高 源，孫學東，張 喆，張永生，姚志明，蓋露杰

（1.國網鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000；2.大連理工大學電氣工程學院，遼寧大連116024；3.沈陽華巖電力技術有限公司，沈陽110179；4.國網大連供電公司，遼寧大連116024）

10 kV架空線路雷擊斷線研究與防護

高 源1，孫學東1，張 喆1，張永生2，姚志明3，蓋露杰4

（1.國網鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000；2.大連理工大學電氣工程學院，遼寧大連116024；3.沈陽華巖電力技術有限公司，沈陽110179；4.國網大連供電公司，遼寧大連116024）

由于10 kV架空裸導線雷擊斷線事故頻繁發(fā)生，難以滿足用戶對可靠性和安全性的要求。以架空線路的結構參數為基礎，采用ATP-EMTP仿真軟件建立配電網感應雷擊過電壓模型，研究分析雷電發(fā)生時絕緣子兩端的電壓變化，比較各種防雷措施對限制雷電過電壓的效果，得到了一定線路參數下的仿真數據。并結合雷擊斷線現場實際情況進行分析，提出了“綜合防治”雷擊過電壓的措施，有效降低了絕緣子兩端的雷擊過電壓，對減少架空配電線路雷擊斷線事故發(fā)生，提高配電網的安全可靠運行有重要意義。

10 kV配網；裸導線；雷擊斷線；防雷措施

0 引言

在10 kV配網運行過程中，隨著運行時間的積累，發(fā)現雷擊斷線發(fā)生次數與頻率越來越高。因各運行單位普遍意識到絕緣導線遭受雷擊易發(fā)生斷線故障，所以在絕緣導線線路安裝有相應的防雷裝置，絕緣導線發(fā)生雷擊斷線故障現象得到控制。而人們普遍認為架空裸導線不存在雷擊斷線問題，未采取相應的防雷措施，在裸導線運行多年后，發(fā)現雷擊斷線故障越來越多。裸導線在運行過程中會發(fā)生腐蝕，在表面形成“斑點”，雷擊閃絡發(fā)生后，工頻電弧移動受裸導線表面腐蝕物和裂紋阻礙弧根不能自由移動，在裂紋處長時間灼燒導致導線斷裂。10 kV配網與用戶緊密相連，因此，對其安全性與可靠性有更高的要求。國網會對配網線路考核跳閘率，跳閘率高，會影響供電公司的社會和經濟效益[1-3]。

當前，隨著農村電網改造工程的深入進行，架空線路有增無減，妥善解決雷擊斷線問題，確保架空線路的安全運行已是當務之急。如表1所示，為某縣區(qū)2014年雷擊斷線情況統(tǒng)計，該地區(qū)雷擊斷線事故頻繁發(fā)生，發(fā)生雷擊斷線區(qū)段內涉及的桿塔數為1 367個，合計區(qū)段架空線路長度為102 km，由于配電網分布的廣泛性，不可能全線加裝避雷器，因此提出具有針對性的防雷改進措施具有重要意義。配電線路雷擊斷線的主要原因是雷擊附近時的感應過電壓，雷電感應過電壓除了導致頻繁的線路跳閘外，也會導致配電設備的損壞。本文就現場架空配電網雷擊斷線問題進行分析研究，通過對配電網感應雷擊過電壓水平進行仿真分析，提出了合理的防雷措施，抑制雷擊斷線事故發(fā)生。

表1 10 kV架空線路雷擊斷線統(tǒng)計表Table 1 Statistics of 10 kV overhead line lightning broken

1 10 kV線路感應雷過電壓數學建模

1.1 桿塔模型

配電網三相分布如圖1所示，大多采用無拉線鋼筋混凝土單桿，桿塔模型采用集中參數電感模型，電感值0.84 μH/m，接地電阻為5～20 Ω。

圖1 桿塔塔頭模型Fig.1 Model of Tower Head

1.2 線路模型

配電線路模型，筆者采用ATP-EMTP軟件中的JMarit模型隨頻率變化的多耦合器LCC子程序構建架空線路模型[4]。三相線路的參數見表2。

表2 10 kV架空線路參數Table 2 Statistics of 10 kV overhead line parameter

1.3 雷電流模型

配雷電流標準沖擊波采用雙指數模型，其數學表達式為

式中：Im為雷電流幅值，A為雷電流標準沖擊波系數；雷電流波形為2.6/50 μs（表示雷電流波前時間為2.6 μs，半峰值時間為50μs），經計算α=15 900，β=712 000，A=1.115 7，ATP軟件下雷電流波形如圖2所示[5-6]。

