10 kV架空地线接地对防雷影响的研究

廖 圣，陈 龙，李小明，徐文华，周 鹏，桑前浩，胡 洋，谭清华

(1.云南电力技术有限责任公司, 云南 昆明 650214；2.云南电网有限责任公司丽江华坪供电局，云南 丽江 674800；3.昆明理工大学机电学院，云南 昆明 650504)

丽江某县地区由于高海拔矿产资源丰富等原因经常发生落雷现象，当雷电通道直击到地后，会使落雷区域附近输电线会耦合感应雷过电压。主网由于有架空地线、避雷器、避雷针、高绝缘裕度绝缘子串等特点，所以没有出现故障问题[1-2]。周围10 kV配网输电线路，最初架设都用针式绝缘子及单个悬式绝缘，全线也只有少数杆塔装有避雷器及接地线，因此当线路上感应雷过电压稍大一些就会导致线路故障例如：绝缘子损坏、避雷器击穿及断线等[3-5]。所以该地区的人民大众深受停电事故的影响，影响其正常的生活、工作及农耕等，华坪供电局也时常被投诉到省公司，因此解决大面积10 kV防感应雷过电压技术至关重要[6]。

现在防雷技术主要是堵截、疏通及抑制产生3方面研究。堵截就是增加线路绝缘强度减少绝缘子闪络，在输电线上传播的过程中衰减[7-8]。疏通就是当线路上产生感应雷过电压后，通过避雷器、减小接地电阻等措施尽快将感应雷电波疏导到大地[9-10]。抑制产生就是架空地线使得耦合到输电线上的感应雷过电压幅度减小，在源头抑制住感应雷的产生，从而也不再对线路进行其他改造防雷措施，使得防雷工程可以趋于简单化一致化标准化[11-13]。

初步调研发现接地情况的好坏直接影响到架空地线的效果。在接地电阻10 Ω 以下的接地电阻时，加装架空地线其感应雷幅值才能降低20%以上，由此研究接地点对感应雷电波的衰减作用尤为重要[9,14]。考虑到实际应用工程中接地改造成本的问题，是否有必要在每级杆塔上加装接地线，怎样才能达到经济技术指标最优[15]。由此架空地线接地电阻大小及档距等因素对架空地线防雷研究的影响非常重要。

目前架空地线在10 kV配网防雷应用并不广泛，由于架空线成本相对较高，现目前的供电局由于经费及有效性验证问题，都只是在试点建设不敢大面积投建。本文将为10 kV 配网后续建设工作提供技术支撑。

1 雷电波形呈现震荡衰减趋势分析

根据丽江华坪地区龙务线安装的智能绝缘子实测数据分析，下文阐述实测波形呈现震荡衰减趋势的原因。

依托重庆大学研制的智能绝缘子及其他检测设备，测得的观测点、系统配置、土壤和冲击电流参数，雷电过电压的特性可能会有很大差异。对架空线上的雷电感应电压的测量和计算表明，它们可能与标准的雷电冲击电压存在明显差异。图1 给出了一个由附近雷击在10 kV 龙务线某项目改造线段上引起的电压示例。

图1 滤波后电压波形

如图1 所示，当使用高通滤波器滤掉原始波形中的工频分量，剩余的就是由雷电感应引起的高频分量，此时波形呈现双极性且存在震荡衰减趋势，整个过程持续时间约为5 ms左右。

该种电压波形的出现必然是由于波传递过程中，在线路中横向不连续点（接地点）处发生折反射导致，由于10 kV 配电线路是中性点不接地系统，且线路附近并没有变压器，故波形成因有3 种可能：由雷击引起的线路短路故障、避雷器动作或架空地线上感应电压波在接地点处发生折反射并耦合感应至相导体上。

首先可排除由雷击引起线路故障，某次感应雷过电压波形如图2 所示，该波形以正常波形开始，后半段波形发生瞬变后迅速恢复到正常状态，未发生沿线短路引起的电压变化过程，故此次雷电引起的瞬变过程不会导致短路，而监测到的波形大多属于该种情况。

图2 原电压波形

在架空地线项目线路改造过程中，架空地线连接电杆接地线引入到地，可近似看作通过接地阻抗接地，当感应雷击引起的电压波传至接地点处，必然会发生折反射[16]。为验证此点，在Matlab 中建立单导体耦合架空地线感应雷过电压计算模型如图3所示。

图3 感应雷过电压模型示意图

仿真首先验证了架空地线接地点处会发生电压波的折反射，如图4（a）；又通过观测点（线路中点）电压波形验证了架空地线上电压波的折反射同样会耦合感应影响到相导体过电压波形，使其呈现震荡现象，如图4（b）。

图4 滤波后电压波形

如图5 理论电流流径所示，架空地线接地点处会发生波的折反射，其中红色箭头方向表示折射波的前进方向，而蓝色红色箭头方向表示反射波的前进方向。

图5 架空地线横向不连续点处折反射示意图

2 接地间距影响

接地电阻变化仅会对过电压幅值产生影响，而与整体波形变化过程无关，因此决定由线路横向不连续点引起的折反射导致波形震荡的主要因素为接地间距。为了研究接地间距对感应过电压的影响，本文不改变仿真模型其他结构参数，仅对线路接地间距长度进行调整，即L分别为60、120、240 和480 m。仿真结果如图6所示。

图6 接地间距对感应雷电波的影响

接地点处二次电压波时延Td计算公式如所示：

式中：c为光速；D为放电位置距离输电线的垂直距离；L为接地线路长度间距。

在这些图中可以明显观察到二次电压波，该波到达观测点处会导致相导体上的感应电压发生变化。该波是由线路两端架空地线接地产生的，表1 显示了二次波在线路观测点的时延，计算值是从雷击位置经过接地点到观测点的行进距离计算得出的。测量值直接从图6所示的波形中获得，值得注意的是，计算结果与测量结果非常匹配。

表1 接地点处二次电压波时延Td

另外还有发现如果二次波的延时大于直接来自雷电回击的电压波前时间，则架空地线的作用完全消失。如图6（c）和图6（d）所示，当接地间隔增加到240 m 或更大时，架空地线在观测点完全失去耦合感应降低过电压幅值能力。

3 结束语

经研究发现，架空地线接地点处感应电压波的折反射是导致相导体上感应过电压波形呈现震荡衰减趋势的根本原因，且接地点的存在极大降低了其周围一定距离内相导体上感应雷过电压幅值。

接地间距对于实现架空地线的有效性至关重要，为最大限度地抑制雷电感应过电压，建议架空地线尽量在每基杆塔处接地，多级杆塔接地有助于防雷。

如果来自最近接地点的电压波延迟时间大于雷电回击引发过电压的波前时间，则架空地线在该处的屏蔽效果可能会完全消失。