10 kV架空線路雷擊斷線研究與防護(hù)

高 源，孫學(xué)東，張 喆，張永生，姚志明，蓋露杰

（1.國(guó)網(wǎng)鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000；2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連116024；3.沈陽(yáng)華巖電力技術(shù)有限公司，沈陽(yáng)110179；4.國(guó)網(wǎng)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(hù)

高 源1，孫學(xué)東1，張 喆1，張永生2，姚志明3，蓋露杰4

（1.國(guó)網(wǎng)鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000；2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連116024；3.沈陽(yáng)華巖電力技術(shù)有限公司，沈陽(yáng)110179；4.國(guó)網(wǎng)大連供電公司，遼寧大連116024）

由于10 kV架空裸導(dǎo)線雷擊斷線事故頻繁發(fā)生，難以滿足用戶對(duì)可靠性和安全性的要求。以架空線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，采用ATP-EMTP仿真軟件建立配電網(wǎng)感應(yīng)雷擊過(guò)電壓模型，研究分析雷電發(fā)生時(shí)絕緣子兩端的電壓變化，比較各種防雷措施對(duì)限制雷電過(guò)電壓的效果，得到了一定線路參數(shù)下的仿真數(shù)據(jù)。并結(jié)合雷擊斷線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析，提出了“綜合防治”雷擊過(guò)電壓的措施，有效降低了絕緣子兩端的雷擊過(guò)電壓，對(duì)減少架空配電線路雷擊斷線事故發(fā)生，提高配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行有重要意義。

10 kV配網(wǎng)；裸導(dǎo)線；雷擊斷線；防雷措施

0 引言

在10 kV配網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，發(fā)現(xiàn)雷擊斷線發(fā)生次數(shù)與頻率越來(lái)越高。因各運(yùn)行單位普遍意識(shí)到絕緣導(dǎo)線遭受雷擊易發(fā)生斷線故障，所以在絕緣導(dǎo)線線路安裝有相應(yīng)的防雷裝置，絕緣導(dǎo)線發(fā)生雷擊斷線故障現(xiàn)象得到控制。而人們普遍認(rèn)為架空裸導(dǎo)線不存在雷擊斷線問(wèn)題，未采取相應(yīng)的防雷措施，在裸導(dǎo)線運(yùn)行多年后，發(fā)現(xiàn)雷擊斷線故障越來(lái)越多。裸導(dǎo)線在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生腐蝕，在表面形成“斑點(diǎn)”，雷擊閃絡(luò)發(fā)生后，工頻電弧移動(dòng)受裸導(dǎo)線表面腐蝕物和裂紋阻礙弧根不能自由移動(dòng)，在裂紋處長(zhǎng)時(shí)間灼燒導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂。10 kV配網(wǎng)與用戶緊密相連，因此，對(duì)其安全性與可靠性有更高的要求。國(guó)網(wǎng)會(huì)對(duì)配網(wǎng)線路考核跳閘率，跳閘率高，會(huì)影響供電公司的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

當(dāng)前，隨著農(nóng)村電網(wǎng)改造工程的深入進(jìn)行，架空線路有增無(wú)減，妥善解決雷擊斷線問(wèn)題，確保架空線路的安全運(yùn)行已是當(dāng)務(wù)之急。如表1所示，為某縣區(qū)2014年雷擊斷線情況統(tǒng)計(jì)，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(nèi)涉及的桿塔數(shù)為1 367個(gè)，合計(jì)區(qū)段架空線路長(zhǎng)度為102 km，由于配電網(wǎng)分布的廣泛性，不可能全線加裝避雷器，因此提出具有針對(duì)性的防雷改進(jìn)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(shí)的感應(yīng)過(guò)電壓，雷電感應(yīng)過(guò)電壓除了導(dǎo)致頻繁的線路跳閘外，也會(huì)導(dǎo)致配電設(shè)備的損壞。本文就現(xiàn)場(chǎng)架空配電網(wǎng)雷擊斷線問(wèn)題進(jìn)行分析研究，通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)感應(yīng)雷擊過(guò)電壓水平進(jìn)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(jì)表Table 1 Statistics of 10 kV overhead line lightning broken

