浙南地區10 kV配電線路綜合防雷措施仿真研究

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(1.國網浙江瑞安市供電有限責任公司，浙江 瑞安 325000； 2.浙江九宏電力工程有限公司，浙江 蒼南 325802；3.溫州大學電氣數字化設計技術國家地方聯合工程實驗室，浙江 溫州 325035)

0 引言

10 kV配電線路分布廣、絕緣水平低，連接著變電站和眾多用戶，在雷雨季節，經常發生雷害事故，造成大面積停電，有時甚至造成人身傷亡，給人們生活和工業生產帶來不便，因此需要通過設計防雷措施提高10 kV配電線路的防雷水平，降低其雷擊跳閘率，提高線路供電可靠性，確保其安全運行[1]。

在實際工程中，很多地區仍然采用粗放式的防雷改造管理方式，即不考慮線路和防雷措施特點，無差異的選擇單一防雷措施進行治理，使得治理效果不顯著，改造過的桿塔需要進行二次改造，大大浪費了人力、物力。實際上，不同的線路防雷措施可能不同，就是同一條線路不同的部分，采用的措施可能也是不一樣的。如何對多種防雷措施進行有效的綜合利用，是電力系統防雷改造工程能否取得好的防雷效果的關鍵。因此，在實施電力系統防雷工程前，首先采用計算機仿真技術進行綜合防雷措施仿真評估，再根據評估結果選擇技術經濟性較高的綜合防雷措施是提高電力系統防雷改造效果的關鍵技術之一[2]。

浙南地區某10 kV配電線路總長達38.882 km，絕大部分位于山區，通道較差，受臺風和雷電影響嚴重。原線路桿塔所在土質以花崗巖、松砂石為主，電阻率很高，接地電阻大多未能達到設計要求，避雷效果不理想。據現有資料統計，2015年該地區線路因雷擊而造成跳閘、斷線的次數多達19次，線路可靠性很差，因此深入分析輸電線路的耐雷性能并提出合理的防雷措施對電力系統的安全可靠運行具有重要的工程意義。

輸電線路的耐雷水平作為反映輸電線路抵抗雷擊能力的重要技術特性之一，其性能通常采用雷電流的大小來評估，也即在線路遭受雷擊時，不使線路絕緣子發生閃絡的最大雷電流值[1]。本文應用電磁暫態軟件ATP-EMTP和CDEGS軟件等電力系統優化設計仿真軟件[2-3]，結合浙南地區10 kV架空線路的工程實際，對架設耦合地線、安裝線路避雷器、降低桿塔接地電阻和采用不平衡絕緣裝置等多種防雷措施對線路防雷效果的影響進行仿真分析，然后針對綜合防雷措施預防直擊雷和感應雷的防雷效果進行綜合仿真分析，從而為實際防雷工程實施提供技術支撐。

1 防雷改造前某10 kV線路簡介

從防雷改造前某10 kV線路選取其中的一段支線對線路基本情況進行介紹。該支線線路共有桿塔17基，線路采用單回路架設，導線排列方式采用三角形排列，桿塔以普通鋼筋混泥土桿為主，桿高12 m。計算機仿真時選取其中一段典型線路(1#桿塔至6#桿塔)。

線路的鋼筋棍凝土桿塔大多為自然接地，其接地電阻不宜超過30 Ω。有地線的線路桿塔的工頻接地電阻不宜超過表1的具體規定。

表1 有地線的線路桿塔的接地電阻

通過對桿塔所在的土壤進行測量可以得到土壤電阻率和桿塔接地電阻，如表2和表3所示的數據。

土壤電阻率直接影響接地電阻的大小，由于線路桿塔大多位于花崗巖、松砂石的土質中，所以土壤的電阻率很高，導致接地電阻隨之增大。綜合表1～3可知，現有大部分桿塔接地電阻不滿足表1所規定的要求。

表2 桿塔土壤電阻率測量值

表3 桿塔處接地電阻測量結果

2 線路直擊雷過電壓仿真模型

為了研究10 kV架空線路的防雷性能，本文利用ATP-EMTP軟件，建立線路桿塔遭受雷擊時的數字仿真模型，包括雷電流模型、架空線路模型、桿塔模型和絕緣子閃絡模型。

2.1 雷電流模型

雷電流模型采用ATP-EMTP中的Heidler指數模型來模擬，雷電流設置為2.6/50 μs，幅值可隨10 kV架空線路防雷仿真的需要進行動態調整。

2.2 架空線路模型

導線模型選用能反映線路頻率特性的JMARTI模型。本文中，線路導線選用的型號為JKLYJ-10-70[4]，線路檔距為60 m，導線的參數如下：導體截面為70 mm2，導線參考外徑為10.0 mm，20°時導體電阻不大于0.443 Ω/km，導體拉斷力不小于10354 N。

