法開展雷擊風險評估，指導后續加強防護措施。

3.1 線路信息

該35 kV架空線線路全長21.08 km，全線共架設桿塔53基，位于山區，分布如圖4所示。塔型既有JB3型水泥桿，也有ZS型鐵塔，呼高從12～21m不等。

圖4 35 kV架空線走向

導線型號為LGJ-185/30，地線型號GJ-35，全線架設單地線，導、地線相關參數如表2。

表2 導線參數

絕緣子類型為U70B，放電距離為584 mm或730 mm，接地電阻從7.5～26.8 Ω不等。

3.2 雷電參數

利用云南廣域雷電監測系統，篩選出該35 kV架空線沿線左右2 km范圍內2010～2017年間的雷電數據，共146條。

將全線劃分為4個區段，計算出各區段的地閃密度值如表3，全線平均地閃密度1.66次/(km2·a)。

表3 地閃總數及密度

將146條雷電記錄的電流幅值以式(4)為原型進行非線性擬合，得出參數a=26.97、b=2.82，分布曲線如圖5。

圖5 35 kV架空線雷電流幅值累計概率

3.3 耐雷水平和雷擊跳閘率

根據前文所述的仿真模型，逐基桿塔設置波阻抗、接地電阻、集中電感、絕緣間隙長度等參數，仿真計算各基桿塔的兩相閃絡耐雷水平。35 kV絕緣強度低，耐雷水平隨接地電阻增大而迅速減小，隨著接地電阻大到一定程度，減小速度趨緩，如圖6所示。

圖6 兩相閃絡耐雷水平隨接地電阻變化情況

該線路處于山區，單根地線條件下擊桿率取1/3，再將前文所得地閃密度、雷電流幅值累積概率代入式(1)，逐基桿塔計算雷擊跳閘率，結果如圖7所示。

圖7 各基桿塔雷擊跳閘率

上述計算過程較繁瑣，工程上通過程序實現批量化計算。

3.4 風險評價

根據運維單位對35 kV線路的運行要求，在2.78次/(km2·a)地閃密度條件下雷擊跳閘率不應超過2.4次/(100 km·a)，折算到該線路平均地閃密度條件下為1.44次/(100 km·a)，記作S。為細化每基桿塔雷擊風險等級，將計算跳閘率P值處于(0, 0.5S]、(0.5S, 1.0S]、(S, 1.5S]、(1.5S,+∞)的桿塔分別劃分為A、B、C、D四個等級，標準如表4。

表4 雷擊風險等級標準（S=1.44）

由上述標準，篩選出16#、17#等12基桿塔處于D級風險，4#、6#等10基桿塔處于C級風險，占比分別為22.6%、18.9%，此22基桿塔需要加強防雷措施。不同風險等級桿塔數量匯總于圖8。

圖8 不同雷擊風險等級桿塔數量

由圖6看出，降低接地電阻對于提升耐雷水平效果明顯，特別是在接地電阻值處于不大的范圍（＜20 Ω），提升更為迅速。但該35 kV線路桿塔大部分位于山地，土壤電阻率較高，繼續降低接地電阻難度大，最為有效的防護措施是三相加裝線路避雷器，建議后續重點在此22基桿塔加裝避雷器。

4 結束語

35 kV中性點不接地系統，架空線路單相故障可持續運行2 h，提出了以線路雷擊跳閘率為指標的雷擊風險評估方法，建立了仿真模型，并結合實際工程予以實施，得到以下結論。

1）35 kV中性點不接地系統，引起線路跳閘的雷擊耐雷水平應按兩相閃絡計，并主要考慮直擊雷中的反擊。

2）35 kV架空線路桿塔，典型條件下兩相閃絡耐雷水平較一相閃絡耐雷水平高20%左右，且兩相閃絡時的建弧率低于一相閃絡時的建弧率，若按一相閃絡計算桿塔防雷性能必然夸大35 kV線路雷擊風險，增加改造成本。

3）根據云南某35 kV線路工程實踐，約41.5%的桿塔屬于高風險等級，需要進行防雷改造。

4）降低接地電阻對于提升耐雷水平效果明顯，但在土壤電阻率較高的山區降阻難度大，推薦使用線路避雷器加強防護。