1 10 kV線路感應(yīng)雷過(guò)電壓數(shù)學(xué)建模

1.1 桿塔模型

配電網(wǎng)三相分布如圖1所示，大多采用無(wú)拉線鋼筋混凝土單桿，桿塔模型采用集中參數(shù)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(gòu)建架空線路模型[4]。三相線路的參數(shù)見(jiàn)表2。

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

1.3 雷電流模型

配雷電流標(biāo)準(zhǔn)沖擊波采用雙指數(shù)模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Im為雷電流幅值，A為雷電流標(biāo)準(zhǔn)沖擊波系數(shù)；雷電流波形為2.6/50 μs（表示雷電流波前時(shí)間為2.6 μs，半峰值時(shí)間為50μs），經(jīng)計(jì)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(luò)電壓，kV；l為絕緣子串長(zhǎng)度；t為從雷擊到閃絡(luò)所經(jīng)歷的時(shí)間，μs，一般為0.5～16 μs，絕緣子閃絡(luò)判別方法見(jiàn)圖3。

1.4 絕緣子閃絡(luò)模型

絕緣子閃絡(luò)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(guò)電壓曲線是否發(fā)生相交來(lái)判斷絕緣子的閃絡(luò)過(guò)程。IEEE、IEC組織推薦的絕緣子串在標(biāo)準(zhǔn)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(luò)Fig.3 Intersection method to judge the flashover of insulators

1.5 感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算模型

配電線路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算：首先，建立雷電回?fù)敉ǖ罃?shù)學(xué)計(jì)算模型；然后，構(gòu)建合理的雷電通道周圍電磁場(chǎng)和架空配電線路耦合的數(shù)學(xué)模型，如圖4所示，計(jì)算配電線路感應(yīng)過(guò)電壓[8-12]。

圖4 架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of lightning overvoltage on overhead line

雷電回?fù)敉ǖ涝谥車臻g產(chǎn)生的電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)計(jì)算模型，假定雷電流幅值是I0，雷電回?fù)羲俣葹関，根據(jù)Rusck’s模型，Ex0是沿著架空線路從B端到A端的電場(chǎng)，Ez0為從地垂直向上的電場(chǎng)，By0為垂直架空線路的磁場(chǎng)[13-14]。

耦合到架空線路時(shí)，根據(jù)Agrawal耦合模型來(lái)計(jì)算感應(yīng)過(guò)電壓水平。圖5為感應(yīng)雷過(guò)電壓觀測(cè)點(diǎn)位置。通過(guò)式（6）—（10）可以計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓水平大小。

圖5 感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算點(diǎn)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(jié)果分析

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

圖6 0號(hào)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(hào)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(nèi)，線路正常運(yùn)行，在5 μs時(shí)線路承受過(guò)電壓，從上圖可見(jiàn)B相電壓最高，是因?yàn)锽相處于線路的最頂端，離雷云相對(duì)較近。在經(jīng)過(guò)一個(gè)波頭時(shí)間后電壓達(dá)到頂峰，最高電壓值為95 kV，對(duì)于線路采用的P-10T型針式絕緣子50%全波沖擊閃絡(luò)電壓（幅值）要高出很多，此時(shí)0號(hào)桿塔B相絕緣子將發(fā)生閃絡(luò)，隨后半個(gè)周期內(nèi)迅速降低；發(fā)生閃絡(luò)后，閃絡(luò)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(dòng)，在導(dǎo)線固定點(diǎn)灼燒引起斷線。另外，從上述圖中可見(jiàn)，隨著雷擊點(diǎn)的遠(yuǎn)離，絕緣子兩端的電壓也隨著降低。

圖8 2號(hào)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(hào)、1號(hào)、2號(hào)桿塔B相電壓Fig.9 B phase voltage of No.0、1、2 tower

3 防護(hù)方案

在ATP軟件中對(duì)架空裸導(dǎo)線的線路，分別對(duì)以下幾種防雷方案進(jìn)行仿真分析。

3.1 減小接地電阻

當(dāng)雷電直擊桿塔時(shí)，若桿塔接地電阻很小，桿塔頂部的電壓較小，塔頂與導(dǎo)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(jià)低廉，但對(duì)于高土壤率的地區(qū)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。50 kA雷電流不同接地電阻下絕緣子兩端的過(guò)電壓見(jiàn)表3。

