交流35kV輸電線路反擊耐雷性能研究

吳晗晉

摘要：雷擊對(duì)電線線路有很大的影響，35kV線路大多采用中性點(diǎn)不接地的方式運(yùn)行，而且沒有架設(shè)避雷線，因此其耐雷特性不是很高，在使用過程中很容易出現(xiàn)安全隱患。文章對(duì)交流35kV輸電線路反擊耐雷性能進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：交流電路；35kV輸電線路；防雷措施；耐雷性能；雷擊；停電事故 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM721 文章編號(hào)：1009-2374（2016）13-0136-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.065

雷擊是一種很常見的自然災(zāi)害，對(duì)于電線線路有很大的影響。當(dāng)電線線路遇到雷擊的時(shí)候，很容易造成線路跳閘停電事故，當(dāng)雷電擊到輸電線路的時(shí)候，會(huì)沿著輸電線路的傳播，進(jìn)而進(jìn)入到變電所中，成為危害變電所運(yùn)營(yíng)安全的一個(gè)重要原因。因此，在線路架設(shè)以及保護(hù)的過程中應(yīng)該重視輸電電路的雷擊防護(hù)問題。當(dāng)前對(duì)110kV以上輸電線路進(jìn)行了很多研究，對(duì)于35kV的研究則相對(duì)少一些。但是在我國(guó)的很多線路中，采用的都是35kV輸電線路和中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式，而且沒有架設(shè)避雷線，在使用過程中很容易出現(xiàn)安全隱患。

1 35kV輸電線路反擊耐雷特性計(jì)算方法

1.1 反擊耐雷水平的計(jì)算

在我國(guó)很多35kV的輸電線路中，Z型塔比較常見，如圖1所示：

如圖1所示，對(duì)于我們?nèi)粘Ｉ钪斜容^常見的Z型塔，一旦出現(xiàn)雷電現(xiàn)象時(shí)，一般都會(huì)首先擊中桿塔的頂部，當(dāng)雷電流達(dá)到了一定的數(shù)值，就會(huì)使得圖1中的A相絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)的情況，然后緊接著B相線路也會(huì)出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，因?yàn)锳相導(dǎo)線出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象之后會(huì)產(chǎn)生分流的作用，因此可以將其看作是避雷線。

如圖2所示的等值電路可以計(jì)算出桿塔的電位大小，其中各個(gè)參數(shù)代表的含義不相同：Lt指的是桿塔的等值電感；Rg指的是桿塔的沖擊接地電阻；it指的是流經(jīng)桿塔入地的雷電流；Zc指的是桿塔兩側(cè)A相一檔導(dǎo)線并聯(lián)的等值波阻抗；iA指的是流經(jīng)線路A相導(dǎo)線的電流。

一旦被雷電擊中，各個(gè)部位的電阻大小是不相同的，一般說來，被雷擊中的部位對(duì)地電阻比雷電通道的波阻抗相對(duì)要低一些，所以我們?cè)谟?jì)算電流以及電壓的過程中就可以相對(duì)地忽略雷電通道波阻抗的影響，輸電線路中的電流i可以看成是可以看成是從輸電線路的桿塔頂端的A點(diǎn)注入的。如果桿塔中的雷電流出現(xiàn)了斜角波形，其幅值為I，波頭為πf，波頭陡度為α。因此就可以得到一個(gè)具體的計(jì)算雷電電流的公式：i=αt。當(dāng)桿塔出現(xiàn)雷擊現(xiàn)象的時(shí)候，很多電流都會(huì)通過輸電線路中被擊中的桿塔進(jìn)入到地面，一小部分會(huì)通過閃絡(luò)的A相絕緣子、A相導(dǎo)線等支路入地。則桿塔電流的計(jì)算公式為：。式中：β為桿塔分流系數(shù)，是桿塔電流與雷電流之比。塔頂電位的計(jì)算公

式為：，桿塔分流系數(shù)β的計(jì)算

公式為：。在一般的工程計(jì)算中，雷電流

波頭的取值可以是πf=2.6μs，Zc=40Ω，桿塔電感Lt=0.42ht，其中ht代表的是桿塔的高度。

從以上的公式中可以計(jì)算出分流系數(shù)以及塔電位瞬時(shí)值ut。如果桿塔的B相絕緣子未閃絡(luò)或剛好在雷電流上升到幅值I閃絡(luò)，則可以得到塔頂電位的最大數(shù)值，計(jì)算公式為：，其中，桿塔的分流系數(shù)β應(yīng)取B相絕緣子串閃絡(luò)前波頭部分的桿塔分流系數(shù)。當(dāng)塔頂?shù)碾娢粸閡top時(shí)，閃絡(luò)的A相導(dǎo)線具有和A相橫擔(dān)處相同的電位uA，，其