圖2 雷電流波形Fig.2 Lightning current waveform

式中：US-T為絕緣子串閃絡電壓，kV；l為絕緣子串長度；t為從雷擊到閃絡所經歷的時間，μs，一般為0.5～16 μs，絕緣子閃絡判別方法見圖3。

1.4 絕緣子閃絡模型

絕緣子閃絡模擬包括規(guī)程法和相交法，本文采用相交法，即判斷絕緣子伏秒特性曲線和雷擊過電壓曲線是否發(fā)生相交來判斷絕緣子的閃絡過程。IEEE、IEC組織推薦的絕緣子串在標準雷電波下的伏秒特性曲線公式[7]：

圖3 相交法判斷絕緣子閃絡Fig.3 Intersection method to judge the flashover of insulators

1.5 感應雷過電壓計算模型

配電線路感應雷過電壓計算：首先，建立雷電回擊通道數學計算模型；然后，構建合理的雷電通道周圍電磁場和架空配電線路耦合的數學模型，如圖4所示，計算配電線路感應過電壓[8-12]。

圖4 架空線路感應雷過電壓計算模型Fig.4 Calculation model of lightning overvoltage on overhead line

雷電回擊通道在周圍空間產生的電磁場數學計算模型，假定雷電流幅值是I0，雷電回擊速度為v，根據Rusck’s模型，Ex0是沿著架空線路從B端到A端的電場，Ez0為從地垂直向上的電場，By0為垂直架空線路的磁場[13-14]。

耦合到架空線路時，根據Agrawal耦合模型來計算感應過電壓水平。圖5為感應雷過電壓觀測點位置。通過式（6）—（10）可以計算出觀測點感應雷過電壓水平大小。

圖5 感應雷過電壓計算點位置Fig.5 Induced lightning overvoltage calculation position

式（6）中，Us(x,t)和Ui(x,t)可由以下公式推出：

2 仿真結果分析

當感應雷電流為2.6/50 μs，50 kA時，S為52 m，x為39 m，5 μs時在0號桿塔放電，分別測量線路在未采取任何防雷措施時，0號、1號、2號桿塔處A、B、C三相絕緣子兩端的電壓和0號、1號、2號桿塔B相的絕緣子兩端電壓，分別見圖6、圖7、圖8和圖9。

圖6 0號桿塔A、B、C三相電壓Fig.6 No.0 tower three-phase voltage of A、B、C

圖7 1號桿塔A、B、C三相電壓Fig.7 No.1 tower three-phase voltage of A、B、C

在5 μs內，線路正常運行，在5 μs時線路承受過電壓，從上圖可見B相電壓最高，是因為B相處于線路的最頂端，離雷云相對較近。在經過一個波頭時間后電壓達到頂峰，最高電壓值為95 kV，對于線路采用的P-10T型針式絕緣子50%全波沖擊閃絡電壓（幅值）要高出很多，此時0號桿塔B相絕緣子將發(fā)生閃絡，隨后半個周期內迅速降低；發(fā)生閃絡后，閃絡電弧不能可靠熄滅，工頻電弧繼續(xù)燃燒，若電弧不能自由移動，在導線固定點灼燒引起斷線。另外，從上述圖中可見，隨著雷擊點的遠離，絕緣子兩端的電壓也隨著降低。

圖8 2號桿塔A、B、C三相電壓Fig.8 No.2 tower three-phase voltage of A、B、C

圖9 0號、1號、2號桿塔B相電壓Fig.9 B phase voltage of No.0、1、2 tower

3 防護方案

在ATP軟件中對架空裸導線的線路，分別對以下幾種防雷方案進行仿真分析。

3.1 減小接地電阻

當雷電直擊桿塔時，若桿塔接地電阻很小，桿塔頂部的電壓較小，塔頂與導線間的電壓較小，從而起到防止反擊的作用。減小接地電阻的方法效果明顯且造價低廉，但對于高土壤率的地區(qū)實現起來比較困難。50 kA雷電流不同接地電阻下絕緣子兩端的過電壓見表3。

表3 不同接地電阻下絕緣子兩端的過電壓Table 3 Overvoltage between the ends of the insulator under different grounding resistance

3.2 更換高等級絕緣子

當線路出現過電壓時，只要導線與橫擔間的電壓低于絕緣子的沖擊閃絡電壓，絕緣子就不會發(fā)生閃絡。不同絕緣子的耐雷水平見表4。更換更高等級的絕緣子，絕緣子的閃絡電壓增大，線路的耐雷水平得到提高。需要考慮線路與設備的絕緣配合，若絕緣配合不當，容易對變電站內的設備造成損毀。

表4 不同絕緣子的耐雷水平Table 4 Resisting lightning of different insulator

3.3 安裝線路避雷器

沿線路侵入的雷電過電壓作用在避雷器，超過其放電電壓值，則避雷器立刻先行放電。因為避雷器分流的雷電流值較大，且具有良好的鉗位作用，避雷器的殘壓低于絕緣子串50%放電電壓，即使雷擊電流增大，避雷器的殘壓僅稍有增加，絕緣子仍不致發(fā)生閃絡。對安裝避雷器后不同雷電流幅值和不同接地電阻進行分析，隨著接地電阻的減少，能明顯減少絕緣子兩端的過電壓電壓水平，安裝避雷器后絕緣子兩端的電壓見表5。

