35 kV配电线路直击雷防护计算

于振江，安韵竹，许子涛，王 琰，李英涛，刘振武

(1.国网山东省电力公司 潍坊供电公司，山东 潍坊 261000； 2.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博255000； 3.国网江苏省电力有限公司 徐州供电分公司，江苏 徐州221000)

众所周知，35 kV配电线路在我国整个电力系统占有非常重要的地位，因为它承担着直接向各个电力用户输送电能的重要任务，一旦配电线路发生故障导致停电事故，将会严重影响社会生产和人们的正常生活，带来很大的经济损失[1-2]，同时这样的事故也会对电力系统本身带来恶劣的影响。长期以来，配电线路的绝缘水平较低，研究多集中在配电线路感应雷过电压的防护措施[3]方面，而对于35 kV配电线路的直击雷过电压研究相对较少。实际上，对于一些山区、丘陵地带的35 kV配电线路，由于缺少必要的防雷装置，35 kV配电线路发生直击雷的跳闸事故屡见不鲜[4-5]。

实际运行表明：一些地区的35 kV配电线路运行时间较长造成设备老化严重，导致绝缘子冲击耐压水平低，绝缘水平降低，致使线路承受闪络放电的能力大大降低，雷击闪络时极易造成绝缘子损坏和导线断线等现象。此外，35 KV线路一般都使用混凝土杆塔，线路所用杆塔由于大部分不设人工接地，只在发电厂、变电站进线段的杆塔埋设人工接地体，而且有些人工接地体装置老化，腐蚀现象严重，导致接地体装置破坏，杆塔接地电阻严重超标，配电线路发生直击雷故障的危险性增加[6]。

本文针对配电线路直击雷进行仿真分析，利用电磁暂态计算程序EMTP-ATP建立了35 kV配电线路的仿真计算模型，主要研究35 kV配电线路的直击雷耐雷水平，同时结合实际工况，分析不同的避雷器安装方式对耐雷水平的影响，研究结果为配电线路防雷提供参考。

1 仿真模型建立

本文采用电磁暂态计算程序EMTP-ATP实现配电线路直击雷过电压的仿真计算。仿真模型构成如下：

1)雷电流波形

采用的雷电流波形为双指数波，波形参数为2.6/50 μs，雷电通道波阻抗取300 Ω。

2)杆塔模型

杆塔的仿真模型一般有两种：一种是对于高度不高的杆塔，不考虑杆塔上的波过程而使用集中电感模型；另一种是考虑行波在杆塔上传播的过程，将杆塔各段用波阻抗进行模拟。图1为35 kV线路所用典型杆塔对应的电感和波阻抗模型。

(a) 集中电感模型 (b)波阻抗模型图1 35 kV线路典型杆塔模型Fig.1 Typical tower model of 35 kV line

3)输电线路模型

采用线路参数随频率变化的J.MARTI模型，在程序中输入对应线路的导线型号、相对位置、对地高度、直流电阻等参数即可由软件自动计算得到相关仿真模型的参数。

4)雷击塔顶过电压模型

当杆塔塔顶遭受雷击时，导线上同样会产生感应电压，极性与雷电流极性相反[7]。在本文仿真中，感应过电压的幅值根据我国电力规程推荐的公式进行计算，计算公式如下

Ui=αhc

(1)

式中：Ui为雷电流幅值，α为雷电流平均波前陡度，hc为导线高度。感应电压波形取斜角波。

5)绝缘子串闪络模型

本文使用TACS组合控制模型来模拟绝缘子串的闪络特性，如图2所示。闪络判据为：当绝缘子串两端电压超过其50%放电电压，认为绝缘子串发生闪络[8-9]。对于35 kV线路用绝缘子串，仿真取U50%为350 kV。