中，hA表示A相橫擔(dān)的高度，ht為桿塔高度。

在計(jì)算的過程中應(yīng)該要注意不同的線路之間的耦合作用，比如在圖1中的B相導(dǎo)線與A相導(dǎo)線之間就存在一定的耦合作用，在B相位的導(dǎo)線上會(huì)出現(xiàn)耦合電位kuA，其中，k代表的是耦合系數(shù)。整個(gè)過程中的耦合電位的極性與雷電流的極性是相同的，當(dāng)雷電擊中了輸電線路的桿塔頂部的時(shí)候，桿塔周圍的空間磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，在B相導(dǎo)線上將有感應(yīng)電壓出現(xiàn)，但是這個(gè)電壓的極性卻和雷電流的極性是完全相反的，其大小為，其中k0為B相導(dǎo)線對(duì)A相導(dǎo)線的幾何耦合系

數(shù)，這個(gè)參數(shù)的數(shù)值可以根據(jù)鏡像法求出；hCA代表的是線路中的A相導(dǎo)線的平均高度，hCB代表的是B相導(dǎo)線的平均高度，α代表的是感應(yīng)過電壓系數(shù)。

輸電線路被雷電擊中的時(shí)候，感應(yīng)雷電壓的大小會(huì)隨著時(shí)間的變化而不斷變化，這個(gè)變化的速度與主放電的發(fā)展速度等因素有關(guān)，對(duì)電壓進(jìn)行計(jì)算時(shí)的關(guān)系也比較復(fù)雜，如果采用不同的算法，得到的結(jié)果會(huì)有較大的差異。為了使得計(jì)算過程更加簡(jiǎn)單，在計(jì)算的時(shí)候可以認(rèn)為感應(yīng)雷電壓隨著時(shí)間的變化出現(xiàn)線性變化，雷電流達(dá)到最大值的時(shí)候，感應(yīng)的雷電壓也達(dá)到最大，B相導(dǎo)線電位uC等于其耦合電位和感應(yīng)雷電壓之和。

通過上述的公式分析可以看出，當(dāng)雷電擊中桿塔的頂部時(shí)輸電線路的反擊耐雷水平與導(dǎo)線間的耦合系數(shù)k有很大關(guān)系，一般說來，彼此的距離相對(duì)較遠(yuǎn)的兩根導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)相對(duì)較小，作用在絕緣子串上的電壓值相對(duì)比較高一些，因此很容易出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。在計(jì)算的過程中應(yīng)該要盡量選擇彼此之間的耦合系數(shù)比較小的相位作為分析的對(duì)象。對(duì)于我們?nèi)粘Ｉ钪斜容^常見的Z型塔而言，選擇如圖1所示的A相位和B相位比較

合適。

1.2 反擊跳閘率的計(jì)算

遇到雷擊危害時(shí)，很容易產(chǎn)生的一個(gè)危害就是跳閘，輸電線路之所以會(huì)出現(xiàn)跳閘，主要是有兩個(gè)條件：一個(gè)是雷電的電流超過了輸電線路本身可以承受的雷電電流忍耐水平，因此使得輸電線路中出現(xiàn)了沖擊閃絡(luò)；另一個(gè)是沖擊閃絡(luò)會(huì)轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的工頻電弧才會(huì)導(dǎo)致線路跳閘。在輸電線路的運(yùn)行過程中，任何一種情況都有可能出現(xiàn)，具體的反擊跳閘率的計(jì)算公式為：n1=NgP1n，其中n1為反擊跳閘率，n為建弧率，N為線路的年落雷次數(shù)，g為雷電擊中擊桿塔的頻率，P1為雷電流超過耐雷水平的統(tǒng)計(jì)概率。N、n、g可按規(guī)程法中的方法進(jìn)行計(jì)算。

