陳輝榮，陳朝興

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通，657000)

0 引 言

配電線路是電力系統(tǒng)中靠近用戶的一級(jí)，在當(dāng)前主網(wǎng)輸電線路足夠堅(jiān)強(qiáng)的情況下，配電線路的供電可靠性很大程度上決定了居民的用電體驗(yàn)[1-2]。由于配電線路自身絕緣水平較低等原因，雷擊跳閘已成為影響其供電可靠性的主要原因[3]。用于10 kV架空線路防雷的措施眾多[4]，如使用放電間隙[5]、防雷絕緣子[6]、多腔室吹弧防雷裝置[7]，但目前使用量最大的措施為安裝避雷器。

現(xiàn)有研究表明，避雷器能夠有效提升配電線路的雷電防護(hù)水平[8-10]。針對(duì)避雷器的配置方式，國內(nèi)外開展了較多研究。文獻(xiàn)[9]分析不同避雷器類型、不同桿塔沖擊接地電阻以及雷擊位置等對(duì)避雷器防護(hù)效果的影響并分析其保護(hù)范圍，提出需要每隔6～8基桿塔三相安裝氧化鋅避雷器的建議；文獻(xiàn)[10]通過研究不同接地條件下只安裝單相避雷器對(duì)同級(jí)其它相絕緣子的影響及只安裝一級(jí)對(duì)相鄰級(jí)絕緣子的影響，提出了接地電阻的安裝要求；文獻(xiàn)[11]通過對(duì)比避雷線和避雷器兩種防雷措施，認(rèn)為避雷器能夠更好的降低線路上的過電壓；文獻(xiàn)[12]計(jì)算了避雷器安裝間距與線路閃絡(luò)降低百分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系曲線，建議每隔300 m裝一組避雷器。上述研究為利用避雷器進(jìn)行配電線路防雷治理提供參考指導(dǎo)，但存在一個(gè)主要的缺陷，即在進(jìn)行避雷器優(yōu)化配置研究時(shí)，未考慮線路上各基桿塔的實(shí)際地形地貌、雷電參數(shù)及歷史雷擊故障數(shù)據(jù)，導(dǎo)致得出的結(jié)論在指導(dǎo)實(shí)際線路防雷治理的時(shí)候缺乏針對(duì)性。

為此，本研究以云南山區(qū)某10 kV配電線路為例，統(tǒng)計(jì)分析了該線路走廊雷電參數(shù)及地形地貌特點(diǎn)，然后利用EGM模型和ATP-EMTP軟件，提出一種考慮雷電參數(shù)、走廊環(huán)境、絕緣配置以及歷史雷擊故障數(shù)據(jù)的配電線路防雷治理方法，最后通過工程運(yùn)用，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性。本研究結(jié)果可為配電線路防雷治理提供參考。

1 線路雷電參數(shù)及地形特征

1.1 雷電參數(shù)

通過雷電定位系統(tǒng)[13-15]，統(tǒng)計(jì)得到該線路走廊2015～2019年各年的地閃密度見表1。通過表1可以看出：

表1 線路2015～2019年地閃密度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Ground flash density of the line from 2015～2019

1)同一年該線路各區(qū)段桿塔的地閃密度有較大不同，以2019年為例，線路35號(hào)～45號(hào)桿塔的地閃密度高達(dá)5.24次/km2·年，而17號(hào)～19號(hào)桿塔則只有1.003次/km2·年。

2)不同年同一桿塔區(qū)段的地閃密度也不相同，以35號(hào)～45號(hào)桿塔為例，地閃密度最高的為2015年，達(dá)到11.528次/km2·年，而最低的則為2017年2.096次/km2·年；

