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(1.國(guó)網(wǎng)浙江瑞安市供電有限責(zé)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(xué)電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325035)

0 引言

10 kV配電線(xiàn)路分布廣、絕緣水平低，連接著變電站和眾多用戶(hù)，在雷雨季節(jié)，經(jīng)常發(fā)生雷害事故，造成大面積停電，有時(shí)甚至造成人身傷亡，給人們生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不便，因此需要通過(guò)設(shè)計(jì)防雷措施提高10 kV配電線(xiàn)路的防雷水平，降低其雷擊跳閘率，提高線(xiàn)路供電可靠性，確保其安全運(yùn)行[1]。

在實(shí)際工程中，很多地區(qū)仍然采用粗放式的防雷改造管理方式，即不考慮線(xiàn)路和防雷措施特點(diǎn)，無(wú)差異的選擇單一防雷措施進(jìn)行治理，使得治理效果不顯著，改造過(guò)的桿塔需要進(jìn)行二次改造，大大浪費(fèi)了人力、物力。實(shí)際上，不同的線(xiàn)路防雷措施可能不同，就是同一條線(xiàn)路不同的部分，采用的措施可能也是不一樣的。如何對(duì)多種防雷措施進(jìn)行有效的綜合利用，是電力系統(tǒng)防雷改造工程能否取得好的防雷效果的關(guān)鍵。因此，在實(shí)施電力系統(tǒng)防雷工程前，首先采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行綜合防雷措施仿真評(píng)估，再根據(jù)評(píng)估結(jié)果選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較高的綜合防雷措施是提高電力系統(tǒng)防雷改造效果的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

浙南地區(qū)某10 kV配電線(xiàn)路總長(zhǎng)達(dá)38.882 km，絕大部分位于山區(qū)，通道較差，受臺(tái)風(fēng)和雷電影響嚴(yán)重。原線(xiàn)路桿塔所在土質(zhì)以花崗巖、松砂石為主，電阻率很高，接地電阻大多未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，避雷效果不理想。據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)，2015年該地區(qū)線(xiàn)路因雷擊而造成跳閘、斷線(xiàn)的次數(shù)多達(dá)19次，線(xiàn)路可靠性很差，因此深入分析輸電線(xiàn)路的耐雷性能并提出合理的防雷措施對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有重要的工程意義。

輸電線(xiàn)路的耐雷水平作為反映輸電線(xiàn)路抵抗雷擊能力的重要技術(shù)特性之一，其性能通常采用雷電流的大小來(lái)評(píng)估，也即在線(xiàn)路遭受雷擊時(shí)，不使線(xiàn)路絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流值[1]。本文應(yīng)用電磁暫態(tài)軟件ATP-EMTP和CDEGS軟件等電力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真軟件[2-3]，結(jié)合浙南地區(qū)10 kV架空線(xiàn)路的工程實(shí)際，對(duì)架設(shè)耦合地線(xiàn)、安裝線(xiàn)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(duì)線(xiàn)路防雷效果的影響進(jìn)行仿真分析，然后針對(duì)綜合防雷措施預(yù)防直擊雷和感應(yīng)雷的防雷效果進(jìn)行綜合仿真分析，從而為實(shí)際防雷工程實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1 防雷改造前某10 kV線(xiàn)路簡(jiǎn)介

從防雷改造前某10 kV線(xiàn)路選取其中的一段支線(xiàn)對(duì)線(xiàn)路基本情況進(jìn)行介紹。該支線(xiàn)線(xiàn)路共有桿塔17基，線(xiàn)路采用單回路架設(shè)，導(dǎo)線(xiàn)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(jì)算機(jī)仿真時(shí)選取其中一段典型線(xiàn)路(1#桿塔至6#桿塔)。

線(xiàn)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(guò)30 Ω。有地線(xiàn)的線(xiàn)路桿塔的工頻接地電阻不宜超過(guò)表1的具體規(guī)定。

表1 有地線(xiàn)的線(xiàn)路桿塔的接地電阻

通過(guò)對(duì)桿塔所在的土壤進(jìn)行測(cè)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(shù)據(jù)。

土壤電阻率直接影響接地電阻的大小，由于線(xiàn)路桿塔大多位于花崗巖、松砂石的土質(zhì)中，所以土壤的電阻率很高，導(dǎo)致接地電阻隨之增大。綜合表1～3可知，現(xiàn)有大部分桿塔接地電阻不滿(mǎn)足表1所規(guī)定的要求。

