黑龍江地區(qū)10 kV配電線路防雷研究

孫 巍， 李 童，劉 洋，劉 進(jìn)，吳 軍，盧澤軍

（1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150000；2.國(guó)網(wǎng)電科院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074）

黑龍江地區(qū)10 kV配電線路防雷研究

孫 巍1， 李 童1，劉 洋1，劉 進(jìn)1，吳 軍2，盧澤軍2

（1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150000；2.國(guó)網(wǎng)電科院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074）

以黑龍江地區(qū)典型配電線路為研究對(duì)象，采用ATP－EMTP對(duì)配電線路桿塔進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)桿塔耐雷水平隨接地電阻的升高而降低；提高線路絕緣水平對(duì)于線路防雷性能有直接而且明顯的提升；避雷器對(duì)于裸導(dǎo)線和絕緣導(dǎo)線的耐雷水平提升均在90%以上；最后，以雷擊跳閘次數(shù)為指標(biāo)，對(duì)典型配電線路進(jìn)行了雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并依據(jù)評(píng)估結(jié)果，制定了針對(duì)性的防雷方案：對(duì)雷害風(fēng)險(xiǎn)在C級(jí)的13基桿塔，加裝避雷器；對(duì)雷害風(fēng)險(xiǎn)在B級(jí)的34基桿塔，更換接地模塊來改善接地電阻；對(duì)于雷害風(fēng)險(xiǎn)在A級(jí)的其余桿塔，在日常巡視中多加注意。

10 kV配電線路；耐雷水平；防雷方法；ATP－EMTP

0 引言

10 kV配電線路是電力系統(tǒng)中較靠近用戶的一級(jí)，擔(dān)負(fù)著向工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民日常生活供電的重要職責(zé)，具有線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線路總量多、覆蓋面積面廣的特點(diǎn)。配電線路絕緣水平較低，且一般無特別的防雷措施，不僅會(huì)受到直擊雷的影響，發(fā)生雷擊斷線，同時(shí)也會(huì)因雷擊地面產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓的影響而發(fā)生絕緣子閃絡(luò)[1－2]、跳閘。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，配電網(wǎng)的雷害事故約占整個(gè)電力系統(tǒng)全部雷害事故的70%～80%，嚴(yán)重地威脅著供電安全[3－4]。所以，10 kV配網(wǎng)線路的防雷顯得尤為重要[5]。

筆者以黑龍江地區(qū)典型配電線路為研究對(duì)象，分析了線路的基本情況；采用ATP－EMTP仿真軟件，對(duì)線路桿塔進(jìn)行耐雷水平計(jì)算，研究了桿塔接地電阻、絕緣子型號(hào)、避雷器對(duì)桿塔耐雷水平的影響；以雷擊跳閘次數(shù)為指標(biāo)，對(duì)典型配電線路進(jìn)行了雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并依據(jù)評(píng)估結(jié)果，制定了針對(duì)性的防雷方案。

1 研究對(duì)象

1.1 線路概況

黑龍江省地勢(shì)大致是西北部、北部和東南部高，東北部、西南部低，主要由山地、臺(tái)地、平原和水面構(gòu)成。氣象部門認(rèn)為黑龍江屬于次多雷區(qū)，平均雷暴日為31天左右。黑龍江省各地方平均雷暴日數(shù)如表1所示。

表1 黑龍江省各地方平均雷暴日數(shù)Table 1 Thunderstorm days in Heilongjiang

經(jīng)過實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，黑龍江地區(qū)配電線路具有如下特征：

1）裸導(dǎo)線、絕緣導(dǎo)線混合鋪設(shè)：黑龍江地區(qū)10 kV配電線路呈現(xiàn)裸導(dǎo)線、絕緣導(dǎo)線混合鋪設(shè)的總體特征，如圖1所示。

