山區10 kV架空配電線路防雷保護技術研究

梁 晨，高 尚，付文慶，呂 澳

（國網北京門頭溝供電公司，北京 102300）

0 引 言

對于山區而言，架空配電線路的維護和檢修工作開展難度較大，為了最大限度保障電力系統的安全性，實施科學有效的保護措施是十分必要的[1]。雷擊危害是影響山區架空配電線路安全性的重要因素之一，因此針對該問題設計具體的防雷保護技術成為備受關注的熱點[2,3]。雷電作為一種較為常見的自然現象，在山區的氣象條件下，出現雷擊現象的可能性更高。在單次雷擊放電過程中，形成的電壓可以達到百萬伏特級別，因此雖然持續的時間較為短暫，但是其釋放出巨大的能量仍然會對輸電線路造成嚴重的破壞[4-6]。一般情況下，當雷電作用于輸電線路上時，在這種強電壓的沖擊下，絕緣損壞和線路短路問題是相對較輕的情況，嚴重時甚至會出現爆炸事故[7]。通過上述的分析不難看出，針對山區的實際環境特點，對配電線路實施針對性的防雷保護措施是保障供電穩定性和安全性的必要工作內容之一。

針對該問題，本文以山區10 kV架空配電線路為研究對象，提出了一種防雷保護技術，并通過實際分析測試的方式驗證了設計技術的應用效果。

1 10 kV架空配電線路防雷保護技術設計

1.1 架空配電線路雷擊作用機制分析

在雷云對地放電過程中，雷云中的電荷會轉入到大地中，在這種放電模式下，在避雷針、桿塔的作用下，放電階段電荷形成的電流波會向下運動至大地，輸電線路受到雷擊作用時，雷擊過程本身與雷電通道傳輸電磁波到地面的過程基本一致。以此為基礎，本文通過等效處理的方式建立了雷擊作用下配電線路的運行狀態模型，具體可以表示為

式中：i為在雷電波作用下線路的電流參數；i0為理想狀態下線路的電流參數；z0表示配電線路自身的阻抗參數；zc表示配電線路在雷電波作用下形成的阻抗參數。

雷電波對于配電線路的作用方式主要分為2種，分別是感應雷過電壓作用和直擊雷過電壓作用。

（1）在感應雷過電壓作用發生時，雷擊點與線路之間的距離一般在65 m以上，對應的感應過電壓強度Ug計算方式可以表示為

式中：k為感應系數；h為配電線路的高度；L表示雷擊點與線路之間的距離。通過式（2）可以看出，在感應過電壓作用模式下，雷擊對于線路影響強度的大小主要取決于雷擊點與線路之間的距離和電流參數。針對該問題，在后續的保護技術設計過程中，需要重點加強對屏蔽裝置作用強度的研究。

（2）在直擊雷過電壓作用發生時，線路的過電壓強度Ud計算方式可以表示為

通過這樣方式，即可實現對架空配電線路雷擊作用機制有效分析，為后續的保護技術設計提供執行基礎。

1.2 耦合地線的防雷參數設置

本文對雷電保護技術進行設計的過程中，主要是通過對耦合地線的參數進行合理化設置。結合已有的實際雷電故障數據信息可以發現，當過電壓高于線路絕緣子串電壓的50%時，會引發線路故障。以此為基礎，在實施對配電線路的防雷設計時，防護裝置的屏蔽雷電過電壓強度Uf應達到

式中：λ為防護裝置的分流系數；lg為配電線路桿塔的電感參數；r為配電線路的接地電阻參數；ε為雷電作用下線路過電壓參數與理想狀態下過電壓參數之間的差值。

在受到雷電過電壓作用時，耦合地線和導線的電壓均會出現一定程度的波動。當耦合地線處于不接地狀態時，架空線上產生由于雷電作用形成的電壓與導線的高度表現出正比例關系。為了最大限度地降低線路運行參數的波動情況，耦合地線的參數設置結果可以表示為

