雷击临近厂房的配电网过电压防护措施研究

张凯，吴晓东，代佰华，毛惠卿，咸日常

（1.国网山东省电力公司滨州供电公司，山东 滨州 256600；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000）

0 引言

配电线路的供电覆盖面积大，总线路长度巨大，线路架设方式大都为架空线路，绝缘性能水平较低且一般不装设避雷线［1-2］。架空配电线路高度经常低于周围建筑物。因此，架空配电线路不易遭受雷电直击［3-4］。当配电线路附近厂房发生雷击时，配电线路上会感应出高幅值的雷电过电压［5］，严重威胁着配电线路的安全稳定运行。因此，研究雷击临近厂房配电线路雷电过电压的防护具有现实意义。

通过对接地网的设计可以降低接地电阻［6-7］，从而降低配电线路的电位。齐祥和［8-9］研究了杆塔水平外延和水平垂直两种接地装置模型在不同类型土壤中的降阻效果。谢洪平等［10-11］针对矿区变电站进线段杆塔接地网外延降阻存在地形受限、有效散流长度短、降阻效率低等问题，提出了对进线段杆塔采用长距离外延引线辅助接地的降阻方法。高竹青等［12-13］研究了不同长度垂直接地极的影响范围以及垂直接地极数量、长度对于杆塔接地装置降阻效果的影响。程育林等［14］研究了垂直接地体的不同间隔距离、长度和等效直径对杆塔接地电阻的影响效果。黄勇等［15］找出了垂直接地极的利用系数和降阻率的变化规律。郑志煜等［16-17］探讨了多种情况下垂直接地体对大中型接地网的降阻作用。在输电线路杆塔降阻技术研究中，导电混凝土、石墨缆柔性接地极等技术被应用于接地工程中［18-20］。上述文献集中于研究水平外延和垂直接地体的降阻效果，然而对厂房接地网装设外延引线和敷设垂直接地体降低配电线路雷电过电压的研究较少。

本文研究的是厂房高度高于配电线路时，在原有配电线路的情况下，有限面积内建设厂房对临近的配电线路进行雷电过电压防护。为了分析引流法和绝缘间隔法的临近厂房线路雷电过电压防护，采用仿真软件建立了3 种厂房与配电线路过电压防护模型，研究了10 kV 配电线路与临近厂房接地网间距、土壤电阻率、雷电流幅值对防护效果的影响，对比分析了引流法和绝缘间隔法的过电压防护效果。

1 雷击临近厂房时配电线路过电压防护模型

1.1 装设外延引线

通过在厂房接地网上装设外延引线，可降低配电线路的电位。外延引线的作用是将入地电流更多地散流至终端，以降低配电线路电位。在厂房接地网上装设外延引线，如图1所示。

图1 装设设外延引线的厂房接地网

搭建厂房接地网铺设外延引线雷击散流模型。厂房接地网结构是边长为50 m 的田字型接地网，由D16 mm 镀锌圆钢材料构成。外延引线与厂房接地网相连，与厂房接地网的角度为α=135°，β=-135°，埋深均为0.6 m。接地网采用四角均匀注流，分别注入电流为20 kA，频率为10 kHz。设置土壤电阻率为500 Ω·m，外延引线长度为60 m，材料为D28 mm 的高导石墨，厂房和配电线路的间距（厂房与配电线路中心线的距离）为2 m。

1.2 敷设垂直接地体

在厂房接地网上敷设垂直接地体，通过垂直接地体将入地电流更好地向下散流到土壤中，来降低配电线路电位。在厂房接地网上敷设垂直接地体，如图2所示。

图2 敷设垂直接地体的厂房接地网

搭建厂房接地网敷设垂直接地体雷击散流模型。厂房接地网结构是边长为50 m 的田字型接地网，由D16 mm 镀锌圆钢材料构成。接地网采用四角均匀注流，分别注入电流为20 kA，频率为10 kHz。垂直接地体采用直径为10 mm 的圆钢接地材料，长度为20 m，设置土壤电阻率为500 Ω·m，厂房和配电线路的间距为2 m。

1.3 装设隔离带

在厂房接地网与配电线路杆塔接地体之间装设隔离带，不仅隔离了一部分雷击散流，而且还吸收了很多雷击散流，从而使其流入到配电线路上的电流减小，以降低配电线路电位。在厂房接地网和配电线路杆塔接地体之间敷设隔离带，如图3所示。