圖1 絕緣導(dǎo)線和裸導(dǎo)Fig.1 Insulation lines and naked lines

裸導(dǎo)線使用方便且造價(jià)低，同時(shí)裸導(dǎo)線由于不具有絕緣層，相對(duì)于絕緣導(dǎo)線而言，電弧能沿線路移動(dòng)而避免定點(diǎn)燃燒，因此裸導(dǎo)線發(fā)生的斷線故障少于絕緣導(dǎo)線。但一般裸導(dǎo)線線芯暴露在大氣環(huán)境中易遭腐蝕，在強(qiáng)烈紫外線光照和雨、雪、冰雹、風(fēng)沙、高溫、低溫，煙霧、化學(xué)氣體以及樹干樹枝頻繁摩擦下，裸導(dǎo)線容易發(fā)生開裂老化，且線路容易產(chǎn)生短路故障。架空絕緣導(dǎo)線相對(duì)于裸導(dǎo)線而言，能耐氣候老化，延長(zhǎng)線路使用壽命，同時(shí)采用架空絕緣導(dǎo)線可以適當(dāng)減小導(dǎo)線的線間距離和對(duì)建筑物的間距，但是絕緣導(dǎo)線的絕緣層限制了電弧擴(kuò)散，更容易導(dǎo)致電弧定點(diǎn)然后，引發(fā)更嚴(yán)重的雷擊斷線事故[6]。

2）采用鋼筋水泥電桿：黑龍江地區(qū)10 kV配電線路桿塔大多采用鋼筋水泥作為塔身的材料，如圖2所示。與鐵塔相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（a）桿結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單；（b）節(jié)省鋼材和投資，特別是預(yù)應(yīng)力電桿；（c）運(yùn)行維護(hù)工作量少，除橫擔(dān)等部分鐵附件外，一般不需要采取防腐措施。

圖2 10kV配電線路典型桿塔Fig.2 Typical tower of 10kV distribution lines

鋼筋混凝土水泥塔也有自身缺點(diǎn)：（a）鋼筋混凝土電桿的重力大且容易出現(xiàn)裂縫，另外它對(duì)基礎(chǔ)下壓荷載也較大；（b）由于鋼筋混凝土耐張轉(zhuǎn)角桿一般都需要拉線，因此居民擁擠地帶以及山區(qū)都不能使用；（c）鋼筋混凝土電桿一般不能承受較大的荷載。

3）線路布置多為水平方式排布：從擊距的角度看，三角布置的直線桿頂相更易遭受雷電直擊，而對(duì)于水平布置的塔頭，邊相更易受到雷電直擊。

第一，正確梳理“質(zhì)”與“量”之間的關(guān)系。在林政資源管理時(shí)，在推動(dòng)林業(yè)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的同時(shí)，還需要確保林業(yè)資源的數(shù)量與質(zhì)量處于均衡發(fā)展的狀態(tài)之內(nèi)，優(yōu)化林業(yè)資源自身的結(jié)構(gòu)，注重保護(hù)不可再生的林業(yè)資源，合理利用可再生林業(yè)資源。

1.2 典型桿塔參數(shù)

黑龍江地區(qū)水泥桿桿塔基本參數(shù)為：無拉線混泥土桿，無地線，桿塔波阻抗 250 Ω，電感 0.84 μH/m，桿塔沖擊接地電阻25 Ω，呼高12 m。采用P－15針式絕緣子，主干導(dǎo)線采用LGJ－120，導(dǎo)線半徑1.52 cm，檔距50 m，線路弧垂為0.25 m，線路波阻抗400 Ω。如圖所示。

2 研究方法

選擇ATP－EMTP軟件搭建模型，結(jié)合工程實(shí)際，計(jì)算線路耐雷水平[7－8]。

2.1 雷電模型

ATPDraw程序中自帶有直接輸入波頭時(shí)間和波尾時(shí)間參數(shù)的雷電流模型。筆者選取負(fù)極性2.6/50 μs的雷電流波形。

2.2 桿塔模型

桿塔采用波阻抗模型。波阻抗大小為250 Ω，波速選為210 m/μs。根據(jù)桿塔的尺寸和導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的位置將桿塔波阻抗分為幾部分。

