沈海濱，雷 挺，賀子鳴，趙 霞，張兆華，盧甜甜

(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京100192)

關(guān)鍵字：10 kV配電網(wǎng)；架空地線；導(dǎo)—地線間距；直擊雷過(guò)電壓；雷擊瞬態(tài)過(guò)程建模；修正公式

0 引言

我國(guó)10 kV架空線路過(guò)去鮮有采用架空地線(注:放置在導(dǎo)線上方的地線稱為架空地線，放置在導(dǎo)線下方的地線稱為耦合地線)防雷措施，主要原因是認(rèn)為線路絕緣水平配置低，雷擊架空地線幾乎一定會(huì)反擊導(dǎo)線，設(shè)置架空地線的防雷效果不佳甚至?xí)龃笠赘怕?。近年?lái)，隨著10 kV架空線路營(yíng)運(yùn)里程超過(guò)300萬(wàn)公里，提高防雷技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)施差異化設(shè)計(jì)變得益發(fā)重要，加之電磁瞬態(tài)過(guò)程數(shù)值仿真技術(shù)的進(jìn)步可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化評(píng)估防雷措施的效果[1-6]，架空地線作為一種成本低、實(shí)施簡(jiǎn)單、免運(yùn)行維護(hù)的防雷措施，在連續(xù)受到建筑物和綠化樹(shù)木屏蔽、以遭受感應(yīng)雷擊為主的城區(qū)線路上，被證明可顯著降低線路感應(yīng)雷擊閃絡(luò)率而得到推薦[7-8]，從2017年開(kāi)始在上海、浙江、福建、湖南、江蘇、湖北、遼寧等多個(gè)電力公司批量推廣應(yīng)用。對(duì)于多雷區(qū)的變電站近區(qū)出線線路段、處于空曠區(qū)域的重要負(fù)荷線路等需要強(qiáng)化雷電防護(hù)的，也推薦采用架空地線和線路避雷器[9-10]組合措施[7,11]。

對(duì)有架空地線的線路，我國(guó)電力過(guò)電壓與絕緣配合技術(shù)現(xiàn)行母標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50064—2014[12]及前序標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定：除大檔距外，導(dǎo)線和地線之間應(yīng)按照公式(1)控制間距，以防止雷電直擊架空地線檔距中央部位后反擊導(dǎo)線。

S=0.012L+1

(1)

式中，S:在15 ℃、無(wú)風(fēng)、無(wú)冰條件下，檔距中央導(dǎo)線與架空地線間的最小距離，m；L:檔距長(zhǎng)度，m。

該公式是我國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)60、70年代基于典型輸電線路導(dǎo)、地線波阻抗參數(shù)和雷電流陡度在集中參數(shù)電路模型下推導(dǎo)出、并經(jīng)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，寫在了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)SDJ 7—1979《電力設(shè)備過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中，沿用至今。工程設(shè)計(jì)實(shí)踐上，目前對(duì)于750 kV及以下電壓等級(jí)的交流線路，均采用該經(jīng)驗(yàn)公式。由于之前很長(zhǎng)一段時(shí)間并不推薦10 kV架空線路采用架空地線防雷措施，公式(1)推導(dǎo)時(shí)選取的典型線路參數(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正其實(shí)并沒(méi)有考慮10 kV配電線路配置情況，按此公式確定10 kV線路導(dǎo)—地線間距必然與設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)存有偏差，而相關(guān)研究未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道?，F(xiàn)階段，隨著10 kV線路防雷設(shè)計(jì)精細(xì)化要求的不斷提高，有必要對(duì)該公式予以修正。

筆者采用仿真模擬計(jì)算方法，建立雷電直擊10 kV線路架空地線檔距中央瞬態(tài)過(guò)程計(jì)算模型，經(jīng)雷電過(guò)電壓幅值比較研究后確定關(guān)鍵影響線路參數(shù)和典型取值，計(jì)算給出基于檔距中央耐雷水平控制指標(biāo)的導(dǎo)—地線間距特性曲線，并以簡(jiǎn)化工程操作為目的，提出對(duì)應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推薦公式的修正公式。

1 仿真建模與參數(shù)選定

求解導(dǎo)—地線間距控制值本質(zhì)上是求解雷擊檔距中央架空地線上時(shí)導(dǎo)線不發(fā)生檔中反擊的耐雷水平，耐雷水平與導(dǎo)—地線間雷電過(guò)電壓相對(duì)應(yīng)并呈現(xiàn)正相關(guān)，以工程防雷可接受的安全性、經(jīng)濟(jì)性等條件確定耐雷指標(biāo)后，即確定了導(dǎo)—地線間過(guò)電壓值，再除以空氣間隙雷電放電電場(chǎng)強(qiáng)度，可折算成導(dǎo)—地線間距值?；贏TP—EMTP[13]電磁瞬態(tài)計(jì)算程序，搭建10 kV線路架空地線檔距中央雷電直擊瞬態(tài)過(guò)程計(jì)算模型來(lái)開(kāi)展導(dǎo)—地線間過(guò)電壓計(jì)算研究，建模具體處理如下：