图3 装设隔离带的厂房接地网

搭建厂房接地网装设隔离带的冲击接地散流模型。厂房接地网结构是边长为50 m 的田字型接地网，由D16 mm 镀锌圆钢材料构成。隔离带装设在厂房接地网和配电线路杆塔接地体之间，埋深0.6 m。厂房接地网采用四角均匀注流，分别注入电流为20 kA，频率为10 kHz。设置隔离带材料为高导石墨，长度为120 m，间距为2 m。

2 临近厂房配电线路雷电过电压影响分析

2.1 引流法

2.1.1 间距的影响

为了研究厂房接地网与临近配电线路间距对配电线路过电压防护的影响，设置总雷电流幅值为80 kA，土壤电阻率为500 Ω·m，外延引线长度为60 m，材料为D28 mm 的高导石墨，厂房和配电线路的间距取1.25 m、1.5 m、1.75 m、2 m、2.25 m、2.5 m、2.75 m、3 m。装设外延引线和敷设垂直接地体后不同间距下的配电线路电位如图4所示。

图4 引流法下不同间距的配电线路电位

由图4 可知，随着厂房接地网与临近配电线路间距的增大，配电线路电位变小。在装设外延引线和敷设垂直接地体后配电线路电位有明显降低，在装设外延引线后配电线路的电位降到了60 kV以下，敷设垂直接地体后配电线路的电位降到了72 kV以下，两种防护都能有效地防止雷电反击事故的发生。

2.1.2 土壤电阻率的影响

为了研究土壤电阻率对配电线路过电压防护的影响，土壤电阻率取50 Ω·m、200 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、1 500 Ω·m、1 800 Ω·m，装设外延引线和敷设垂直接地体后不同土壤电阻率下的配电线路电位如图5所示。

图5 引流法下不同土壤电阻率的配电线路电位

由图5 可知，在均匀土壤下，随着土壤电阻率的增大，配电线路电位逐渐增大，大致呈线性关系。装设外延引线和敷设垂直接地体后配电线路电位都降低了，随着土壤电阻率的增大，电位降低越明显。

2.1.3 雷电流幅值的影响

为了研究雷电流幅值对配电线路过电压防护的影响，雷电流幅值取40 kA、60 kA、80 kA、100 kA、120 kA、140 kA、160 kA、180 kA，装设外延引线和敷设垂直接地体后不同雷电流幅值下的配电线路电位如图6所示。

图6 引流法下不同雷电流幅值的配电线路电位

由图6 可知，随着雷电流幅值的增大，配电线路电位逐渐增大，呈线性关系。在装设外延引线和敷设垂直接地体后，配电线路电位相比防护前有了明显的降低。

2.2 绝缘间隔法

2.2.1 隔离带长度的影响

考虑到隔离带长度对降低配电线路电位的作用，在CDEGS中建立了3种不同材料的隔离带模型，土壤电阻率为500 Ω·m，设置隔离带长度为60～140 m，仿真计算不同隔离带长度下的配电线路电位如表1所示。

表1 不同隔离带长度下的配电线路电位

由表1可知，隔离带长度对降低配电线路电位有明显的效果，增加隔离带的长度可以降低配电线路电位，这是因为随着隔离带长度的增加，隔离带能隔离和吸收更多的雷击散流，使电流更少的流入到配电线路上，从而降低了配电线路的电位。通过对比3种不同材料的隔离带可以看出，在相同隔离带长度下，铜材料的隔离带降低配电线路电位效果最好，高导石墨次之。

2.2.2 间距的影响

为了研究装设隔离带后不同间距下对配电线路电位的影响，设置土壤电阻率为500 Ω·m，总雷电流幅值为80 kA，隔离带材料为高导石墨，长度为120 m，间距为1.25～3 m，装设隔离带后不同间距下的配电线路电位如图7所示。

图7 装设隔离带后不同间距下的配电线路电位

由图7 可知，随着间距的增大，配电线路电位逐渐降低。在装设隔离带后，在相同间距下，配电线路电位有明显的降低，配电线路电位降低到了70 kV以下，可有效地避免雷电反击事故的发生。

2.2.3 土壤电阻率的影响

为了研究装设隔离带后在不同土壤电阻率下对配电线路电位的影响，设置总雷电流幅值为80 kA，隔离带材料为高导石墨，长度为120 m，土壤电阻率分别取50 Ω·m、200 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、1 500 Ω·m、1 800 Ω·m，装设隔离带后不同土壤电阻率下的配电线路电位如图8所示。

图8 装设隔离带后不同土壤电阻率下的配电线路电位

由图8 可知，随着土壤电阻率的增大，配电线路电位逐渐增大，呈线性关系。在土壤电阻率增大到200 Ω·m 的过程中，装设隔离带后配电线路电位降低不太明显，这是因为在土壤电阻率低的条件下，配电线路电位较低。随着土壤电阻率的增大，从图中可以看出装设隔离带后配电线路电位明显降低。