2.3 輸電線路模型

輸電線路采用ATPDraw中自帶的π型架空線路模型。計(jì)算過程中忽視波在傳播過程中的各種損耗。

2.4 絕緣子模型

絕緣子模型采用壓控開關(guān)模擬，絕緣子的U50%電壓即為開關(guān)的閉合電壓。

2.5 最終仿真模型

最終建立的仿真模型如圖3所示。

圖3 ATP-EMTP仿真模型Fig.3 Simulation model in ATP-EMTP

3 研究結(jié)果

3.1 接地電阻對(duì)線路耐雷水平的影響

采用ATP-EMTP軟件建立仿真模型后，研究桿塔接地電阻對(duì)線路耐雷水平的影響（設(shè)置絕緣子的U50%為 350 kV），如表2所示。

表2 接地電阻和耐雷水平的關(guān)系Table 2 The relationship between grounding resistance and lightning withstand level

通過表2可以看見，隨著接地電阻的升高，桿塔的耐雷水平逐漸降低。所以，在進(jìn)行配電線路防雷方案制定時(shí)，要充分考慮桿塔的接地電阻影響，選取合適的接地電阻。

3.2 絕緣子型號(hào)對(duì)線路耐雷水平的影響

目前10 kV架空線路常用的絕緣子有P-15、復(fù)合懸式棒形絕緣子（FXBW6-10/70）、瓷橫擔(dān)絕緣子（S-185）、瓷支柱絕緣子（PSN-75/5ZS）等。這些絕緣子的50%放電電壓如表3所示。

更改模型中絕緣子的參數(shù)，分別研究不同絕緣子對(duì)桿塔耐雷性能的影響，如表4所示。

表3 絕緣子雷電沖擊50%放電電壓Table 3 Lightning impulse U50%of insulators

表4 不同絕緣子的雷擊閃絡(luò)概率/次·（100 km·年）-1Table 4 Lightning impulse flashover rate of different insulators

通過表4可以看出，提高絕緣水平對(duì)降低雷擊閃絡(luò)次數(shù)作用顯著，以120 kA為例，U50%由175 kV提高至250 kV，雷擊閃絡(luò)次數(shù)降低62.56%。提高線路絕緣水平對(duì)于線路防雷性能有直接而且明顯的提升。所以，在新建線路上，因充分考慮經(jīng)濟(jì)性和防雷性能，盡量使用絕緣水平較高的絕緣子，使線路的防雷工作一步到位；而對(duì)于老舊線路，可根據(jù)實(shí)際情況來選擇是否更換絕緣子。

3.3 避雷器

用一個(gè)非線性電阻模擬避雷器[12]，接地電阻為10 Ω。分別模擬裸導(dǎo)線、裸導(dǎo)線裝設(shè)避雷器、絕緣導(dǎo)線、絕緣導(dǎo)線裝設(shè)避雷器這四種情況下的耐雷水平，仿真結(jié)果如表5所示。

表5 避雷器防雷效果Table 5 The effects of lightning protection

從表5可以看出：使用避雷器能有效提升線路的耐雷水平。對(duì)于裸導(dǎo)線和絕緣導(dǎo)線的提升均在90%以上。但是避雷器價(jià)格比較貴，在防雷改造時(shí)要充分考慮性價(jià)比。

3.3.1 耐雷水平計(jì)算

針對(duì)黑龍江典型線路的桿塔參數(shù)進(jìn)行仿真，分別仿真雷擊桿塔和雷擊導(dǎo)線中央時(shí)，復(fù)合絕緣子兩端的電壓。如所表6、表7所示。

表6 雷擊塔頂時(shí)的絕緣子兩端電壓Table 6 The voltage on insulators when the lightning strikes on the top of tower

表7 雷擊導(dǎo)線時(shí)的絕緣子兩端電壓Table 7 the voltage on insulators when the lightning strikes lines

即，雷擊塔頂時(shí)，當(dāng)雷電流達(dá)到2.6 kA時(shí)，B相絕緣子上電壓為119 kV，接近其U50%，所以此時(shí)的耐雷水平為2.6 kA；同理雷擊導(dǎo)線時(shí)的耐雷水平為0.8 kA。

3.3.2 地閃密度統(tǒng)計(jì)

