35 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)架空線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

張文鋒，李志偉，張國建

（云南電網(wǎng)有限責(zé)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(tǒng)占據(jù)重要地位，承擔(dān)著直接向電力用戶輸送電能的任務(wù)，一旦配電線路發(fā)生故障導(dǎo)致停電事故，將會(huì)嚴(yán)重影響社會(huì)生產(chǎn)和生活，帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)本身帶來惡劣的影響[1-2]。35 kV配電線路絕緣水平低，防護(hù)措施不足，在運(yùn)行中會(huì)有各種原因造成故障導(dǎo)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(yè)的國情是重視主網(wǎng)架的安全穩(wěn)定性而輕視配網(wǎng)，近年來隨著主網(wǎng)架安全運(yùn)行水平不斷提升和和農(nóng)網(wǎng)改造推動(dòng)，配電網(wǎng)的雷擊防護(hù)也開始得到關(guān)注。配電線路桿塔總體上配置的絕緣子片數(shù)少，多使用鋼筋混泥土桿，大部分不專門設(shè)人工接地，線路耐雷水平低，研究較集中于雷電感應(yīng)過電壓。文獻(xiàn)[3-6]給出了10 kV配電線路感應(yīng)過電壓的計(jì)算方法、仿真模型；文獻(xiàn)[7-8]提出了配電線路桿塔防雷措施，包括架設(shè)避雷線/耦合地線、改造加裝水泥桿接地引下線、安裝并聯(lián)間隙、線路避雷器、增加絕緣、優(yōu)化接地方式等；文獻(xiàn)[9]仿真計(jì)算了10 kV配電線路臨近的變電站感應(yīng)雷和直擊雷過電壓，提出了變電站進(jìn)線段防雷保護(hù)措施。35 kV線路通常架設(shè)單根或兩根架空地線，兼具配電與輸電線路特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，35 kV線路由于直擊雷造成的線路跳閘率遠(yuǎn)高于感應(yīng)雷，且由于35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)一般為非有效接地，需要兩相或三相同時(shí)閃絡(luò)才能造成線路跳閘，這于主網(wǎng)輸電線路情況又有所不同。文獻(xiàn)[10-12]研究了35 kV線路直擊雷過電壓和雷擊跳閘率計(jì)算方法，重點(diǎn)防范35 kV雷電直擊造成多相閃絡(luò)的情況。目前，對(duì)于主網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較多[13-15]，但工程上客觀評(píng)估35 kV線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)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(jì)算了典型桿塔反擊兩相閃絡(luò)耐雷水平；提出了基于線路雷擊跳閘率的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，結(jié)合具體35 kV線路工程給出防雷改造方案，研究可為準(zhǔn)確掌握35 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)架空線路的雷害水平、針對(duì)性加強(qiáng)防護(hù)措施提供參考。

1 耐雷水平和雷擊跳閘率計(jì)算

1.1 耐雷水平

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相故障后可持續(xù)運(yùn)行2 h，雷擊線路為瞬時(shí)性故障，雷電繞擊通常僅造成一相閃絡(luò)，因此不會(huì)造成中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)線路跳閘，本文主要研究直擊雷中的反擊。為使結(jié)果準(zhǔn)確，本文采用ATP-EMTP進(jìn)行仿真計(jì)算，采用ATPDraw作為圖形前端進(jìn)行電路編輯并轉(zhuǎn)換為程序卡。

圖1 水泥桿結(jié)構(gòu)及等效模型

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

架空線采用ATPDraw集成的LCC元件，使用頻率相關(guān)參數(shù)的Jmarti模型，對(duì)單根地線總共4相，按規(guī)格填入導(dǎo)線參數(shù)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(dān)等效為125 Ω的波阻抗，鐵塔的塔身及橫擔(dān)均等效為無損波阻抗，阻抗值根據(jù)各段高度及塔材規(guī)格計(jì)算。桿塔工頻接地電阻按實(shí)際值取，并考慮沖擊效應(yīng)，通過自定義的MODELS元件實(shí)現(xiàn)。兩種塔結(jié)構(gòu)及等效模型如圖2所示。

圖2 鐵塔結(jié)構(gòu)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(dǎo)法閃絡(luò)判據(jù)，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(xiàn)兩相閃絡(luò)。

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(luò)耐雷水平約26 kA，兩相閃絡(luò)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(luò)耐雷水平約35 kA，兩相閃絡(luò)耐雷水平約41 kA。總體上，兩相閃絡(luò)耐雷水平較單相閃絡(luò)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(guī)程推薦的跳閘率計(jì)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(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生兩相閃絡(luò)后，形成的工頻續(xù)流通道與中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)不同，建弧率計(jì)算方法也不同，文獻(xiàn)[12]采用式(2)計(jì)算建弧率：

式(2)中：UN為系統(tǒng)標(biāo)稱線電壓，kV，對(duì)于35 kV線路取值為35；lj為兩相閃絡(luò)時(shí)放電路徑總長度，m。

對(duì)于地閃密度，不同區(qū)域、不同時(shí)段雷電活動(dòng)情況均不相同，本文通過廣域雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取全線雷電記錄后，逐線路段分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

對(duì)于雷電流幅值累計(jì)概率分布，規(guī)程采用對(duì)數(shù)形式，如式(3)；IEEE采用式(4)，并推薦常參數(shù)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(shù)。