表2 桿塔土壤電阻率測(cè)量值

表3 桿塔處接地電阻測(cè)量結(jié)果

2 線(xiàn)路直擊雷過(guò)電壓仿真模型

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

2.1 雷電流模型

雷電流模型采用ATP-EMTP中的Heidler指數(shù)模型來(lái)模擬，雷電流設(shè)置為2.6/50 μs，幅值可隨10 kV架空線(xiàn)路防雷仿真的需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.2 架空線(xiàn)路模型

導(dǎo)線(xiàn)模型選用能反映線(xiàn)路頻率特性的JMARTI模型。本文中，線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)選用的型號(hào)為JKLYJ-10-70[4]，線(xiàn)路檔距為60 m，導(dǎo)線(xiàn)的參數(shù)如下：導(dǎo)體截面為70 mm2，導(dǎo)線(xiàn)參考外徑為10.0 mm，20°時(shí)導(dǎo)體電阻不大于0.443 Ω/km，導(dǎo)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(shí)可以采用集中參數(shù)電感模型[5]。規(guī)程DL/T 620-1997對(duì)此類(lèi)桿塔電感的參考值作出規(guī)定[6]，對(duì)于無(wú)拉線(xiàn)和有拉線(xiàn)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(xiàn)性元件來(lái)模擬桿塔接地電阻，仿真的接地電阻數(shù)值取表3接地電阻的平均值。

2.4 絕緣子閃絡(luò)模型

在ATP-EMTP仿真中，通常采用壓控開(kāi)關(guān)來(lái)模擬桿塔絕緣子閃絡(luò)模型。線(xiàn)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(xiàn)路防雷措施仿真分析

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

10 kV架空線(xiàn)路仿真模型如圖1所示，該模型模擬桿塔在無(wú)任何防雷措施時(shí)，雷擊3#桿塔塔頂?shù)膭?dòng)態(tài)性能。

圖1 無(wú)防雷措施時(shí)雷擊塔頂線(xiàn)路的部分仿真模型

雷電流的幅值設(shè)為2.4 kA，仿真得到3號(hào)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(fā)生閃絡(luò)，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(xiàn)路避雷器

用能表示分段線(xiàn)性函數(shù)的MOV模型來(lái)模擬線(xiàn)路避雷器[8]，避雷器型號(hào)為YH5WS3-17/50，動(dòng)作電壓設(shè)置為15 kV。圖3給出了加裝避雷器的線(xiàn)路仿真模型。

圖3 加裝避雷器的3#桿塔仿真模型

當(dāng)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(jiàn)，在2.4 kA雷電流作用下，3#桿塔的B相絕緣子未發(fā)生閃絡(luò)，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(jié)果顯示，雷擊3#桿塔塔頂(未安裝避雷器)時(shí)線(xiàn)路耐雷水平約為1.4 kA；安裝避雷器時(shí)耐雷水平約為8.2 kA?？梢?jiàn)，線(xiàn)路安裝避雷器后，線(xiàn)路耐雷水平比未安裝避雷器時(shí)提高了約4.9倍，防雷效果顯著。

3.2 安裝耦合地線(xiàn)

雷擊桿塔塔頂時(shí)，耦合地線(xiàn)能對(duì)雷電流進(jìn)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(xiàn)路的耐雷水平。仿真選取的耦合地線(xiàn)型號(hào)為GJ-35，裝有耦合地線(xiàn)線(xiàn)路在ATP-EMTP中的仿真模型如圖5所示。

圖5 安裝耦合地線(xiàn)的仿真模型

當(dāng)雷電流幅值設(shè)為2.4 kA時(shí)，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(jiàn)，絕緣子均未發(fā)生閃絡(luò)，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(xiàn)的3#桿塔絕緣子兩端電壓波形

對(duì)安裝耦合地線(xiàn)的模型進(jìn)一步仿真，仿真結(jié)果顯示：線(xiàn)路安裝耦合地線(xiàn)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(guò)高的接地電阻會(huì)造成很高的反擊電壓，從而導(dǎo)致桿塔上的絕緣子被擊穿[9]。尤其在浙南地區(qū)，由于其過(guò)高的土壤電阻率，使得桿塔的接地電阻很難達(dá)到規(guī)程要求。

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

表5 放射形接地極每根的最大長(zhǎng)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(shè)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(zhǎng)度取h=5 m。