1)雷電流采用集中參數(shù)電流源和雷電通道波阻抗并聯(lián)回路等值。雷電流波形取技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[12]推薦的2.6/50 μs雙斜角波。因后續(xù)仿真過(guò)程模擬高幅值直擊雷，通道波阻抗統(tǒng)一取300 Ω。雷電流幅值暫取100 kA、150 kA、200 kA、250 kA、300 kA，該雷電流可以視作導(dǎo)—地線之間不發(fā)生雷擊放電的耐雷水平。

2)相導(dǎo)線和架空地線利用LCC模塊下的JMarti模型計(jì)算分布參數(shù)，該模型運(yùn)算中同時(shí)考慮到雷電流頻率特性和導(dǎo)、地線間電磁耦合特性。按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5220—2005[14]規(guī)定，選取10 kV干線導(dǎo)線截面積為70 mm2～240 mm2，材質(zhì)為鋁絞線，地線截面積為35 mm2和50 mm2，材質(zhì)為鋼絞線，其中截面積35 mm2的地線搭配70 mm2～185 mm2導(dǎo)線使用，截面積50 mm2的地線搭配240 mm2導(dǎo)線使用。建模所需導(dǎo)線直流電阻、截面直徑參數(shù)依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1179—2017[15]選取。

3)電桿按公式(2)[16]進(jìn)行波阻抗等值，橫擔(dān)、架空地線支架均按1 μH/m的電感等值。按照《國(guó)家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)工程典型設(shè)計(jì)—10 kV架空線路分冊(cè)》(2016年版)規(guī)定，電桿高度選取為12 m、15 m和18 m，桿頭選擇可以在電桿頂部設(shè)置架空地線支柱的“一”字形單回、雙“品”字形和“王”字形同桿雙回結(jié)構(gòu)，架空地線可通過(guò)金屬支架架設(shè)在電桿正上方，見(jiàn)圖1，以及由上述結(jié)構(gòu)組合成的同桿三回、同桿四回結(jié)構(gòu)，其中上相導(dǎo)線與電桿之間的橫擔(dān)長(zhǎng)度介于600 mm～1 100 mm之間。

圖1 典型桿頭結(jié)構(gòu)

(2)

4)按照2016年版國(guó)網(wǎng)典設(shè)手冊(cè)選取檔距長(zhǎng)度為40 m～100 m，涵蓋10 kV線路在城鎮(zhèn)和郊區(qū)的通用檔距范圍。

5)按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB 51302—2018[17]規(guī)定，設(shè)置架空地線線路應(yīng)每基電桿做接地處理，控制工頻接地電阻不超過(guò)30 Ω，參考文獻(xiàn)[18]實(shí)測(cè)結(jié)果，取沖擊接地電阻為工頻電阻的0.7倍。

6)絕緣子閃絡(luò)利用理想壓控開(kāi)關(guān)模擬，動(dòng)作電壓取絕緣子50 %雷電沖擊放電電壓，典型值為125 kV，當(dāng)絕緣子兩端電壓差超過(guò)該動(dòng)作電壓后，視為絕緣子閃絡(luò)。

7)計(jì)算中不考慮線路末端反射波的影響，即設(shè)置模型線路足夠長(zhǎng)，在仿真時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有反射波返回。

8)雷擊點(diǎn)位置在架空地線檔距中央，并根據(jù)公認(rèn)的空氣間隙雷電沖擊放電電壓試驗(yàn)結(jié)論，設(shè)定此處的導(dǎo)—地線間雷電擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為700 kV/m。此值與公式(1)的取值一致，使結(jié)果具有可比性。

基于上述原則，以單回線路為例，建立的仿真計(jì)算模型簡(jiǎn)化示意圖見(jiàn)圖2。模型中，Io為雷電流源，Zo為雷電流通道波阻抗，Vi為絕緣子，L為一個(gè)檔距的架空線路，Rg為電桿沖擊接地電阻，La、Lb、Lc為A、B、C相橫擔(dān)，Zp為電桿，Lw為架空地線支架，Vdd為檔距中部導(dǎo)—地線間電壓。