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

3.2 更換高等級(jí)絕緣子

當(dāng)線路出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，只要導(dǎo)線與橫擔(dān)間的電壓低于絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓，絕緣子就不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。不同絕緣子的耐雷水平見(jiàn)表4。更換更高等級(jí)的絕緣子，絕緣子的閃絡(luò)電壓增大，線路的耐雷水平得到提高。需要考慮線路與設(shè)備的絕緣配合，若絕緣配合不當(dāng)，容易對(duì)變電站內(nèi)的設(shè)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(guò)電壓作用在避雷器，超過(guò)其放電電壓值，則避雷器立刻先行放電。因?yàn)楸芾灼鞣至鞯睦纂娏髦递^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(luò)。對(duì)安裝避雷器后不同雷電流幅值和不同接地電阻進(jìn)行分析，隨著接地電阻的減少，能明顯減少絕緣子兩端的過(guò)電壓電壓水平，安裝避雷器后絕緣子兩端的電壓見(jiàn)表5。

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

3.4 架設(shè)避雷線

避雷線的分流作用可以減小流經(jīng)桿塔的雷電流，從而可以降低塔頂電位。避雷線與導(dǎo)線的耦合作用產(chǎn)生的過(guò)電壓與塔頂對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓極性相反，使導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓降低。安裝避雷線后絕緣子兩端的電壓見(jiàn)表6。

表6 安裝避雷線時(shí)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(hù)范圍廣且避免了雷電直擊導(dǎo)線而被廣泛應(yīng)用，而其防雷效果的好壞和接地電阻的大小有直接關(guān)系，對(duì)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(shí)，儲(chǔ)能裝置釋放能量，在針尖形成的電場(chǎng)急劇上升，致使針尖周圍的空氣放電，形成強(qiáng)大的放電脈沖。在雷云電場(chǎng)作用下，地面脈沖形成向上的迎面先導(dǎo)，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(luò)、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(jiàn)表7。可控避雷針對(duì)接地電阻要求很高，接地電阻太大，反而招致周圍的設(shè)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(shí)，可以從以下方面考慮：更換絕緣等級(jí)更高的絕緣子，提高線路絕緣水平，能減少雷電閃絡(luò)發(fā)生概率，但對(duì)于已架設(shè)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(guò)電壓發(fā)生，避雷器的作用在“治”，即過(guò)電壓發(fā)生后盡快消除過(guò)電壓的危害；接地電阻大小直接影響防雷的效果。結(jié)合多年雷電災(zāi)害統(tǒng)計(jì)記錄分析與實(shí)際環(huán)境調(diào)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(zāi)害。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，收集現(xiàn)場(chǎng)線路參數(shù)，利用ATPEMTP軟件建立了感應(yīng)雷過(guò)電壓模型，得到了線路不同位置的感應(yīng)過(guò)電壓數(shù)值，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)線路的易擊點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)降低接地電阻、更換高等級(jí)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(jìn)行分析對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1）雷擊點(diǎn)的遠(yuǎn)近直接決定雷電過(guò)電壓的大小，10 kV導(dǎo)線普遍采用三角形布置，由于中相相對(duì)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jié)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(jié)合的方法。總之，要采取“防治”結(jié)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(cè)，及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)。

[1]張?chǎng)?，鄧鵬，徐鵬，等.10 kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線原因機(jī)理分析及防護(hù)措施[J].電瓷避雷器，2011（1）：65-69.ZHANG Xin，DENG Peng，XU Peng，et al.Mechanism analysis and protective measures on the lightning break reason of 10 kV overhead insulation conductor[J].Insula?tors and Surge Arresters，2011（1）:65-69.

[2]陳維江，謝施君，劉楠，等.不同電壓等級(jí)架空輸電線路雷電防護(hù)特征分析[J].電力建設(shè)，2014（11）：85-91.CHEN Weijiang，XIE Shijun，LIU Nan，et al.Lightning protection characteristics of overhead transmission lines with different voltage grades[J].Electric Power Construc?tion，2014（11）:85-91.

