双回配电线路直击雷过电压耐雷水平及闪络特性研究

常雯雪，陈 娇，金 杨，陈 鹏，林万成，曾繁杰

（1.广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000；2.珠海广达电气有限公司，广东 珠海 519000；3.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州510080；4.广东电网有限责任公司云浮供电局，广东 云浮 527300）

0 引 言

配电线路是输电网与用户端的重要连接，而雷害是配电线路的主要故障原因。配电线路分布范围广，绝缘水平低。雷电直击配电线路架空导线、绝缘子以及避雷器等元件，往往会造成不可恢复的损坏，严重影响用电可靠性和故障抢修恢复时间。常规设计的配电线路一般不设置线路避雷器和避雷线。在雷暴活动强烈地区如何采取合理的雷电保护配置，对于减少配电线路雷电损坏具有重要意义。国内学者近年对配电线路各种防雷措施开展了研究[1-2]，主要集中在感应雷过电压方面[3]。清华大学王希等[4-5]对安装避雷器和不安装避雷器的2.4 km配电线路感应过电压进行计算，考虑了大地电阻率对感应过电压水平的影响。大地电导率对于感应过电压衰减和变形影响较大，大地电导率越小，线路沿线波形幅值越小。线路安装避雷器的情况下，可以很好地抑制配电线路感应过电压幅值。

本文针对双回配电线路直击雷，对线路直击雷过电压耐雷水平及闪络特性进行研究，定量分析在雷击杆塔和雷击导线时，接地电阻和绝缘水平对线路耐雷水平及闪络范围的影响，得到了3 km双回路配电线路的耐雷水平及闪络范围。

1 线路基本参数与仿真建模

我国10 kV配电线路直线水泥杆接地方式有2种类型6种方式。基础型式一有直埋式基础、卡盘基础和底盘基础，基础型式二有套筒无钢筋式基础、套筒式基础和台阶式基础。计算杆塔采用直埋式基础，埋深1.9 m。杆塔冲击接地阻抗值与土壤的电阻率有关，表1为广东两镇土壤的电阻率测量数据，浅层土壤电阻率为20～25 Ω·m。表2为经过CDGES仿真软件计算后获得的Φ190×12-M杆塔直埋式不同电阻率下的冲击阻抗值。土壤电阻率为300 Ω·m时，冲击接地电阻为61.86 Ω。在ATP-EMTP计算中，不以接地电阻为变量时使用60 Ω集中参数电阻模拟杆塔冲击接地电阻[6-7]。

表1 土壤电阻率测量

表2 杆塔冲击接地电阻

本文计算模型参数根据“南方电网标准设计和典型造价平台”《国家电网公司配电网工程典型设计》[8]以及DL/T5220-2005《10 kV及以下架空配电线路设计技术规程》[9]。双回线路采用三层横担双垂直排列，横担采用角钢横担HD-75/09-230。1.5 km线路有23个杆塔，3 km线路有44个杆塔。选用配电线路导线型号为JL/G1A-120/20，档距70 m；架空线路终端有配电变压器，配电变压器处设有避雷器保护。在软件ATPEMTP中建立仿真计算电路，线路杆塔编号从首端至线路末端依次为1～67号。线路使用ATP-EMTP中的LCC模块，仿真时根据精度需要选用J.Marti线路模型。该模型能直接计算架空避雷线与相导线之间的耦合以及大地回路的趋肤效应，简化了计算步骤。

2 直击雷过电压耐雷水平及闪络特性分析

2.1 两种雷击形式线路耐雷水平及闪络特性

我国常规10 kV配电线路大多没有架设避雷线。在没有架设避雷线的情况下，配电线路导线与杆塔易遭受雷电直击。本文计算时分别考虑雷击杆塔与雷击导线两种工况。表3为雷击1.5 km双回线路中央杆塔和导线时的耐雷水平。雷击导线时，雷击相为1A相。计算过程中发现，双回线路在双垂直排列情况下在一回一相发生闪络后，当雷电流增大时，第二回的某一相先于第一回的非雷击相闪络。双回线路两回供电用户可能不同，计算双回第二回耐雷水平有利于估计雷害影响范围。雷击导线时，双回耐雷水平较雷击杆塔时略高。雷击相导线在吸引直击雷击后，它的作用相当于一条屏蔽避雷线，保护了其他相，而雷击杆塔时没有这一效果。当杆塔接地电阻较大，杆塔电位升高将使其他未发生闪络相的绝缘子发生闪络。