圖2 計(jì)算模型簡(jiǎn)化示意圖

利用上述模型，首先對(duì)仿真所需的線路參數(shù)進(jìn)行了大量的比對(duì)計(jì)算研究，以檔距中央的導(dǎo)—地線間雷電過(guò)電壓值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)初選參數(shù)做了如下優(yōu)化處理。

1)因架空地線設(shè)置在導(dǎo)線上方，控制導(dǎo)—地線間距就是控制架空地線和上相導(dǎo)線間的距離，同一電桿高度下，前文初選的桿頭結(jié)構(gòu)中上相導(dǎo)線對(duì)地距離保持一致，同時(shí)橫擔(dān)的長(zhǎng)度可變化范圍有限，計(jì)算結(jié)果顯示，桿頭結(jié)構(gòu)差異對(duì)導(dǎo)—地線間雷電過(guò)電壓的影響很小，幅值波動(dòng)在2%以內(nèi)，可做簡(jiǎn)化處理?？紤]單回線路應(yīng)用最為普遍，在后文計(jì)算中均選擇典型“一”字型桿頭結(jié)構(gòu)。

2)電桿高度變化對(duì)導(dǎo)—地線間雷電過(guò)電壓的影響很小，比對(duì)計(jì)算結(jié)果顯示，12 m和18 m電桿的結(jié)果相比15 m電桿的結(jié)果，偏差均小于1%，可做簡(jiǎn)化處理。后文計(jì)算中均選擇應(yīng)用最普遍的15 m鋼筋混凝土電桿。

3)電桿工頻接地電阻在10 Ω～30 Ω之間變動(dòng)時(shí)，導(dǎo)—地線間雷電過(guò)電壓的偏差在3%以內(nèi)，并且呈現(xiàn)出電壓隨著電阻的增大而降低的趨勢(shì)。后文計(jì)算中做簡(jiǎn)化處理，從結(jié)果偏嚴(yán)格角度，統(tǒng)一選擇電桿工頻接地電阻為10 Ω。

4)檔距不同對(duì)導(dǎo)—地線間雷電過(guò)電壓影響最大，導(dǎo)線截面積不同對(duì)導(dǎo)—地線間雷電過(guò)電壓影響較大，70 mm2相比240 mm2，計(jì)算結(jié)果差異超過(guò)7%。檔距和導(dǎo)線參數(shù)不宜做簡(jiǎn)化處理。

2 不同耐雷水平下導(dǎo)—地線最小間距

基于上文模型和參數(shù)，以前文假定的導(dǎo)—地線之間不發(fā)生雷擊放電的系列耐雷水平分別作為入射雷電流，計(jì)算獲得檔距中央導(dǎo)—地線間雷電過(guò)電壓幅值，并按照空氣間隙雷電放電電場(chǎng)強(qiáng)度700 kV/m折算成所需最小空氣間隙距離，詳見(jiàn)表1至表7。表中數(shù)據(jù)與我國(guó)10 kV架空線路實(shí)際設(shè)置相匹配，可供工程設(shè)計(jì)人員參考?；贓MTP程序的直擊雷過(guò)電壓數(shù)值計(jì)算方法在我國(guó)輸配電工程雷電防護(hù)實(shí)踐中廣泛采用，而且10 kV線路桿塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、等值偏差影響小，計(jì)算結(jié)果具有可信性。

表1 導(dǎo)—地線最小間距(對(duì)應(yīng)導(dǎo)線截面積為70 mm2)

表3 導(dǎo)—地線最小間距(對(duì)應(yīng)導(dǎo)線截面積為120 mm2)

表4 導(dǎo)—地線最小間距(對(duì)應(yīng)導(dǎo)線截面積為150 mm2)

表5 導(dǎo)—地線最小間距(對(duì)應(yīng)導(dǎo)線截面積為185 mm2)

表6 導(dǎo)—地線最小間距(對(duì)應(yīng)導(dǎo)線截面積為210 mm2)

表7 導(dǎo)—地線最小間距(對(duì)應(yīng)導(dǎo)線截面積為240 mm2)

3 導(dǎo)—地線間距取值建議

將經(jīng)驗(yàn)公式(1)與上文表格數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，公式(1)體現(xiàn)的檔距中央耐雷水平與檔距長(zhǎng)度相關(guān)，并隨著檔距長(zhǎng)度的增大而降低。以比較導(dǎo)線截面積70 mm2計(jì)算結(jié)果為例，見(jiàn)圖3，在檔距長(zhǎng)度為40 m時(shí)公式(1)對(duì)應(yīng)的耐雷水平略高于200 kA，至檔距長(zhǎng)度為100 m時(shí)，耐雷水平下降至約120 kA。顯然，僅因線路檔距長(zhǎng)短而存在防雷性能指標(biāo)差異是不妥當(dāng)?shù)?，這顯示出公式(1)相對(duì)10 kV線路實(shí)際配置情況存在較大偏差。