2.3 桿塔模型

高度在40 m以下的桿塔，仿真研究時可以采用集中參數電感模型[5]。規程DL/T 620-1997對此類桿塔電感的參考值作出規定[6]，對于無拉線和有拉線的鋼筋混凝土單桿，桿塔電感分別為0.84 μH/m和0.42 μH/m。

在ATP-EMTP中，本文采用常用線性元件來模擬桿塔接地電阻，仿真的接地電阻數值取表3接地電阻的平均值。

2.4 絕緣子閃絡模型

在ATP-EMTP仿真中，通常采用壓控開關來模擬桿塔絕緣子閃絡模型。線路絕緣子釆用針式P-15型，其沖擊擊穿電壓為200 kV。

3 10 kV線路防雷措施仿真分析

通常，10 kV架空線路常用的防雷措施主要包括：架設避雷線、降低接地電阻、安裝耦合地線、安裝避雷器和采用不平衡絕緣裝置等[7]。加裝避雷線的改造，在浙南地區的防雷改造工程應用上難度較大，不予采用。

10 kV架空線路仿真模型如圖1所示，該模型模擬桿塔在無任何防雷措施時，雷擊3#桿塔塔頂的動態性能。

圖1 無防雷措施時雷擊塔頂線路的部分仿真模型

雷電流的幅值設為2.4 kA，仿真得到3號桿塔絕緣子兩端電壓波形如圖2所示。由圖2可知，B相絕緣子發生閃絡，A相絕緣子兩端電壓最大值約為109.21 kV，C相絕緣子兩端電壓最大值約為136.85 kV。

3.1 安裝線路避雷器

用能表示分段線性函數的MOV模型來模擬線路避雷器[8]，避雷器型號為YH5WS3-17/50，動作電壓設置為15 kV。圖3給出了加裝避雷器的線路仿真模型。

圖3 加裝避雷器的3#桿塔仿真模型

當3#桿塔安裝避雷器后，其B相絕緣子兩端電壓波形如圖4所示。由圖4可見，在2.4 kA雷電流作用下，3#桿塔的B相絕緣子未發生閃絡，絕緣子兩端電壓最大值約為37.38 kV。

圖4 B相塔絕緣子兩端電壓波形

改變雷電流幅值后，仿真結果顯示，雷擊3#桿塔塔頂(未安裝避雷器)時線路耐雷水平約為1.4 kA；安裝避雷器時耐雷水平約為8.2 kA。可見，線路安裝避雷器后，線路耐雷水平比未安裝避雷器時提高了約4.9倍，防雷效果顯著。

3.2 安裝耦合地線

雷擊桿塔塔頂時，耦合地線能對雷電流進行分流，并起到耦合作用，從而降低桿塔絕緣子上的電壓，在一定程度上提高了線路的耐雷水平。仿真選取的耦合地線型號為GJ-35，裝有耦合地線線路在ATP-EMTP中的仿真模型如圖5所示。

圖5 安裝耦合地線的仿真模型

當雷電流幅值設為2.4 kA時，雷擊3#桿塔塔頂，仿真得到的桿塔三相絕緣子兩端電壓波形如圖6所示。由圖可見，絕緣子均未發生閃絡，B相絕緣子兩端電壓最大值約為182.18 kV，A相絕緣子兩端電壓約為74.91 kV，C相絕緣子兩端電壓約為45.82 kV。

圖6 安裝耦合地線的3#桿塔絕緣子兩端電壓波形

對安裝耦合地線的模型進一步仿真，仿真結果顯示：線路安裝耦合地線后其耐雷水平約為2.6 kA。

3.3 降低桿塔接地電阻

雷擊桿塔，過高的接地電阻會造成很高的反擊電壓，從而導致桿塔上的絕緣子被擊穿[9]。尤其在浙南地區，由于其過高的土壤電阻率，使得桿塔的接地電阻很難達到規程要求。

增加水平接地電極的長度可以在一定程度上降低桿塔的接地電阻[10]。根據GB/T50065-2011交流電氣裝置的接地設計規范的相關規定[4]：在大地電阻率300 Ω·m <ρ <2 000 Ω·m的地區，采用水平敷設的接地裝置，接地極埋設深度不宜小于0.5 m；放射形接地極每根的最大長度應符合表5的規定。

表5 放射形接地極每根的最大長度

利用CDEGS軟件[3]，接地極模型如圖7所示。接地極選用等效半徑r=14 mm的圓柱形水平接地體，材料為鍍鋅扁鐵。水平接地極埋設的深度d=0.8 m，土壤電阻率為ρ=647 Ω·m；在水平接地極上增加垂直接地極，垂直接地極長度取h=5 m。

圖7 接地極模型

表6 接地極電阻與接地極長度的關系

當用圖7(a)方式敷設接地極時，得到不同水平接地極長度的電阻如表6所示。由表6可以看到，電極的長度對接地電阻有一定影響，電極越長，接地電阻越小，但是隨著接地極長度的增加，電阻下降的趨勢明顯放緩。