圖7 接地極模型

表6 接地極電阻與接地極長(zhǎng)度的關(guān)系

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

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

當(dāng)雷電流為1.5 kA時(shí)，不同接地電阻對(duì)應(yīng)的線(xiàn)路過(guò)電壓比較如表7所示。

由表7可知，桿塔接地電阻對(duì)線(xiàn)路過(guò)電壓情況影響較為明顯，接地電阻越小，線(xiàn)路過(guò)電壓越小。但接地電阻過(guò)小，在山區(qū)進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)的成本也會(huì)隨之增加，因此接地電阻的設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的線(xiàn)路過(guò)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(luò)耐雷水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單相閃絡(luò)。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以得到不同絕緣子配置線(xiàn)路單相閃絡(luò)和兩相閃絡(luò)的耐雷水平，其結(jié)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(luò)的耐雷水平達(dá)到20.3 kA，比線(xiàn)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(duì)應(yīng)的線(xiàn)路耐雷水平

4 10 kV線(xiàn)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(duì)10 kV線(xiàn)路防雷效果影響仿真研究，本文對(duì)以下兩種綜合防雷措施進(jìn)行了仿真分析與性能比較，從而為10 kV線(xiàn)路實(shí)際防雷工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

4.1 方案1

1) 全線(xiàn)架設(shè)耦合地線(xiàn)，即在桿塔上添加一根型號(hào)為GJ-35的鍍鋅鋼絞線(xiàn)，距地面8.1 m；

2) 全線(xiàn)安裝避雷器，型號(hào)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(xiàn)架設(shè)耦合地線(xiàn)，即在桿塔上添加一根型號(hào)為GJ-35的鍍鋅鋼絞線(xiàn)，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(luò)和兩相閃絡(luò)的耐雷水平均高于方案2，可見(jiàn)方案1防直擊雷的效果優(yōu)于方案2。

表9 兩種方案的直擊雷耐雷水平對(duì)比

當(dāng)雷電擊中大地時(shí)，會(huì)在10 kV架空線(xiàn)路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。借鑒文獻(xiàn)[11-12]的研究思路，基于ATP-EMTP仿真軟件的10 kV架空線(xiàn)路感應(yīng)電壓的仿真模型如圖8所示。

圖8 10 kV架空線(xiàn)路感應(yīng)電壓仿真模型

當(dāng)雷擊位置距離線(xiàn)路30 m時(shí)，雷電流幅值為70 kA時(shí)，采用防雷方案1和方案2對(duì)應(yīng)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(dāng)線(xiàn)路采用方案2時(shí)，雷擊線(xiàn)路附近，3號(hào)桿塔上B相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)；而采用方案1時(shí)，號(hào)桿塔上B相絕緣子未發(fā)生閃絡(luò)，線(xiàn)路所受感應(yīng)電壓最大值約為34.95 kV。

表10 不同雷電流下無(wú)防雷措施和兩種方案的絕緣子電壓對(duì)比

進(jìn)一步，改變雷電流幅值對(duì)10 kV架空線(xiàn)路進(jìn)行模擬仿真，不同雷電流下無(wú)防雷措施和兩種方案的絕緣子電壓對(duì)比如表10所示。由表10可知：當(dāng)雷電流幅值大于50 kA時(shí)，線(xiàn)路采用方案2后，B相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，而采用方案1時(shí)，線(xiàn)路運(yùn)行正常。因此，方案1預(yù)防感應(yīng)雷過(guò)電壓的效果明顯優(yōu)于無(wú)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(yù)防直擊雷和感應(yīng)雷方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，本文選用方案1對(duì)該10 kV線(xiàn)路于2015年進(jìn)行了防雷改造工程，迄今為止該線(xiàn)路未出現(xiàn)因雷擊而造成線(xiàn)路故障的情況，防雷效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)浙南地區(qū)10 kV架空線(xiàn)路所處環(huán)境，結(jié)合ATP-EMTP軟件和CDEGS軟件，具體分析了安裝避雷器、架設(shè)耦合地線(xiàn)、降低桿塔接地電阻和采用不平衡絕緣裝置對(duì)10 kV架空線(xiàn)路耐雷水平的影響。仿真結(jié)果表明：結(jié)合使用前3中防雷措施能夠大大提高線(xiàn)路的耐雷水平和降低線(xiàn)路的感應(yīng)雷過(guò)電壓幅度，并且絕緣子不會(huì)出現(xiàn)閃絡(luò)。基于該仿真研究方案對(duì)該線(xiàn)路進(jìn)行了防雷改造工程，自2015年改造后至今尚未發(fā)現(xiàn)因雷擊而造成的線(xiàn)路故障，防雷效果顯著。因此，借助ATP-EMTP軟件和CDEGS軟件等計(jì)算機(jī)仿真與輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，綜合使用安裝避雷器、架設(shè)耦合地線(xiàn)、降低桿塔接地電阻等防雷措施對(duì)復(fù)雜山區(qū)10 kV架空線(xiàn)路防雷優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。