[3]王茂成，呂永麗，鄒洪英，等.10 kV絕緣導(dǎo)線雷擊斷線機(jī)理分析和防治措施[J].高電壓技術(shù)，2007（1）：102-105.WANG Maocheng，LV Yongli，ZOU Hongying，et al.Analysis of lightning-caused break mechanism of 10kV in?sulation-covered conductors and its countermeasures[J].High Voltage Engineering，2007（1）:102-105.

[4]蔣衛(wèi)平.西北750 kV系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真研究[M].北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2002.

[5]王琳，陳亞洲，萬(wàn)浩江，等.雷電斜向放電通道電磁場(chǎng)建模及計(jì)算[J].微波學(xué)報(bào)，2012，28（2）：16-21.WANG Lin，CHEN Yazhou，WAN Haojiang，et al.Mod?elling and calculation of electromagnetic field of oblique discharge channel[J].Journal of Microwaves，2012，28（2）:16-21.

[6]韓芳，曾曉毅，魯鐵成.輸電線路綜合防雷及雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)研究[J].電瓷避雷器，2012（3）：96-100.HAN Fang，ZENG Xiaoyi，LU Tiecheng.Research on the transmission lines lightning protection and lightning trip evaluation system[J].Insulators and Surge Arresters，2012（3）:96-100.

[7]IEEE Std 1410TM-2010 IEEE Guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribu?tion lines[S].

[8]滿于維，余光凱，韋煥林，等.風(fēng)電機(jī)組箱式變壓器低壓側(cè)雷電過(guò)電壓仿真[J].電力建設(shè)，2016，37（1）：131-136.MAN Yuwei，YU Guangkai，WEI Huanlin，et al.Boxtype transformer lightning overvoltage simulation at lowvoltage side in wind turbines[J].Electric Power Construc?tion，2016，37（1）:131-136.

[9]李琳，齊秀君.配電線路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算[J].高電壓技術(shù)，2011，37（5）：1093-1099.LI Lin，QI Xiujun.Calculation of the lightning induced voltages on power distribution line[J].High Voltage Engi?neering，2011，37（5）:1093-1099.

[10]邊凱，陳維江，李成榕，等.架空配電線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓計(jì)算研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（31）：191-199.BIAN Kai，CHEN Weijiang，LI Chengrong，et al.Calcu?lation of lightning induced overvoltage on overhead distri?bution lines[J].Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering，2012，32（31）:191-199.

[11]RUSCK S.Induced lightning overvoltages on power trans?mission lines with special reference to the overvoltage pro?tection of low voltage networks[C].Ph D dissertation，Roy?al Inst Technol：Stockholm，Sweden，1957.

[12]倪光正，楊仕友，錢秀英.工程電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[13]COORAY V.Some considerations on the cooray-rubin?stein formulation used in deriving the horizontal electric field of lightning return strokes over finitely conducting ground[J].IEEE Trans Electromagn Compat，2002，44（4）:560-568.

[14]ANDERSON P M，AGRAWAL B L.Subsynchronous reso?nance in power system[M].New York:IEEE Press，1990.

[15]RAKOV A.Analysis of lightning-Induced voltages on over?head lines using a 2-D FDTD methold and agrawal cou?pling model[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatiblity，2008，50（3）:651-659.

[16]羅大強(qiáng)，唐軍，許志榮，等.10 kV架空配電線路防雷措施配置方案分析[J].電瓷避雷器，2012（5）：113-118.LUO Daqiang，TANG Jun，XU Zhirong，et al.Analysis on configuration scheme of 10 kV overhead distribution line lightning protection measure[J].Insulators and Surge Arresters，2012（5）:113-118.

[17]趙啟旸，周力行，彭杰，等.帶外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器在鐵路10 kV線路防雷中應(yīng)用研究[J].電瓷避雷器，2014（6）：96-102.ZHAO Qiyang，ZHOU Lihang，PENG Jie，et al.Applica?tion investigations of MOA with external series gap in 10 kV line lightning protection for railway[J].Insulators and Surge Arresters，2014（6）:96-102.

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。