當用圖7(b)方式敷設接地極時(水平接地極L=60 m)，接地極的電阻約為19 Ω；當用圖7(c)方式時(水平接地極L=60 m)，接地極的電阻約為16.5 Ω。

當雷電流為1.5 kA時，不同接地電阻對應的線路過電壓比較如表7所示。

由表7可知，桿塔接地電阻對線路過電壓情況影響較為明顯，接地電阻越小，線路過電壓越小。但接地電阻過小，在山區進行工程實現的成本也會隨之增加，因此接地電阻的設計需要綜合考慮防雷效果和工程成本等多種因素。

表7 不同接地電阻對應的線路過電壓比較

3.4 采用不平衡絕緣裝置

采用不平衡絕緣裝置這種方法的目的是使兩相閃絡耐雷水平遠遠大于單相閃絡。采用計算機仿真技術，可以得到不同絕緣子配置線路單相閃絡和兩相閃絡的耐雷水平，其結果如表8所示。由表8可知，利用不平衡絕緣這種方法，兩相閃絡的耐雷水平達到20.3 kA，比線路的初始配置方案1(14.4 kA)提高了約41%。

表8 絕緣子不同配置對應的線路耐雷水平

4 10 kV線路綜合防雷措施的具體方案選擇

基于上述單一防雷措施對10 kV線路防雷效果影響仿真研究，本文對以下兩種綜合防雷措施進行了仿真分析與性能比較，從而為10 kV線路實際防雷工程設計與實現提供技術支撐。

4.1 方案1

1) 全線架設耦合地線，即在桿塔上添加一根型號為GJ-35的鍍鋅鋼絞線，距地面8.1 m；

2) 全線安裝避雷器，型號YH5WS3-17/50；

3) 降低桿塔接地電阻，電阻為19 Ω。

4.2 方案2

1) 全線架設耦合地線，即在桿塔上添加一根型號為GJ-35的鍍鋅鋼絞線，距地面8.1 m；

2) 采用不平衡絕緣方法：B相絕緣子采用P-15，AC相采用P-15M；

3) 降低桿塔接地電阻，電阻為19 Ω。

4.3 方案1與方案2仿真分析與性能比較

從表9可知，方案1單相閃絡和兩相閃絡的耐雷水平均高于方案2，可見方案1防直擊雷的效果優于方案2。

表9 兩種方案的直擊雷耐雷水平對比

當雷電擊中大地時，會在10 kV架空線路上產生感應電壓。借鑒文獻[11-12]的研究思路，基于ATP-EMTP仿真軟件的10 kV架空線路感應電壓的仿真模型如圖8所示。

圖8 10 kV架空線路感應電壓仿真模型

當雷擊位置距離線路30 m時，雷電流幅值為70 kA時，采用防雷方案1和方案2對應的B相絕緣子兩端波電壓形如圖9所示。

圖9 兩種方案的B相絕緣子電壓波形比較

當線路采用方案2時，雷擊線路附近，3號桿塔上B相絕緣子發生閃絡；而采用方案1時，號桿塔上B相絕緣子未發生閃絡，線路所受感應電壓最大值約為34.95 kV。

表10 不同雷電流下無防雷措施和兩種方案的絕緣子電壓對比

進一步，改變雷電流幅值對10 kV架空線路進行模擬仿真，不同雷電流下無防雷措施和兩種方案的絕緣子電壓對比如表10所示。由表10可知：當雷電流幅值大于50 kA時，線路采用方案2后，B相絕緣子發生閃絡，而采用方案1時，線路運行正常。因此，方案1預防感應雷過電壓的效果明顯優于無防雷措施和方案2。

基于上述仿真分析，不難看出方案1相比方案2在預防直擊雷和感應雷方面均具有明顯優勢。因此，本文選用方案1對該10 kV線路于2015年進行了防雷改造工程，迄今為止該線路未出現因雷擊而造成線路故障的情況，防雷效果明顯。

5 結語

本文依據浙南地區10 kV架空線路所處環境，結合ATP-EMTP軟件和CDEGS軟件，具體分析了安裝避雷器、架設耦合地線、降低桿塔接地電阻和采用不平衡絕緣裝置對10 kV架空線路耐雷水平的影響。仿真結果表明：結合使用前3中防雷措施能夠大大提高線路的耐雷水平和降低線路的感應雷過電壓幅度，并且絕緣子不會出現閃絡。基于該仿真研究方案對該線路進行了防雷改造工程，自2015年改造后至今尚未發現因雷擊而造成的線路故障，防雷效果顯著。因此，借助ATP-EMTP軟件和CDEGS軟件等計算機仿真與輔助設計技術，綜合使用安裝避雷器、架設耦合地線、降低桿塔接地電阻等防雷措施對復雜山區10 kV架空線路防雷優化設計提供了技術支撐，值得進一步推廣應用。