通過雷電定位系統(tǒng)[9-11]，統(tǒng)計(jì)得到典型線路的地閃密度如圖4和表8所示。

圖4 線路2011-2015年地閃密度圖Fig.4 ground flash density of the line from 2011-2015

表8 線路2011-2015年地閃密度統(tǒng)計(jì)表Table 8 Ground flash density of the line from 2011-2015

3.3.3 雷擊跳閘率計(jì)算

式中：N為線路的雷擊總數(shù)；η為建弧率；P為雷電流大于I的概率。

式中：E為弧道的平均電場(chǎng)強(qiáng)度；U1為線路額定電壓；lj為絕緣子閃絡(luò)距離；lm為橫擔(dān)的線間距離。

3.3.3 雷害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

本文采用的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表9所示[11]。

3.3.4 典型線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)仿真計(jì)算得到的典型桿塔的耐雷水平和各基桿塔地閃密度，分別逐基（逐段）計(jì)算其雷擊跳閘率，并根據(jù)雷害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法進(jìn)行分級(jí)，如表10所示。

表9 雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 9 Lightning risk classification standard

表10 線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估Table 10 Lightning risk assessment of line

3.3.5 典型線路防雷方案制定

通過上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可知，44－56號(hào)桿塔的雷害風(fēng)險(xiǎn)最大，處于C級(jí)。一共有13基桿塔，占全線路113基桿塔的11.5%，從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，可以在這13基桿塔上全部加裝避雷器，以保證其后續(xù)供電可靠性，經(jīng)濟(jì)允許的情況下還可以考慮更換桿塔上的絕緣子；1－5 號(hào)、23－31 號(hào)以及 94－113 號(hào)桿塔的雷害風(fēng)險(xiǎn)中等，一共有34基桿塔，占全線路113基桿塔的30%，可以實(shí)地測(cè)量其接地電阻，通過更換接地模塊等方法，降低桿塔接地電阻，從而提高線路的耐雷水平。其余桿塔雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低，在日常的巡視中多加注意即可。

4 結(jié)論

1）桿塔接地電阻對(duì)于桿塔的耐雷水平有直接的影響，在日常巡視時(shí)應(yīng)注意桿塔的接地電阻變化，保證它在正常的范圍內(nèi)。

2）提高線路絕緣水平對(duì)于線路防雷性能有直接而且明顯的提升。所以，在新建線路上，因充分考慮經(jīng)濟(jì)性和防雷性能，盡量使用絕緣水平較高的絕緣子。

3）避雷器能有效提升線路的耐雷水平。對(duì)于裸導(dǎo)線和絕緣導(dǎo)線的提升均在90%以上。但在防雷改造時(shí)要充分考慮性價(jià)比。

4）配電線路防雷方案要因地制宜。同時(shí)考慮線路的物理參數(shù)和線路所處位置的雷電參數(shù)后，對(duì)線路進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果來制定相應(yīng)的方案。

[1]陳潔，姜建勛.10 kV配電線路雷害事故分析及防雷措施仿真研究[J].電瓷避雷器，2011（4）：73－77．CHEN Jie，JIANG Jian－xun，et al.Analysis of Lightingstrike Fault of 10kV Distribution Lines and Simulation Study on Lightning Protection Measures[J].Insulators and Surge Arresters，2011（4）：73－77

[2]陳茂榮，盧澤軍.廣東東莞10 kV架空線路防雷治理技術(shù)研究[J].電瓷避雷器，2013（3）.86－90．CHEN Mao－rong，LU Ze－jun，et al.Research on the Technology of 10kV Overhead Line Lightning Protection Treatment in Dong Guan，Guangdong[J]Insulators and Surge Arresters，2013（3）：86－90．

[3]李景祿，吳維寧，楊廷方，等．配電網(wǎng)防雷保護(hù)的分析與研究[J]．高電壓技術(shù)，2004，30（4）：58－59．LI Jing－lu，Wu Wei－ning，YANG Ting－fang，et al.Analysis of lighting protection of distribution networks[J].High Voltage Engineering，2004（4）：58－59

[4]解廣潤(rùn)，電力系統(tǒng)過電壓[M].北京：水利電力出版社，1985.XIE Guang－run.Power system transient overvoltage[M].Bei－jing，China：Hydraulic Publisher，1985.

