10 kV架空配電線路雷電防護(hù)措施研究

汪 敏

（三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北宜昌 443000）

引言

為順應(yīng)我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能大電網(wǎng)的發(fā)展理念，輸電線路的穩(wěn)定可靠運(yùn)行成為了亟需解決的問題。由于輸電線路架設(shè)高度較高，雷擊成為影響其可靠性的重要因素[1]。截至目前，有諸多學(xué)者對(duì)輸電線路防雷進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]研究顯示防雷的重點(diǎn)在于感應(yīng)過電壓；隨后文獻(xiàn)[3]先后提出了傳輸線模型及傳輸電流源模型；文獻(xiàn)[4]又運(yùn)用MTLE模型模擬了雷電匯集過程；文獻(xiàn)[5]運(yùn)用FDTD法對(duì)感應(yīng)過電壓進(jìn)行了計(jì)算；文獻(xiàn)[6]對(duì)不同大地電導(dǎo)率的線路過電壓進(jìn)行了計(jì)算。

本研究介紹雷電過電壓的種類，研究影響感應(yīng)過電壓的因素，最后仿真計(jì)算10 kV配電線路設(shè)置地線的防雷效果。

1 雷電過電壓的種類

圖1為輸電線路的不同雷擊方式。其中方式一、二為反擊雷，是指桿塔頂部受到雷擊時(shí)，巨大的雷電電流將沿著線路塔流入大地，并在線路絕緣子的一端產(chǎn)生高電位，反擊產(chǎn)生的電位與絕緣子另一端的電位之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。方式三為繞擊雷，方式四為感應(yīng)過電壓[7]。

圖1 輸電線路雷擊示意圖

配電線路的雷擊圖如圖2所示。雷擊方式一是指雷電直接擊中配電線路，此時(shí)絕緣子的閃絡(luò)可能會(huì)引起跳閘事故。雷擊方式二是指雷電擊中地面，此時(shí)地面的強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)使線路產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，可能會(huì)造成線路跳閘。

圖2 配電線路雷擊示意圖

2 感應(yīng)雷電過電壓影響因素分析

2.1 大地電導(dǎo)率的影響

為研究配電線路中感應(yīng)雷的特性，以10 kV線路為例，圖3為配電線路附近的雷電示意圖。導(dǎo)體的高度為10 m，導(dǎo)體的截面積為150 mm2，線的長(zhǎng)度為2000 m。地線在導(dǎo)體上方0.75 m，接地電導(dǎo)率分別為0.0001 S/m、0.001 S/m和0.01 S/m。

圖3 雷擊導(dǎo)線示意圖

在圖3中選擇直線的中點(diǎn)(A)和終點(diǎn)(B)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖4 感應(yīng)雷過電壓波形圖

從圖4可得，在A點(diǎn)處，當(dāng)大地電導(dǎo)率為0.01 S/m時(shí)，感應(yīng)雷電過電壓約為165 kV，比0.001 S/m時(shí)低約30 kV，比0.000 1 S/m時(shí)低80 kV；在B點(diǎn)，當(dāng)大地電導(dǎo)率為0.01 S/m時(shí)，感應(yīng)雷電過電壓約為50 kV，比0.001 S/m時(shí)低約8 kV，比0.0001 S/m時(shí)低15 kV。將圖4(a)、(b)進(jìn)行對(duì)比可知，A點(diǎn)感應(yīng)過電壓的幅度遠(yuǎn)大于B點(diǎn)。從圖4(b)可以看出，當(dāng)大地電導(dǎo)率較小時(shí)，線路上感應(yīng)的雷電過電壓大，電壓衰減速度快。

2.2 雷電流波形和雷擊距離的影響

圖5為3個(gè)不同的海德勒模型電流波形產(chǎn)生的感應(yīng)雷電過電壓幅度隨水平距離變化的折線圖。圖5(a)為雷電回?fù)羲俣葹?×108m/s時(shí)感應(yīng)雷電過電壓的幅度曲線；圖5(b)為雷電回?fù)羲俣葹?.3×108m/s時(shí)感應(yīng)雷電過電壓的幅度曲線。從圖5可得，當(dāng)電流幅值相同時(shí)，在兩個(gè)不同的雷電回?fù)羲俣认?，雷電流A3產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓幅值最大，雷電流A1產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓幅值最小。

圖5 感應(yīng)雷過電壓幅值對(duì)比圖

3 不同雷電活動(dòng)下的防雷效果

設(shè)置地線可以有效抑制線路過電壓，圖6所示為2種地線安裝方式。

實(shí)際輸電線路工況及氣候不同，因此直擊雷和感應(yīng)雷的比例隨之變化。結(jié)合配電網(wǎng)以往的雷擊情況，假定感應(yīng)雷擊占總數(shù)的90%，直接雷擊占雷擊總數(shù)的10%。按照上述兩種接線方式，分別計(jì)算P為9∶1、8∶2和7∶3時(shí)的線路跳閘率（P表示感應(yīng)雷電和直接雷電的比例）。

圖6 地線安裝方式

圖7為不同P下兩種接地線安裝方式的雷擊跳閘率降低的比例曲線。

圖7 地線安裝方式

從圖7可以看出，隨著感應(yīng)雷和直擊雷比例的降低，兩種接地線安裝方法的保護(hù)效果變?nèi)?，但高大地電阻的影響較小。分析原因如下：設(shè)置地線可以更明顯地抑制感應(yīng)雷，但對(duì)直擊雷的抑制作用較弱，而隨著直擊雷比例的增加，地線的保護(hù)作用越來越小。

4 結(jié)論

針對(duì)輸電線路雷擊問題，本文首先闡述了雷電過電壓的種類及原理，然后仿真分析了感應(yīng)過電壓的影響因素，最后對(duì)不同雷電活動(dòng)下的防雷效果進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，設(shè)置地線可以較好地抑制感應(yīng)雷，但對(duì)直擊雷的防護(hù)效果不太明顯。