2.2.4 雷电流幅值的影响

为了研究装设隔离带后在不同雷电流幅值下对配电线路电位的影响，设置总雷电流幅值为80 kA，隔离带材料为高导石墨，长度为120 m，雷电流幅值取50 Ω·m、200 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、1 500 Ω·m、1 800 Ω·m，装设隔离带后不同雷电流幅值下的配电线路电位如图9所示。

图9 装设隔离带后不同雷电流幅值下的配电线路电位

由图9 可知，随着雷电流幅值的增大，配电线路电位逐渐增大，呈线性增大的关系。在装设隔离带后，配电线路电位与优化前相比有明显的降低。通过降低配电线路电位，可以有效地防止雷电反击事故的发生。

3 引流法和绝缘间隔法防护效果对比

3.1 不同间距下防护效果

为了进一步研究引流法和绝缘间隔法对配电线路的降压效果，定义配电线路防护前后电位差ΔU与雷击电位的比值为降压效率η。通过降压效率来表征防护后对配电线路电位的降压能力，如式（1）所示。

式中：UL为雷击电位，V；U为防护后电位，V。

通过仿真计算，装设外延引线、敷设垂直接地体和装设隔离带后不同间距下的降压效率，如图10所示。

图10 防护后不同间距下的降压效率

由图10 可知，在装设隔离带、敷设垂直接地体和装设外延引线后，配电线路电位与优化前相比有明显的降低。装设外延引线后，降压效率稳定在25%～27%范围内；敷设垂直接地体后，随着间距增大，降压效率逐渐降低，但降低幅度不大，降压效率一直在10%以上；装设隔离带后，随着间距的增大，降压效率逐渐降低，从1.25 m 至2 m 增大的过程中，降压效率急剧降低，增大到2 m 以后，降压效率减小趋势逐渐减缓。

3.2 不同土壤电阻率下防护效果

不同土壤电阻率对引流法和绝缘间隔法防护效果有影响。通过仿真计算，不同土壤电阻率下引流法和绝缘间隔法的降压效率，见图11。

由图11 可知，装设外延引线后，土壤电阻率在500 Ω·m 之前，随着土壤电阻率的增大，外延引线的降压效率有明显的增大，但在土壤电阻率达到500 Ω·m 之后，降压效率变化趋于平稳；敷设垂直接地体后，土壤电阻率50 Ω·m 至200 Ω·m 的过程中，降压效率增长速率快，从200 Ω·m 以后降压效率趋于平缓，稳定在12.5%附近；装设隔离带后，在土壤电阻率增大到200 Ω·m 的过程中，降压效率急剧增长，土壤电阻率从200 Ω·m 到500 Ω·m 的过程中，降压效率增长速率有所减缓，土壤电阻率增大到500 Ω·m 以后，降压效率趋于平缓，没有太大的波动，稳定在16%左右。

图11 防护后不同土壤电阻下的降压效率

3.3 不同雷电流幅值下防护效果

不同雷电流幅值对引流法和绝缘间隔法防护效果有影响。通过仿真计算，不同雷电流幅值下引流法和绝缘间隔法的降压效率，如图12所示。

图12 防护后不同雷电流幅值下的降压效率

由图12 可知，装设外延引线后，随着雷电流幅值的增大，降压效率趋于稳定，维持在26.15%左右；敷设垂直接地体后，随着雷电流幅值的增大，垂直接地体的降压效率没有太大的变化，趋于平缓，维持在12.4%左右；装设隔离带后，随着雷电流幅值的增大，降压效率没有太大的变化，一直维持在16.05% 左右，降压效率稳定，几乎不受雷电流幅值的影响。

4 结语

采用CDEGS 仿真计算软件，建立了3 种厂房接地网及临近配电线路过电压防护模型，分析了厂房与配电线路间距、土壤电阻率、雷电流幅值对配电线路雷电过电压防护的影响，研究了3 种厂房接地网及临近配电线路过电压防护模型在不同间距、土壤电阻率和雷电流幅值下的降压效率，得到以下结论：

1）在装设隔离带、敷设垂直接地体和装设外延引线后，配电线路雷电过电压与优化前相比有明显的降低，可以有效地避免雷击厂房造成临近配电线路产生过电压。

2）厂房与配电线路间距、土壤电阻率对配电线路的雷电防护效果有明显的影响，而雷电流幅值对防护效果的影响不大。

3）在相同条件下，装设外延引线的降压效率最高，对雷击配电线路附近厂房时线路过电压的防护效果最好。