[5]鄧文斌.南方某縣城10kV配電網(wǎng)防雷保護(hù)分析[J].電瓷避雷器，2012（4）：23－25．DENG Wen－bin.Aanlysis on lightning protection of a southern town 10kV distribution networks[J].Insulators and Surge Arresters，2010（4）：23－25

[6]李孛.10kV配電線路防雷措施研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009．LI Bo.Research on the technology of lightning protection for 10kV distribution line[D].Changsha，China：Changsha University of Technology，2009．

[7]陸小花．架空配電線路感應(yīng)雷過電壓計(jì)算與防護(hù)研究[D]．南京：河海大學(xué)，2007．LU Xiao－h(huán)ua.Research of calculation and prevention of lightning induced overvoltage on overhead distribution lines[D].Nanjing，China：Hehai University，2007．

[8]孫萍．220 kV新杭線雷電流幅值實(shí)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析[J].中國(guó)電力，2000（3）：72－75．SUN Ping.Statistical Analysis on lightning current Amplitude Measurement on 220kV Xin－Hang Line[J]．ELECTRIC POWER，2000（3）：72－75[9]陳家宏，張勤，馮萬(wàn)興，等.中國(guó)電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)與雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)[J].高電壓技術(shù)，2008，34（3）：425－431..CHEN Jia－h(huán)ong，ZHANG Qin，F(xiàn)ENG Wan －xing，et al.Lightning location system and lightning detection network of China power grid[J].High Voltage Engineering，2008（3）：425－431.

[10]陳家宏，馮萬(wàn)興，王海濤，等.雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法[J].高電壓技術(shù)，2007，33（10）：6－10.CHEN Jia－h(huán)ong，F(xiàn)ENG Wan－xing，WANG Hai－tao，et al.Statistical Method of Lightning Parameters[J].High Voltage Engineering，2007，33（10）：6－10.

[11]陳家宏，王劍，童雪芳，等.電網(wǎng)雷害分布圖研究[J].高電壓技術(shù)，2008，34（10）：12－18.CHEN Jia－h(huán)ong，WANG Jian，TONG Xue－fang，et al.Research on power grid lightning hazard maps[J].High Voltage Engineering，2008，34（10）：12－18.

[12]許志榮，唐軍.10kV配電用避雷器常見故障類型分析[J].電瓷避雷器，2012（3）：62－66.XU Zhi－rong，TANG Jun.Analysis of 10 kV Distribution Arrester Common Fault Types[J].Insulators and Surge Arresters，2012（3）：62－66.

Study on Lighting Protection of 10 kV Distribution Lines in Heilongjiang

SUN Wei1，LI Tong1，LIU Yang1，LIU Jin1，WU Jun2，LU Zejun2
（1.Electric Power Research Institute of Heilongjiang，Harbgin 150000，China；2.Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China）

10 kV distribution line is a very important portion of the power system.The accident because of lightning impulse takes quite a large proportion in the accidents of distribution lines.So it is necessary to make further research on the distribution lines，direction protect methods should be advanced to improve the power supply reliability of distribution lines.By taking 10 kV distribution lines in Heilongjiang as the research object，the situation of the line was analyses.By using ATP－EMTP，the lightning withstand level of tower reduce with the exaltation of resistance and improve palpable with the improvement of the insulation；the lightning withstand level of lines could be improved 90%after using lightning arrester；the risk level of lightning impulse of the line is evaluated，depend on which the lighting protection measures are advanced：For the lightning risk in the 13 base tower C grade，should install lightning arrester；risk in the 34 base tower B grade，should replace the grounding module to improve the grounding resistance；risk in the rest of tower A grade，should pay more attention to in daily inspections.

10 kV distribution lines；lightning withstand level；lighting protection methods；ATPEMTP

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.008

2016－04－07

孫 ?。?985—），男，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)楦邏弘姎庠O(shè)備的仿診斷性試驗(yàn)、帶電檢測(cè)及資產(chǎn)全壽命周期管理。