2 35kV輸電線路反擊耐雷性能分析

在輸電線路的安裝過程中，一般都會(huì)安裝避雷線，但是對(duì)于一些沒有避雷線的35kV輸電線路，影響其反擊耐雷性能的因素有很多，比如沖擊接地的電阻、絕緣子的片數(shù)、桿塔的高度等。不同的因素在變化時(shí)，桿塔的反擊跳閘率也是有所不同的。

2.1 接地電阻對(duì)反擊跳閘率的影響

在輸電線路中，接地電阻也是一個(gè)十分重要的參數(shù)，接地電阻的大小與反擊跳閘率之間有一定的關(guān)系。假設(shè)桿塔有4片絕緣子，不同沖擊接地電阻時(shí)的反擊跳閘率的結(jié)果是不相同的。

由表1可知，桿塔的反擊跳閘率與接地電阻之間的關(guān)系成正比，當(dāng)接地電阻減小的時(shí)候，桿塔的反擊跳閘率也會(huì)減少，如果該電阻的值在10Ω以下，則反擊跳閘率的下降速度會(huì)加快，因此在具體的工作過程中，可以降低接地電阻的代銷，尤其是對(duì)變電站的進(jìn)線處進(jìn)行處理，比如接地操作，可以降低反擊跳閘率。

2.2 絕緣強(qiáng)度對(duì)反擊跳閘率的影響

不同的絕緣子片數(shù)對(duì)反擊跳閘率也有影響，假設(shè)桿塔的沖擊接地電阻為15Ω，不同絕緣子片數(shù)時(shí)線路反擊跳閘率有以下關(guān)系：

由表2可以得知，絕緣子片數(shù)與桿塔的反擊跳閘率之間有很大的聯(lián)系，一般說來，反擊跳閘率會(huì)隨著絕緣子片數(shù)的增加而迅速下降，兩者之間呈現(xiàn)一個(gè)十分明顯的反比關(guān)系。當(dāng)絕緣子的片數(shù)從3片增加到6片的時(shí)候，線路的反擊跳閘率會(huì)大幅度下降，基本下降了60%左右，尤其可以看出，針對(duì)35kV輸電線路而言，可以采取調(diào)爬措施來降低桿塔的反擊跳閘事故。

2.3 桿塔高度對(duì)反擊跳閘率的影響

在輸電線路的架設(shè)過程中，高度控制是一個(gè)十分重要的方面，輸電線路的高度不相同，其桿塔的反擊跳閘率也是不相同的。一般說來，輸電線路的桿塔高度越高，在遇到雷電天氣的時(shí)候會(huì)截獲更多的雷電，因此被雷電擊中的頻率也要高一些。當(dāng)桿塔的頂部被雷電擊中之后，雷電流也會(huì)經(jīng)過桿塔的塔身不斷傳播，直到接地裝置。在這個(gè)電流傳播的過程中就會(huì)引起負(fù)反射波，負(fù)反射波返回橫擔(dān)的時(shí)間增長(zhǎng)，會(huì)使得橫擔(dān)電位增高，從而增加絕緣子閃絡(luò)的可能性。通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)桿塔的高度不斷降低的時(shí)候，輸電線路的反擊跳閘率也會(huì)相對(duì)降低，兩者成正比關(guān)系。

3 結(jié)語

綜上所述，35kV輸電線路是我國(guó)電網(wǎng)中比較常見的線路之一，對(duì)于這類線路而言，出現(xiàn)單相閃絡(luò)現(xiàn)象的時(shí)候，系統(tǒng)有可能不會(huì)跳閘，在另外的兩個(gè)相位的導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生與輸電線路的桿塔電位的極性相同的耦合電壓，因此需要加強(qiáng)對(duì)輸電線路的反擊耐雷的性能進(jìn)行分析。經(jīng)過各種實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)接地的電阻不斷降低的時(shí)候，線路的反擊耐雷性能會(huì)有所增加，成反比的關(guān)系，線路的反擊耐雷性能與絕緣子的片數(shù)成反比關(guān)系，當(dāng)絕緣子的片數(shù)增加到6片的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)大幅度的下降，同時(shí)線路的反擊耐雷性能與桿塔的高度成正比，隨著桿塔高度的不斷降低，其耐雷性會(huì)降低。根據(jù)研究結(jié)果，在35kV輸電線路的架設(shè)過程中可以考慮這些因素，以提高線路的反擊耐雷性能。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）