图2 绝缘子串闪络模型Fig.2 Insulator string flashover model

6)避雷器模型

本文使用非线性电阻模拟避雷器动作特性，在EMTP-ATP中避雷器的非线性特性用分段线性函数来表示，输入避雷器的伏安特性参数即可实现避雷器的动作特性[10]。

2 35 kV线路反击仿真计算

2.1 无避雷器反击仿真计算

仿真中采用的35 kV线路典型杆塔如图3所示，杆塔为钢筋混凝土材料，高度14 m，导线型号为LGJ-120钢芯铝绞线[11-12]，线路没有装设避雷线，计算的典型档距取200 m。

图3 35 kV线路典型杆塔尺寸Fig.3 Typical tower size of 35 kV line

当线路没有装设避雷器进行保护，雷击杆塔时线路的耐雷水平较低，通过仿真得到杆塔冲击接地电阻取不同值时线路的耐雷水平如图4所示。

图4 不同冲击接地电阻线路的耐雷水平Fig.4 Lightning withstand level of lines under different impulse grounding resistance

由图4计算结果可知，当杆塔冲击接地电阻为10 Ω时，线路耐雷水平只有22.1 kA，即使把接地电阻降低到5 Ω，耐雷水平也只有23.4 kA，而如果接地电阻增大，耐雷水平将不断降低，当接地电阻达到50 Ω时，耐雷水平只有7.1 kA，耐雷水平非常低。由此可见如果线路不采取其它防雷措施，当发生雷击杆塔时很容易发生绝缘的闪络。

2.2 有避雷器反击仿真计算

氧化锌避雷器能够提升配电线路耐雷水平，但不同的安装方式对其防雷性能影响较大。本文采用不同避雷器安装方式对配电线路防雷性能的影响进行分析，雷击杆塔示意如图5所示。

图5 雷击杆塔示意图Fig.5 The diagram of a lightning striking tower

在EMTP-ATP中建立图5所示的配电线路模型，分别计算安装不同数量避雷器时线路耐雷水平。

2.2.1 安装1组避雷器

分别考虑两种情况：1)假设1#杆塔发生雷击，且1#杆塔装设了避雷器，绝缘闪络开关设置在2#杆塔处；2)如果1#杆塔发生雷击但避雷器安装在2#杆塔，闪络开关在1#杆塔。两种情况下的计算结果如图6所示。由图6计算结果可知：当本塔发生雷击且避雷器安装在本塔时，由于避雷器的保护作用，本塔不会发生绝缘闪络，此时闪络发生在邻塔。线路的耐雷水平相对于无避雷器时有明显的提高，如接地电阻为10 Ω时的耐雷水平从22.1 kA提高到了38.1 kA，提高了72%；接地电阻为5 Ω时的耐雷水平从23.4 kA提高到了42.0 kA，提高了79%。当避雷器并非安装在雷击塔而是安装在雷击塔邻塔时，线路的耐雷水平相对于没有安装避雷器时的情况是一样的，这就意味着避雷器只能保护安装了避雷器的本塔，不能保护未安装避雷器的邻塔。

图6 1组避雷器安装方式对耐雷水平的影响Fig.6 The influence of different installation methods on lightning withstand level when installing 1 group of arresters

2.2.2 安装2组避雷器

图5所示的配电线路上安装2组避雷器，分别考虑两种情况：1)1#和2#杆塔装设避雷器；2)2#和3#杆塔装设避雷器。仿真计算时假设1#杆塔发生雷击，闪络开关设置在3#杆塔，两种情况下的仿真计算结果如图7所示。

图7 2组避雷器安装方式对耐雷水平的影响Fig.7 The influence of different installation methods on lightning withstand level when installing 2 groups of arresters

