35 kV中性点不接地系统架空线路雷击风险评估

张文锋，李志伟，张国建

（云南电网有限责任公司输电分公司，云南 昆明 655000）

0 前言

35 kV配电线路在我国电力系统占据重要地位，承担着直接向电力用户输送电能的任务，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生活，带来很大的经济损失，同时也会对电力系统本身带来恶劣的影响[1-2]。35 kV配电线路绝缘水平低，防护措施不足，在运行中会有各种原因造成故障导致线路跳闸停电，而其中雷击长期以来都是首要因素。

我国电力行业的国情是重视主网架的安全稳定性而轻视配网，近年来随着主网架安全运行水平不断提升和和农网改造推动，配电网的雷击防护也开始得到关注。配电线路杆塔总体上配置的绝缘子片数少，多使用钢筋混泥土杆，大部分不专门设人工接地，线路耐雷水平低，研究较集中于雷电感应过电压。文献[3-6]给出了10 kV配电线路感应过电压的计算方法、仿真模型；文献[7-8]提出了配电线路杆塔防雷措施，包括架设避雷线/耦合地线、改造加装水泥杆接地引下线、安装并联间隙、线路避雷器、增加绝缘、优化接地方式等；文献[9]仿真计算了10 kV配电线路临近的变电站感应雷和直击雷过电压，提出了变电站进线段防雷保护措施。35 kV线路通常架设单根或两根架空地线，兼具配电与输电线路特点，实际运行经验表明，35 kV线路由于直击雷造成的线路跳闸率远高于感应雷，且由于35 kV系统中性点一般为非有效接地，需要两相或三相同时闪络才能造成线路跳闸，这于主网输电线路情况又有所不同。文献[10-12]研究了35 kV线路直击雷过电压和雷击跳闸率计算方法，重点防范35 kV雷电直击造成多相闪络的情况。目前，对于主网雷击风险评估研究较多[13-15]，但工程上客观评估35 kV线路雷击风险的研究仍较少。

本文基于ATP-EMTP建立了35 kV架空线路和杆塔仿真模型，计算了典型杆塔反击两相闪络耐雷水平；提出了基于线路雷击跳闸率的雷击风险评估方法，结合具体35 kV线路工程给出防雷改造方案，研究可为准确掌握35 kV中性点不接地系统架空线路的雷害水平、针对性加强防护措施提供参考。

1 耐雷水平和雷击跳闸率计算

1.1 耐雷水平

中性点不接地系统单相故障后可持续运行2 h，雷击线路为瞬时性故障，雷电绕击通常仅造成一相闪络，因此不会造成中性点不接地系统线路跳闸，本文主要研究直击雷中的反击。为使结果准确，本文采用ATP-EMTP进行仿真计算，采用ATPDraw作为图形前端进行电路编辑并转换为程序卡。

图1 水泥杆结构及等效模型

雷电流采用ATPDraw集成的斜角波电流源，波形参数为2.6/50 μs，35 kV线路耐雷水平较低，根据雷电通道波阻抗与电流幅值关系，取值为800 Ω。

架空线采用ATPDraw集成的LCC元件，使用频率相关参数的Jmarti模型，对单根地线总共4相，按规格填入导线参数即可。

35 kV线路常用斜拉线的钢筋水泥杆或铁塔，钢筋水泥杆，等效为多段集中电感，取值0.42 μH/m，铁横担等效为125 Ω的波阻抗，铁塔的塔身及横担均等效为无损波阻抗，阻抗值根据各段高度及塔材规格计算。杆塔工频接地电阻按实际值取，并考虑冲击效应，通过自定义的MODELS元件实现。两种塔结构及等效模型如图2所示。

图2 铁塔结构及等效模型

本文搭建了3基杆塔、4段档距的整体仿真模型（如图3所示），雷电流从中间塔顶注入，绝缘间隙使用先导法闪络判据，仿真中观察不同雷电流幅值作用下各相绝缘间隙电压变化，看是否出现两相闪络。

图3 整体雷击仿真模型

在绝缘距离0.584 m、工频接地电阻20 Ω、呼高12 m条件下，钢筋水泥杆和铁塔的耐雷水平接近，其中单相闪络耐雷水平约26 kA，两相闪络耐雷水平约32 kA；在绝缘距离0.730 m、工频接地电阻20 Ω、呼高12 m条件下，钢筋水泥杆和铁塔的耐雷水平也接近，其中单相闪络耐雷水平约35 kA，两相闪络耐雷水平约41 kA。总体上，两相闪络耐雷水平较单相闪络提高20%左右，如表1所示。