表3 两种雷击形式线路耐雷水平

图1为雷击线路中央导线和雷击线路中央杆塔时，全线在1 kA、3 kA、10 kA、30 kA、50 kA、75 kA以及100 kA雷电流下的闪络范围。

（1）相较于雷击导线，雷击杆塔时线路闪络范围小0～2杆。

（2）双回线路闪络范围相比于单回线路闪络范围，在相应的雷电流幅值下差距在0～2杆内。

（3）线路在50 kA雷击导线时出现隔杆闪络现象，在计算单回线路时出现了同样的现象，主要是线路首末端反射波叠加造成的。

图1 两种雷击形式线路闪络范围

2.2 接地电阻对线路耐雷水平及闪络范围的影响

雷击1.5 km单回线路中央导线时，接地电阻对线路耐雷水平和闪络范围的影响如图2和图3所示。考虑了土壤电阻率100～1 000 Ω·m的情况，绝缘子50%放电电压240 kV，杆塔接地电阻不同情况下的耐雷水平和闪络范围。计算的接地电阻为5 Ω、10 Ω、20 Ω、30 Ω、40 Ω、50 Ω、100 Ω、150 Ω 和200 Ω。图2表明，线路不发生闪络时，线路耐雷水平与线路杆塔接地电阻大小无关。当改善杆塔接地时，线路闪络范围明显减小；当接地电阻为5 Ω时，雷电流100 kA内线路闪络范围仅雷击点附近6杆。雷电流越大时，雷击点附近杆塔泄流越大，闪络范围越易控制。当雷电流较大时，改善接地对缩小线路闪络范围的效果非常明显。

图2 接地电阻对线路耐雷水平的影响

2.3 绝缘水平对线路耐雷水平及闪络范围的影响

计算不同的绝缘子U50%线路的耐雷水平和闪络范围，结果如图4和图5所示。计算工况：接地电阻60 Ω，雷击1.5 km双回线路中央导线，绝缘子绝缘水平为118 kV、134 kV、147 kV、179 kV、211 kV、266 kV和296 kV。

图3 接地电阻对线路闪络范围的影响

图4 绝缘水平对线路耐雷水平的影响

图5 绝缘水平对线路闪络范围的影响

由图4可知，线路耐雷水平随绝缘水平的升高而升高，关系近乎线性上升。绝缘水平每提高30 kV，线路耐雷水平提高约0.2 kA，提高效果不佳，296 kV绝缘水平线路耐雷水平仅2.1 kA。由图5可知，不同雷电流幅值的曲线均近乎水平，绝缘水平提高对线路闪络范围的缩小效果不甚明显。绝缘水平最大与最小之间，相应的30 kA及以上雷电流下，闪络杆塔相差3～6杆。对比图3的计算结果，相比于提高线路的绝缘水平，改善线路的接地电阻对缩小线路闪络范围更有效。

2.4 不同长度配电线路的耐雷水平及闪络范围

计算雷击3 km双回线路中央导线的线路耐雷水平和闪络范围，表4和图6分别为线路长度为3 km时的耐雷水平和闪络范围。双回线路雷击相发生闪络后，因为存在与雷击相同一水平线的相导线，非雷击相更易于发生闪络。雷电流达到50 kA后，线路容易出现隔杆闪络和距避雷器较远处的杆塔发生闪络。

表4 1.5 km双回线路雷击导线时耐雷水平

图6 3 km双回线路闪络范围

雷电流幅值在50 kA之前，闪络百分比与雷电流幅值成正比；雷电流30 kA时，3 km线路闪络百分比为23.7%；雷电流50 kA时，3 km线路闪络百分比为45%。当雷电流幅值大于50 kA之后，雷电流幅值变化对闪络百分比影响不大。

3 结 论

（1）接地电阻小于50 Ω时，每升高10 Ω，30 kA以上雷电流闪络范围扩大3～5杆。较低的接地电阻可以有效泄放较大幅值的雷电流，而当接地电阻增大时，雷击点附近入地电流幅值降低，线路闪络范围扩大。计算了常规线路安装118～296 kV共7种耐雷水平不同的绝缘子耐雷水平和闪络范围发现，绝缘水平每提升30 kV，线路耐雷水平约提高0.2 kA。

（2）相比于提高线路的绝缘水平，改善线路的接地电阻对于缩小线路闪络范围更有效。当雷电流较大时，改善接地对缩小线路闪络范围的效果明显。

（3）线路长度为3 km时，双回线路雷击相发生闪络后，因为存在与雷击相同一水平线的相导线，非雷击相更易于发生闪络。雷电流达到50 kA后，线路易出现隔杆闪络和距避雷器较远处的杆塔发生闪络。