3)該線路地閃密度最高的區(qū)段基本集中在35號(hào)～45號(hào)桿塔。

1.2 地形地貌

通過實(shí)地調(diào)研，該線路主線86基桿塔，全長約20 km，導(dǎo)線全線采用JLG1A-150-20型導(dǎo)線，絕緣子主要采用R5ET105L型柱式絕緣子。1號(hào)～64號(hào)桿塔基本位于山谷地形，65號(hào)～86號(hào)桿塔則處于山坡地形，且桿塔附近多有樹木，見圖1。山坡、山谷等不同地形會(huì)影響到線路耐雷水平[16]，而周圍的樹木則可能因?yàn)槠帘巫饔糜绊懢€路上的感應(yīng)雷過電壓[17]，因此在進(jìn)行線路防雷治理時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮地形地貌及走廊環(huán)境。

圖1 線路走廊的地形地貌Fig.1 The terrain of the line corridor

2 配電線路精細(xì)化防雷治理

2.1 雷擊形式判斷

對(duì)于任意桿塔，周圍有落雷時(shí)，雷擊存在3種形式，即直接擊中線路(導(dǎo)線或桿塔)、擊中樹木以及擊中大地。對(duì)于配線線路而言，擊中線路會(huì)產(chǎn)生直擊雷過電壓，而擊中樹木和地面則認(rèn)為在線路上引起感應(yīng)雷過電壓。

因此，為了判斷每一次落雷的雷擊形式，結(jié)合輸電線路常用的EGM模型[18-20]，以所研究的目標(biāo)桿塔為坐標(biāo)原點(diǎn)，以平行于線路方向?yàn)閥軸，垂直于線路方向?yàn)閤軸，沿桿塔垂直于xy平面的方向?yàn)閦軸方向，用于表示物體間的高度。建立樹木、導(dǎo)線和地面的引雷面見圖2。其中，Rt、Rl、Rg分別為樹木、導(dǎo)線和地面的引雷半徑，A1A2C、CB2B3、DE分別為樹木和導(dǎo)線的引雷面。

圖2 各部分的引雷面示意圖Fig.2 The lightning-induced area of different position

對(duì)于任意桿塔，分別取x方向及y方向步長△h、△l作為指定的預(yù)設(shè)面積區(qū)域，則對(duì)應(yīng)的面元面積為ΔS=Δh·Δl，在該區(qū)域一年中產(chǎn)生的落雷次數(shù)ΔN表示為ΔN=ΔS·γ，其中γ為地閃密度；根據(jù)該線路的雷電流幅值累積概率分布函數(shù)， 將所有雷電流區(qū)間[0,Imax]按照仿真步長ΔI劃分區(qū)間，則雷電流幅值累積概率分布函數(shù)上I與I+ΔI之間的面積等效為I+0.5ΔI所發(fā)生的概率ΔP；則在面元ΔS中心點(diǎn)一年中所能發(fā)生的幅值為的I+0.5ΔI雷電流次數(shù)等效為NI+0.5ΔI=ΔN·ΔP。

對(duì)于任意一個(gè)雷，假定其先導(dǎo)在地面的垂直投影為(x0，y0)，則根據(jù)坐標(biāo)系可知雷電先導(dǎo)與線路的最小水平距離為