由图7计算结果可知，当雷击1#杆塔且在1#和2#杆塔上装2组避雷器时的线路耐雷水平，相比于雷击1#杆塔且1#杆塔装设1组避雷器时的耐雷水平并没有明显的提升，这是因为虽然2#杆塔的避雷器也会动作参与分流，但是避雷器动作后的反射波还来不及传到3#杆塔上，3#杆塔上的过电压就已经超过绝缘水平而发生闪络了。当本塔发生雷击且在相邻的两基杆塔上各装设1组避雷器时的耐雷水平，和相邻两基杆塔未装设避雷器时的耐雷水平是一样的。避雷器只能保护本塔而对邻塔无保护作用。

2.2.3 安装3组避雷器

假设避雷器分别安装在1#、2#、3#杆塔上，1#杆塔发生雷击，闪络开关设置在4#杆塔。当发生雷击时线路各点的电位分布如图8所示。

图8 线路各点的电位分布情况Fig. 8 The potential distribution of each point of the line

当雷击1#杆塔时，1#杆塔横担的电压从零开始上升，如图8曲线1，在0.065 μs时刻，1#杆塔绝缘两端的电压达到避雷器的动作电压，避雷器开始动作分流，此时1#杆塔导线电压开始从零增加，如图8曲线2，1#杆塔横担和导线之间的电压差保持在130 kV左右，即为避雷器的残压。在0.73 μs时刻，导线上的过电压波传到2#杆塔处，2#杆塔的导线电压开始上升，如图8曲线3，在1.015 μs时刻，2#杆塔导线与横担的电压达到避雷器的动作电压，避雷器动作加入分流过程，2#杆塔导线电压开始下降。在1.395 μs时刻，过电压波传到4#杆塔处，4#杆塔导线电压开始上升，如图8曲线4，由于4#杆塔没有装设避雷器保护，因此当4#杆塔导线上的电压增加到一定值时，4#杆塔绝缘发生闪络，闪络时刻为12.425 μs，之后4#杆塔导线电压下降。

当接地电阻视为纯阻性时，塔顶电位与接地电阻值成正比例关系。当雷击分别发生在1#杆塔和2#杆塔时，在1#、2#、3#杆塔装设避雷器条件下，4#杆塔的耐雷水平随雷击塔的冲击接地电阻变化的情况如图9所示。

图9 3组避雷器安装方式对耐雷水平的影响Fig.9 The influence of different installation methods on lightning withstand level when installing 3 groups of arresters

由图9计算结果可知，线路安装3组避雷器后耐雷水平有了显著的提高。当接地电阻为10 Ω时，此时线路的耐雷水平为126.7 kA，相比于没有装设避雷器时的22.1 kA，提升了4.7倍，相比于装设1组避雷器(避雷器安装在雷击塔)时的38.1 kA，提升了2.3倍。

2.2.4 安装4组避雷器

分别在图5所示的配电线路1#、2#、3#、4#杆塔安装4组避雷器，分别考虑两种情况：1)1#或2#杆塔遭受雷击;2)3#或4#杆塔遭受雷击。计算时闪络开关设置在5#杆塔，两种情况下的仿真计算结果如图10所示。

图10 4组避雷器时两种雷击状况下的耐雷水平Fig.10 The lightning resistance level of two types of lightning strikes when 4 sets of arresters are installed

由图10计算结果可知：1)当雷击发生在1#或2#杆塔时，装设了4组避雷器与装设3组避雷器的耐雷水平相差不大，不对称地多增加1组避雷器并没有显著提高线路的耐雷水平；2)当雷击发生在3#或4#杆塔时，线路耐雷水平降低。

2.2.5 安装5组避雷器

假设分别在1#至5#杆塔上安装5组避雷器，1#杆塔发生雷击，闪络开关设置在6#杆塔，线路耐雷水平计算结果如图11所示。

图11 5组避雷器1#杆塔遭雷击时线路耐雷水平Fig.11 The lightning resistance level of the 1# tower with 5 sets of lightning arresters when struck by lightning