表5 安裝避雷器時絕緣子兩端電壓Table 5 Voltage between the ends of the insulator when installing surge arrester

3.4 架設避雷線

避雷線的分流作用可以減小流經桿塔的雷電流，從而可以降低塔頂電位。避雷線與導線的耦合作用產生的過電壓與塔頂對導線產生的感應過電壓極性相反，使導線上的感應過電壓降低。安裝避雷線后絕緣子兩端的電壓見表6。

表6 安裝避雷線時絕緣子兩端電壓Table 6 Voltage between the ends of the insulator when installing ground wire

避雷線因其保護范圍廣且避免了雷電直擊導線而被廣泛應用，而其防雷效果的好壞和接地電阻的大小有直接關系，對于土壤電阻率高的地區(qū)，降低接地電阻比較困難。

3.5 安裝可控避雷針

雷云接近可控避雷針時，儲能裝置釋放能量，在針尖形成的電場急劇上升，致使針尖周圍的空氣放電，形成強大的放電脈沖。在雷云電場作用下，地面脈沖形成向上的迎面先導，促使雷云在空中放電或中和雷云電荷，阻止雷云向下發(fā)展，避免雷云放電引起的閃絡、斷線等事故發(fā)生。安裝可控避雷針后，絕緣子兩端的電壓見表7。可控避雷針對接地電阻要求很高，接地電阻太大，反而招致周圍的設備發(fā)生反擊。

表7 安裝可控避雷針后絕緣子兩端電壓Table 7 Voltage between the ends of the insulator when installing controllable lightning rod

采用防雷方案時，可以從以下方面考慮：更換絕緣等級更高的絕緣子，提高線路絕緣水平，能減少雷電閃絡發(fā)生概率，但對于已架設線路破壞原系統(tǒng)的絕緣配合不建議使用。避雷線和可控避雷針的作用在“防”，即防止過電壓發(fā)生，避雷器的作用在“治”，即過電壓發(fā)生后盡快消除過電壓的危害；接地電阻大小直接影響防雷的效果。結合多年雷電災害統(tǒng)計記錄分析與實際環(huán)境調研，確定易擊段和雷電類型，采用“因地制宜”、綜合“防治”的方案治理雷電災害。

4 結論

通過現場調研，收集現場線路參數，利用ATPEMTP軟件建立了感應雷過電壓模型，得到了線路不同位置的感應過電壓數值，結合現場實際對線路的易擊點進行了分析，并對降低接地電阻、更換高等級絕緣子、安裝避雷線、安裝避雷器、安裝可控避雷針5種防雷措施進行分析對比，得出以下結論：

1）雷擊點的遠近直接決定雷電過電壓的大小，10 kV導線普遍采用三角形布置，由于中相相對較高，遭受雷擊概率較大，比較容易發(fā)生雷擊斷線事故。

2）要根據現場確定容易發(fā)生雷擊的區(qū)段，可以采用安裝避雷線和避雷器結合的方法；在不易安裝避雷線的地區(qū)，可以采取安裝可控避雷針和避雷器結合的方法?？傊扇　胺乐巍苯Y合的方法。另外，接地電阻的大小直接影響防雷效果，要定期檢測，及時維護保養(yǎng)。

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Research and Protection of 10 kV Overhead Line Lightning Broken

GAO Yuan1，SUN Xuedong1，ZHANG Zhe1，ZHANG Yongsheng2，YAO Zhiming3，GAI Lujie4
（1.State Grid Tieling Power Electric Supply Company，Tieling112000，China；2.School of Electrical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；3.Shenyang Huayan Power Technology Co.，Ltd.，Shenyang 110179，China；4.State Grid Dalian Power Electric Supply Company，Dalian 116024，China）

As the 10 kV overhead bare wire lightning accidents frequently occur，it is difficult to meet the users'reliability and security requirements.Based on the structural parameters of overhead lines，the induced lightning overvoltage model of distribution network was established with the ATP-EM?TP simulation software.The voltage variation of the insulator at the time of lightning is analyzed.The ef?fect of lightning protection on lightning overvoltage is compared and the simulation data under certain line parameters are obtained.Combined with the actual situation of the scene of lightning broken analy?sis，the comprehensive measures against lightning overvoltage is proposed，which can effectively reduce the lightning overvoltage at both ends of the insulator.It is of great significance to reduce the occurrence of lightning disconnection accident of the overhead distribution line and improve the safe and reliable op?eration of the distribution network.

10 kV distribution network；bare wires；lightning broken；lightning protection measures

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.020

2016-11-25

高源（1981—）男，工程師，主要從事電力科技工作。