雙回配電線路直擊雷過電壓耐雷水平及閃絡特性研究

常雯雪，陳 嬌，金 楊，陳 鵬，林萬成，曾繁杰

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

0 引 言

配電線路是輸電網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線、絕緣子以及避雷器等元件，往往會造成不可恢復的損壞，嚴重影響用電可靠性和故障搶修恢復時間。常規設計的配電線路一般不設置線路避雷器和避雷線。在雷暴活動強烈地區如何采取合理的雷電保護配置，對于減少配電線路雷電損壞具有重要意義。國內學者近年對配電線路各種防雷措施開展了研究[1-2]，主要集中在感應雷過電壓方面[3]。清華大學王希等[4-5]對安裝避雷器和不安裝避雷器的2.4 km配電線路感應過電壓進行計算，考慮了大地電阻率對感應過電壓水平的影響。大地電導率對于感應過電壓衰減和變形影響較大，大地電導率越小，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特性進行研究，定量分析在雷擊桿塔和雷擊導線時，接地電阻和絕緣水平對線路耐雷水平及閃絡范圍的影響，得到了3 km雙回路配電線路的耐雷水平及閃絡范圍。

1 線路基本參數與仿真建模

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。基礎型式一有直埋式基礎、卡盤基礎和底盤基礎，基礎型式二有套筒無鋼筋式基礎、套筒式基礎和臺階式基礎。計算桿塔采用直埋式基礎，埋深1.9 m。桿塔沖擊接地阻抗值與土壤的電阻率有關，表1為廣東兩鎮土壤的電阻率測量數據，淺層土壤電阻率為20～25 Ω·m。表2為經過CDGES仿真軟件計算后獲得的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，沖擊接地電阻為61.86 Ω。在ATP-EMTP計算中，不以接地電阻為變量時使用60 Ω集中參數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

本文計算模型參數根據“南方電網標準設計和典型造價平臺”《國家電網公司配電網工程典型設計》[8]以及DL/T5220-2005《10 kV及以下架空配電線路設計技術規程》[9]。雙回線路采用三層橫擔雙垂直排列，橫擔采用角鋼橫擔HD-75/09-230。1.5 km線路有23個桿塔，3 km線路有44個桿塔。選用配電線路導線型號為JL/G1A-120/20，檔距70 m；架空線路終端有配電變壓器，配電變壓器處設有避雷器保護。在軟件ATPEMTP中建立仿真計算電路，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，仿真時根據精度需要選用J.Marti線路模型。該模型能直接計算架空避雷線與相導線之間的耦合以及大地回路的趨膚效應，簡化了計算步驟。

2 直擊雷過電壓耐雷水平及閃絡特性分析

2.1 兩種雷擊形式線路耐雷水平及閃絡特性

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

表3 兩種雷擊形式線路耐雷水平

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

（1）相較于雷擊導線，雷擊桿塔時線路閃絡范圍小0～2桿。

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

（3）線路在50 kA雷擊導線時出現隔桿閃絡現象，在計算單回線路時出現了同樣的現象，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范圍

2.2 接地電阻對線路耐雷水平及閃絡范圍的影響

雷擊1.5 km單回線路中央導線時，接地電阻對線路耐雷水平和閃絡范圍的影響如圖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范圍。計算的接地電阻為5 Ω、10 Ω、20 Ω、30 Ω、40 Ω、50 Ω、100 Ω、150 Ω 和200 Ω。圖2表明，線路不發生閃絡時，線路耐雷水平與線路桿塔接地電阻大小無關。當改善桿塔接地時，線路閃絡范圍明顯減小；當接地電阻為5 Ω時，雷電流100 kA內線路閃絡范圍僅雷擊點附近6桿。雷電流越大時，雷擊點附近桿塔泄流越大，閃絡范圍越易控制。當雷電流較大時，改善接地對縮小線路閃絡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范圍的影響

計算不同的絕緣子U50%線路的耐雷水平和閃絡范圍，結果如圖4和圖5所示。計算工況：接地電阻60 Ω，雷擊1.5 km雙回線路中央導線，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范圍的縮小效果不甚明顯。絕緣水平最大與最小之間，相應的30 kA及以上雷電流下，閃絡桿塔相差3～6桿。對比圖3的計算結果，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范圍更有效。

2.4 不同長度配電線路的耐雷水平及閃絡范圍

計算雷擊3 km雙回線路中央導線的線路耐雷水平和閃絡范圍，表4和圖6分別為線路長度為3 km時的耐雷水平和閃絡范圍。雙回線路雷擊相發生閃絡后，因為存在與雷擊相同一水平線的相導線，非雷擊相更易于發生閃絡。雷電流達到50 kA后，線路容易出現隔桿閃絡和距避雷器較遠處的桿塔發生閃絡。

表4 1.5 km雙回線路雷擊導線時耐雷水平

圖6 3 km雙回線路閃絡范圍

雷電流幅值在50 kA之前，閃絡百分比與雷電流幅值成正比；雷電流30 kA時，3 km線路閃絡百分比為23.7%；雷電流50 kA時，3 km線路閃絡百分比為45%。當雷電流幅值大于50 kA之后，雷電流幅值變化對閃絡百分比影響不大。

3 結 論

（1）接地電阻小于50 Ω時，每升高10 Ω，30 kA以上雷電流閃絡范圍擴大3～5桿。較低的接地電阻可以有效泄放較大幅值的雷電流，而當接地電阻增大時，雷擊點附近入地電流幅值降低，線路閃絡范圍擴大。計算了常規線路安裝118～296 kV共7種耐雷水平不同的絕緣子耐雷水平和閃絡范圍發現，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范圍更有效。當雷電流較大時，改善接地對縮小線路閃絡范圍的效果明顯。

（3）線路長度為3 km時，雙回線路雷擊相發生閃絡后，因為存在與雷擊相同一水平線的相導線，非雷擊相更易于發生閃絡。雷電流達到50 kA后，線路易出現隔桿閃絡和距避雷器較遠處的桿塔發生閃絡。