由图11计算结果可知，线路安装5组避雷器后耐雷水平提升明显。当接地电阻为10 Ω时，此时线路的耐雷水平为267 kA，相比于没有装设避雷器时的22.1 kA，提升了11倍；相比于装设1组避雷器(避雷器安装在雷击塔)时的38.1 kA，提升了6倍；相比于装设3组避雷器(雷击塔为三基安装避雷器杆塔的中间塔)时的126.7 kA，提升了1倍。

针对以上5种不同避雷器安装方式，线路耐雷水平与接地电阻的变化关系如图12所示。

图12 不同接地电阻与避雷器数量下线路耐雷水平对比Fig.12 The comparison of lightning resistance level between different grounding resistance and arrester

由图12对比关系可知：1)当线路没有安装避雷器保护，耐雷水平很低，可以通过降低接地电阻的方法提高耐雷水平，并且有一定的效果；2)安装线路避雷器后，线路的耐雷水平明显提高，一定程度上避雷器安装组数越多，提升效果越明显，但提升效果有区别；3)线路耐雷水平与避雷器是否在雷击点对称分布有关，图11中，安装2组与安装1组差别不大，安装4组与安装3组也未有明显提升；4)虽然增设1组避雷器可以对导线上的过电压进行分流，但是由于增设避雷器的杆塔位置与绝缘闪络杆塔的位置相距较远，避雷器动作造成的反射波还未到达闪络塔处，闪络塔上的过电压已经超出了绝缘的承受水平，因此线路的耐雷水平不能明显提升。这提示实际工程中，配电线路在安装避雷器时需要考虑档距及易击段，通过差异化手段合理地安装避雷器以节约设备及安装成本。

3 35 kV线路绕击仿真计算

一些落雷密度较大的山区、丘陵地区的配电线路全线安装了避雷线，本文针对装设避雷线的35 kV配电线路发生绕击时进行仿真计算。计算取档距为200 m，绝缘子串冲击闪络电压取350 kV，杆塔冲击接地电阻取10 Ω。

3.1 无避雷器绕击仿真计算

当线路无避雷器保护，雷击导线时，通过计算得到线路的耐雷水平仅为2.6 kA，并且耐雷水平与雷击点的位置无关。

3.2 有避雷器绕击仿真计算

假设1#杆塔处安装1组避雷器，在3#杆塔设置闪络开关，当雷击点距1#杆塔位置为50 m，雷电流为4.5 kA时，线路电位分布情况如图13所示。

图13 雷击点距1#杆塔位置50 m时电位分布情况Fig.13 The potential distribution when the lightning strike point is 50 m far from the tower position

由图13的仿真结果可知,当绕击发生在距离1#杆塔较近时，雷电过电压在t1时刻传到1#杆塔上，导线电位开始上升，在t2时刻1#杆塔的避雷器动作，1#杆塔横担电压上升，导线与横担间的电位差保持在避雷器的残压，过电压波在t3时刻传到3#杆塔，3#杆塔导线电位开始上升，由于无避雷器保护，在t4时刻3#杆塔绝缘发生闪络，导线电压下降。

落雷位置对过电压分布特征有影响，当落雷点分别距离1#杆塔0 m、25 m、50 m、75 m等不同长度直至在2#杆塔塔顶时，线路的耐雷水平计算结果如图14所示。

图14 耐雷水平随雷击点位置变化关系Fig.14 The relationship between lightning resistance level and the position of lightning strike point

由图14结果可知，安装避雷器能提高线路的耐雷水平，但是只有当雷击发生在安装避雷器杆的附近时才有比较明显的效果，此时可使线路的耐雷水平提高到17.1 kA，相比于无避雷器保护时的2.6 kA，提高了6倍。随着雷击点与安装避雷器杆的距离增大，耐雷水平迅速减小，到邻塔时耐雷水平已和没安装避雷器时的相差不大。