兩種形式都是多地觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合后的平均結(jié)果，不能體現(xiàn)雷電活動(dòng)在時(shí)間、空間分布的差異性規(guī)律，不宜通用。本文采用IEEE形式，但常參數(shù)a、b是由廣域雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(shù)量偏少而導(dǎo)致擬合誤差大甚至失真，不應(yīng)像地閃密度那樣將全線劃分多個(gè)線路段計(jì)算，而是全線統(tǒng)一計(jì)算。

2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由前文知，兩相閃絡(luò)耐雷水平高于一相閃絡(luò)耐雷水平，而兩相閃絡(luò)時(shí)的建弧率小于一相閃絡(luò)時(shí)的建弧率，若按一相閃絡(luò)計(jì)算桿塔防雷性能必然夸大35 kV線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)，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(qiáng)弱，應(yīng)逐基桿塔計(jì)算兩相閃絡(luò)耐雷水平和跳閘率，并且在雷電參數(shù)、桿塔結(jié)構(gòu)、絕緣配置、接地電阻上選用各自的實(shí)際值，充分考慮這些因素的差異性。

具體實(shí)施過程包括：

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

2）根據(jù)線路桿塔坐標(biāo)，收集沿線區(qū)域近年來的雷電記錄，按區(qū)段統(tǒng)計(jì)計(jì)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(jì)算反擊兩相閃絡(luò)耐雷水平；根據(jù)式(1)，逐基桿塔計(jì)算反擊跳閘率；

4）對(duì)比雷擊跳閘率運(yùn)行要求值和計(jì)算值，篩選出雷擊風(fēng)險(xiǎn)偏高的桿塔，即防雷性能不足，需要針對(duì)性加強(qiáng)防雷措施。

下文將結(jié)合實(shí)際工程案例闡述過程細(xì)節(jié)。

3 算例分析

前文闡述了適用于35 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，現(xiàn)以云南地區(qū)某35 kV架空線為例，采用上述方法開展雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，指導(dǎo)后續(xù)加強(qiáng)防護(hù)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(shè)桿塔53基，位于山區(qū)，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(dǎo)線型號(hào)為LGJ-185/30，地線型號(hào)GJ-35，全線架設(shè)單地線，導(dǎo)、地線相關(guān)參數(shù)如表2。

表2 導(dǎo)線參數(shù)

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(shù)

利用云南廣域雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，篩選出該35 kV架空線沿線左右2 km范圍內(nèi)2010～2017年間的雷電數(shù)據(jù)，共146條。

將全線劃分為4個(gè)區(qū)段，計(jì)算出各區(qū)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(shù)及密度

將146條雷電記錄的電流幅值以式(4)為原型進(jìn)行非線性擬合，得出參數(shù)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(jì)概率

3.3 耐雷水平和雷擊跳閘率

根據(jù)前文所述的仿真模型，逐基桿塔設(shè)置波阻抗、接地電阻、集中電感、絕緣間隙長度等參數(shù)，仿真計(jì)算各基桿塔的兩相閃絡(luò)耐雷水平。35 kV絕緣強(qiáng)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(luò)耐雷水平隨接地電阻變化情況

該線路處于山區(qū)，單根地線條件下?lián)魲U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(jì)算雷擊跳閘率，結(jié)果如圖7所示。

圖7 各基桿塔雷擊跳閘率

上述計(jì)算過程較繁瑣，工程上通過程序?qū)崿F(xiàn)批量化計(jì)算。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)運(yùn)維單位對(duì)35 kV線路的運(yùn)行要求，在2.78次/(km2·a)地閃密度條件下雷擊跳閘率不應(yīng)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(xì)化每基桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，將計(jì)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(gè)等級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)如表4。

表4 雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（S=1.44）

由上述標(biāo)準(zhǔn)，篩選出16#、17#等12基桿塔處于D級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，4#、6#等10基桿塔處于C級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，占比分別為22.6%、18.9%，此22基桿塔需要加強(qiáng)防雷措施。不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)桿塔數(shù)量匯總于圖8。

圖8 不同雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)桿塔數(shù)量

由圖6看出，降低接地電阻對(duì)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(xù)降低接地電阻難度大，最為有效的防護(hù)措施是三相加裝線路避雷器，建議后續(xù)重點(diǎn)在此22基桿塔加裝避雷器。

4 結(jié)束語

35 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，架空線路單相故障可持續(xù)運(yùn)行2 h，提出了以線路雷擊跳閘率為指標(biāo)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，建立了仿真模型，并結(jié)合實(shí)際工程予以實(shí)施，得到以下結(jié)論。

1）35 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，引起線路跳閘的雷擊耐雷水平應(yīng)按兩相閃絡(luò)計(jì)，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(luò)耐雷水平較一相閃絡(luò)耐雷水平高20%左右，且兩相閃絡(luò)時(shí)的建弧率低于一相閃絡(luò)時(shí)的建弧率，若按一相閃絡(luò)計(jì)算桿塔防雷性能必然夸大35 kV線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)，增加改造成本。

3）根據(jù)云南某35 kV線路工程實(shí)踐，約41.5%的桿塔屬于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，需要進(jìn)行防雷改造。

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