式中：Uo為當耦合地線處于不接地狀態時，耦合地線的參數設置結果；ho表示耦合地線與地面之間的距離。需要特別注意的是，在輸電線路實際運行的過程中，耦合地線的實際電位處于接近于0的狀態，因此在對不接地耦合地線參數進行設置時可以直接通過在原有耦合地線結構上疊加式（5）所示的電壓。

當耦合地線處于接地狀態時，在耦合作用下架空導線中會存在對應的耦合電壓，此時對耦合地線的參數設置結果可以表示為

式中：Uo'為耦合地線處于接地狀態時，耦合地線的參數設置結果；γ為耦合地線與配電線路之間的耦合系數。該參數值與耦合地線和架空線路之間的互波阻抗直接相關，互波阻抗越大，耦合系數越小，互波阻抗越小，耦合系數越大。

按照這樣的方式對耦合地線的參數進行適應性設置，實現對配電線路防雷保護的目的，避免由于雷電過電壓的作用使得線路運行狀態出現異常，為安全穩定的電力運輸提供保障。

2 測試與分析

在對設計的防雷保護技術的應用效果進行分析階段，本文采用電磁暫態仿真軟件ATPDraw作為測試環境，通過分析實施本文設計保護措施后的10 kV架空配電線路感應雷過電壓強度，明確其保護作用效果。對于具體的仿真數據，本文以某山區5條雷害事故高發的10 kV架空配電線路作為測試數據，其中線路的用電半徑為20.6 km，雷害多發線路段線路的走徑主要集中在半山坡及山頂位置2.5 km，山頂至山頂的大跨越較為密集，測試線路段的桿塔共26基，線路已進行了絕緣化改造，因此導線狀況良好。將上述參數作為仿真測試的數據，測試本文設計保護技術的應用效果。圖1為仿真環境示意圖。

圖1 測試仿真環境示意圖

為了更加全面地分析測試結果，分別將文獻[4]提出的電線路絕緣子防雷電沖擊技術和文獻[5]提出的桿塔波阻抗防雷電沖擊技術在相同環境下同時進行測試。

在上述基礎上，本文分別測試在不同雷過電壓的作用下，導線過電壓的下降情況，得到的測試結果如表1所示。

表1 不同防雷技術測試結果統計表

從表1中可以看出，在3種方法中，導線過電壓的下降比例均隨著雷電過電壓強度的增加呈現出逐漸加大的趨勢，但是對具體的參數進行分析可以發現，3種方法的防雷效果仍存在較為明顯的差異。其中，在電線路絕緣子防雷電沖擊技術作用下，導線過電壓的下降比例最小值為32.46%（雷電過電壓為110 kV時），最大值達到了50.00%（雷電過電壓為160 kV時），表明當雷電過電壓強度較大時，線路受雷電作用的影響較為明顯，防雷效果有待提升。在桿塔波阻抗防雷電沖擊技術作用下，導線過電壓的下降比例最小值為33.0%（雷電過電壓為110 kV時），最大值達到了45.97%（雷電過電壓為160 kV時），雖然整體波動范圍較小，但是對于實際的輸電線路而言，電壓的下降程度已經對線路供電質量產生了相應的影響。在本文設計防雷保護技術作用下，線路過電壓下降比例始終穩定在40.00%以內，最大值為37.42%（雷電過電壓為160 kV時），最小值僅為26.44%（雷電過電壓為110 kV時）。測試結果表明，本文設計的山區10 kV架空配電線路防雷保護技術可以有效降低雷電對于線路運行狀態的影響，能夠切實起到保護線路的作用。

3 結 論

本文提出山區10 kV架空配電線路防雷保護技術研究，在明確雷電對于配電線路影響作用機制的基礎上，通過對耦合地線的參數進行合理化設置，實現對配電線路的防雷保護，大大降低了不同雷電過電壓強度對于輸電線路的影響。通過本文的研究內容，希望能夠為山區實際的架空線路保護工作提供參考價值，最大限度降低雷電自然現象對于輸電安全的影響，對于電力運輸工作的順利開展起到了一定的保障作用。