圖3 公式(1)與仿真計(jì)算結(jié)果比較

在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24842—2018[19]中，對(duì)雷擊1 000 kV特高壓線路架空地線檔距中央的耐雷指標(biāo)要求是不低于200 kA。雖然從送電重要程度性上，10 kV配電線路遠(yuǎn)不及特高壓線路，但前者的自然雷擊閃絡(luò)率和雷擊閃絡(luò)總次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者，另外城區(qū)絕大部分的10 kV架空線路采用了絕緣導(dǎo)線，若雷擊架空地線檔距中央發(fā)生閃絡(luò)引起工頻續(xù)流建弧，絕緣導(dǎo)線幾乎必然斷線[20-21]，事故損失和社會(huì)影響也很嚴(yán)重。因此，筆者建議將10 kV架空線路檔距中央的耐雷指標(biāo)同樣取為200 kA，相當(dāng)于與公式(1)在40 m檔距下的要求基本保持一致，在經(jīng)濟(jì)性上與現(xiàn)有要求出入不大，運(yùn)行安全性也得到了保障。在此耐雷指標(biāo)下，由表1～表7計(jì)算結(jié)果經(jīng)線性擬合后，可分別獲得對(duì)應(yīng)不同導(dǎo)線截面積的導(dǎo)—地線最小間距計(jì)算公式，見(jiàn)表8。

表8 導(dǎo)—地線最小間距計(jì)算公式

進(jìn)一步地，為了簡(jiǎn)化工程操作過(guò)程，取表1至表7計(jì)算結(jié)果的平均值，可得到單一的擬合公式(3)。

S=0.034L+0.04

(3)

公式(3)下，導(dǎo)線截面積不同帶來(lái)的偏差被控制在5%以內(nèi)，可以理解為采用小截面導(dǎo)線的線路檔距中央耐雷水平略低于200 kA，采用大截面導(dǎo)線的線路檔距中央耐雷水平略高于200 kA。按電氣幾何模型法[22]評(píng)估，依據(jù)該公式設(shè)定的間隙距離，不影響架空地線屏蔽導(dǎo)線的效果，即雷電不會(huì)繞擊導(dǎo)線。公式(3)可作為公式(1)的修正公式。

工程實(shí)踐時(shí)，若因?qū)А鼐€間距大而存在實(shí)施困難的，也可酌情降低間距值，極限距離是確保雷擊間隙閃絡(luò)后不會(huì)在導(dǎo)—地線間建立穩(wěn)定的工頻續(xù)流電弧。按照工頻電弧建立所需最低平均運(yùn)行電場(chǎng)強(qiáng)度6 kV/m計(jì)算，對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，導(dǎo)—地線間距不得低于2.2 m，對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地、高電阻接地和諧振接地系統(tǒng)，導(dǎo)—地線間距不得低于2.0 m。依據(jù)表1～表7數(shù)據(jù)，可以測(cè)算出實(shí)際選擇的間距對(duì)應(yīng)的耐雷水平。需要提醒的是，降低耐雷水平即降低間距雖然不至于發(fā)生雷擊跳閘、絕緣導(dǎo)線斷線等故障，但線路雷擊閃絡(luò)概率不可避免會(huì)增大，并伴隨電壓瞬時(shí)跌落問(wèn)題，供電質(zhì)量變差。

對(duì)于占比較低的大跨越等大檔距線路，因電桿高度、檔距等均為特別設(shè)計(jì)，可參照本研究的建模計(jì)算方法，依據(jù)雷電過(guò)電壓具體計(jì)算結(jié)果來(lái)確定導(dǎo)—地線間距。

4 結(jié)論

1)在10 kV架空線路典型設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，雷擊檔距中央架空地線產(chǎn)生的導(dǎo)—地線間雷電過(guò)電壓主要受檔距長(zhǎng)度和導(dǎo)線參數(shù)影響，桿頭結(jié)構(gòu)、電桿高度、電桿接地電阻參數(shù)變化對(duì)其影響較小，仿真計(jì)算時(shí)可做簡(jiǎn)化處理。

2)現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推薦的有架空地線線路檔距中央導(dǎo)—地線間距計(jì)算公式對(duì)10 kV架空線路存在較大偏差，推薦采用修正公式S=0.034L+0.04進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

3)大檔距線路宜參照本研究的建模方法、依據(jù)雷電過(guò)電壓仿真計(jì)算結(jié)果來(lái)確定導(dǎo)—地線間距。