4 35 kV线路避雷器安装优化布置

本节对配电线路避雷器的优化布置进行仿真计算。仿真计算取避雷器的装设点为图5的1#和3#杆塔，在2#杆塔上设置闪络开关。当雷击分别发生在1#、2#杆塔之间或发生在1#、3#杆塔之间时，配电线路的耐雷水平如图15所示。根据图15的计算结果可知：1)如果雷击发生在两个安装了避雷器杆塔之间的线路，则能明显提高线路的耐雷水平，两塔中间位置发生雷击时耐雷水平最高可达到34.8 kA，相比于没有安装避雷器保护时2.6 kA的耐雷水平，提高了12倍；2)当雷击点由中间点向两侧避雷器靠近，耐雷水平逐渐减小，并以档距中间点为中心对称分布，到达安装避雷器杆时耐雷水平降到最低，为16.7 kA，相比于无避雷器保护时的2.6 kA，提高了5倍；3)只有当雷击中了安装避雷器的杆塔时耐雷水平才较高，雷击其它点线路的耐雷水平很低，相比于没有安装避雷器时线路的耐雷水平几乎没有提高。由此可见，如果只在线路的易击段内安装避雷器保护，应在易击档距内的两基杆塔上各装设1组避雷器进行保护，只在其中一基杆塔上安装的防雷效果较差。

图15 耐雷水平随雷击点位置变化关系Fig.15 The line lightning resistance level changes with lightning strike position

当线路每隔2基杆塔安装1组避雷器时，仿真分别在2#、5#杆塔上装设避雷器，并在2#杆塔左侧和5#杆塔右侧600 m处的杆塔上装设避雷器，雷击发生在2#杆塔和5#杆塔之间的线路上，由于线路对称，只需计算雷击点从2#杆塔到1#杆塔中间点变化时的线路耐雷水平，计算结果如图16所示。

图16 耐雷水平随雷击点位置变化关系Fig.16 The line lightning resistance level changes with lightning strike position

根据图16的结果可知，在这种避雷器安装方式下，当雷击两端安装了避雷器的杆塔导线时，耐雷水平达到23.7 kA，相比于无避雷器保护时的2.6 kA，提高了8倍。当雷击点逐渐远离安装了避雷器的杆塔向线路中间移动时，耐雷水平迅速减小，两避雷器安装杆中间线路发生雷击时耐雷水平最低(仅为2.6 kA，与无避雷器保护时一致)。由此可见，在这种避雷器安装方式下，能保护的线路范围是非常小的，只有当雷击安装了避雷器的杆塔时才能显著提高线路的耐雷水平，雷击其它位置时不能提高线路耐雷水平。

5 结论

1)线路无避雷器保护时，如果雷电击中导线，耐雷水平非常低且与雷击点位置无关，因此一旦发生雷击，导线极有可能造成绝缘的闪络。

2)装设避雷器能明显提高线路的耐雷水平，但由于全线装设避雷器成本较大，一般选择在线路易击区域的易击段内装设避雷器进行保护，具体保护效果与避雷器的安装方式密切相关。

3)如果采用平均每2至3基杆塔安装1组避雷器的安装方式，只有当雷击发生在安装了避雷器的杆塔附近时，才能显著提高线路的耐雷水平，在两杆中间的线路仍然是防雷薄弱的区域，即使避雷器的安装密度从每3基1组增加到每2基1组，也不能明显提高防雷薄弱区域的耐雷水平，因此在安装避雷器时，应尽量在容易遭受雷击的杆塔上装设避雷器，并避免易击区位于防雷薄弱的档距内。

4)如果在易遭雷击的某个档距的两个杆塔上都装设避雷器，则线路耐雷水平能得到显著的提升，并且当雷击档距中央时耐雷水平是最高的，如果再在两边的杆塔增加1组避雷器保护，防雷效果更好。因此，可以有针对性地在线路易遭雷击的某几个档距的两边的杆塔上各装1组避雷器进行保护，并可根据需要在相邻杆塔上装设避雷器，这样布置比平均布置避雷器能取得更好的防雷效果。