L2=|x0|

雷電先導(dǎo)與樹木間距離為

假如該雷電垂直投影落在樹木引雷的范圍中，則此時(shí)其引雷面與地面的間距為

同理，當(dāng)該雷電垂直投影分別在導(dǎo)線和地面引雷范圍內(nèi)，相應(yīng)的引雷面與地面的間距分別為

Hg=Rg/cosθ

通過比較根據(jù)上述Ht、Hl和Hg的大小，最大者即為此次雷擊位置，進(jìn)而可以確定此次雷擊形式。

2.2 雷擊跳閘判斷

對(duì)于任意桿塔在確定了雷擊形式后，針對(duì)不同的過電壓形式，分別判斷是否會(huì)引起線路跳閘。

對(duì)于雷電擊中線路的情況，因?yàn)榕潆娋€路自身絕緣配置決定其直擊雷耐雷水平不足3 kA，因此筆者認(rèn)為雷電直擊線路必定引起線路跳閘。

對(duì)于雷電擊中樹木和大地的情況，均會(huì)在線路上引起感應(yīng)雷過電壓，其大小會(huì)隨著雷電流幅值和落雷位置的變化而變化，當(dāng)其大小超過線路的感應(yīng)雷耐雷水平時(shí)，則引起線路跳閘。在ATP-EMTP中，根據(jù)線路的絕緣配置，建立相應(yīng)的線路仿真模型，其中感應(yīng)雷過電壓的模型采用ATP中的MOD感應(yīng)過電壓子模塊進(jìn)行仿真。根據(jù)典型10 kV線路參數(shù)，利用ATPDraw進(jìn)行耐雷水平仿真，搭建的單相仿真模型見圖3。通過仿真得到的線路耐雷水平見圖4，將桿塔周圍任意雷電的雷電流幅值、雷擊點(diǎn)位置帶入到仿真模型中，將產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓與線路耐雷水平進(jìn)行比對(duì)，即可判斷此次雷擊是否引起線路跳閘。

圖3 在ATP中配電線路的仿真模型Fig.3 Simulation model of the line in ATP

圖4 線路感應(yīng)雷耐雷水平隨雷擊點(diǎn)位置的變化情況 Fig.4 Lightning withstand level of line induced lightning under different lightning distance

2.3 雷擊風(fēng)險(xiǎn)判斷及修正

對(duì)于任意桿塔，將一年中雷電直擊跳閘次數(shù)、感應(yīng)雷跳閘次數(shù)之和作為其雷害風(fēng)險(xiǎn)判斷參數(shù)，設(shè)為Pr。參考相關(guān)文獻(xiàn)[21]，確定線路各基桿塔雷害風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The standard of lightning disaster risk assessment

其中，Sr為雷害風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo)，其值為該線路所有桿塔Pr的平均值。

在完成整條線路各基桿塔的雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)過去5年線路雷擊故障統(tǒng)計(jì)對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行修正，對(duì)于曾經(jīng)發(fā)生過跳閘事故的桿塔，在現(xiàn)有評(píng)估結(jié)果的基礎(chǔ)上提升一級(jí)。

2.4 防雷措施選用

對(duì)于最終評(píng)估結(jié)果為A級(jí)的桿塔，雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)很低，日常巡視多加注意即可。

對(duì)于最終評(píng)估結(jié)果為B級(jí)的桿塔，雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低，應(yīng)當(dāng)確保桿塔可靠接地，接地電阻符合要求。

對(duì)于最終評(píng)估結(jié)果為C、D級(jí)的桿塔，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和防雷有效性，應(yīng)當(dāng)三相安裝避雷器。

2.5 防雷治理流程

根據(jù)上述研究，最終形成10 kV配電線路防雷治理流程見圖5。

圖5 配電線路防雷治理流程圖Fig.5 The flow diagram of lightning protection administer for distribution line

3 工程運(yùn)用

利用上述方法，在2018年末對(duì)線路進(jìn)行了防雷治理。該線路所有桿塔最終的雷害風(fēng)險(xiǎn)見表3。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，C、D級(jí)桿塔全部三相加裝避雷器，安裝率為39.5%。根據(jù)2019年線路運(yùn)行效果來看，全線跳閘次數(shù)由治理前平均每年4次降為1次，下降了75%，驗(yàn)證了防雷治理方法的有效性。

表3 線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果Table 3 The evaluation result of lightning disaster risk assessment of the line

4 結(jié) 論

1)同一條線路不同桿塔區(qū)段以及不同年份的地閃密度不相同，但地閃密度較高的桿塔區(qū)段基本固定，在進(jìn)行防雷治理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2)通過EGM模型，建立了配電線路雷擊形式判斷模型，可判斷每一基桿塔周圍每一次雷電的雷擊形式。

3)綜合考慮桿塔絕緣配置、雷電參數(shù)、走廊環(huán)境以及歷史雷擊故障數(shù)據(jù)，形成了配電線路防雷治理方法，并通過工程運(yùn)用，驗(yàn)證了該方法的有效性。