表1 典型条件下耐雷水平

1.2 雷击跳闸率

规程推荐的跳闸率计算如式(1)：

式(1)中：P为雷击跳闸率，次/(100km·a)；Ng为地闪密度，次/(km2·a)；W为引雷宽度，m；g为击杆率；P＞I为雷电流超过耐雷水平I的概率；η为建弧率。

中性点不接地系统发生两相闪络后，形成的工频续流通道与中性点直接接地系统不同，建弧率计算方法也不同，文献[12]采用式(2)计算建弧率：

式(2)中：UN为系统标称线电压，kV，对于35 kV线路取值为35；lj为两相闪络时放电路径总长度，m。

对于地闪密度，不同区域、不同时段雷电活动情况均不相同，本文通过广域雷电监测系统获取全线雷电记录后，逐线路段分别统计计算。

对于雷电流幅值累计概率分布，规程采用对数形式，如式(3)；IEEE采用式(4)，并推荐常参数a=31、b=2.6。

式(3)和式(4)中：P＞I为雷电流幅值超过I的概率；I为电流幅值，kA；a、b为常参数。

两种形式都是多地观测数据拟合后的平均结果，不能体现雷电活动在时间、空间分布的差异性规律，不宜通用。本文采用IEEE形式，但常参数a、b是由广域雷电监测系统获取全线雷电记录后拟合得出。考虑到35 kV线路里程较短，为避免雷电数量偏少而导致拟合误差大甚至失真，不应像地闪密度那样将全线划分多个线路段计算，而是全线统一计算。

2 雷击风险评估

由前文知，两相闪络耐雷水平高于一相闪络耐雷水平，而两相闪络时的建弧率小于一相闪络时的建弧率，若按一相闪络计算杆塔防雷性能必然夸大35 kV线路雷击风险，增加后期改造成本。

为客观、充分掌握全线每基杆塔防雷性能强弱，应逐基杆塔计算两相闪络耐雷水平和跳闸率，并且在雷电参数、杆塔结构、绝缘配置、接地电阻上选用各自的实际值，充分考虑这些因素的差异性。

具体实施过程包括：

1）收集线路杆塔信息，如塔型结构尺寸、杆塔坐标、绝缘配置、接地电阻、已有防雷措施等；

2）根据线路杆塔坐标，收集沿线区域近年来的雷电记录，按区段统计计算地闪密度，按全线拟合雷电流幅值累积概率密度；

3）建立雷击仿真模型，逐基杆塔仿真计算反击两相闪络耐雷水平；根据式(1)，逐基杆塔计算反击跳闸率；

4）对比雷击跳闸率运行要求值和计算值，筛选出雷击风险偏高的杆塔，即防雷性能不足，需要针对性加强防雷措施。

下文将结合实际工程案例阐述过程细节。

3 算例分析

前文阐述了适用于35 kV中性点不接地系统雷击风险评估方法，现以云南地区某35 kV架空线为例，采用上述方法开展雷击风险评估，指导后续加强防护措施。

3.1 线路信息

该35 kV架空线线路全长21.08 km，全线共架设杆塔53基，位于山区，分布如图4所示。塔型既有JB3型水泥杆，也有ZS型铁塔，呼高从12～21m不等。

图4 35 kV架空线走向

导线型号为LGJ-185/30，地线型号GJ-35，全线架设单地线，导、地线相关参数如表2。

表2 导线参数

绝缘子类型为U70B，放电距离为584 mm或730 mm，接地电阻从7.5～26.8 Ω不等。

3.2 雷电参数

利用云南广域雷电监测系统，筛选出该35 kV架空线沿线左右2 km范围内2010～2017年间的雷电数据，共146条。

将全线划分为4个区段，计算出各区段的地闪密度值如表3，全线平均地闪密度1.66次/(km2·a)。

表3 地闪总数及密度

将146条雷电记录的电流幅值以式(4)为原型进行非线性拟合，得出参数a=26.97、b=2.82，分布曲线如图5。

图5 35 kV架空线雷电流幅值累计概率

3.3 耐雷水平和雷击跳闸率

根据前文所述的仿真模型，逐基杆塔设置波阻抗、接地电阻、集中电感、绝缘间隙长度等参数，仿真计算各基杆塔的两相闪络耐雷水平。35 kV绝缘强度低，耐雷水平随接地电阻增大而迅速减小，随着接地电阻大到一定程度，减小速度趋缓，如图6所示。

图6 两相闪络耐雷水平随接地电阻变化情况

该线路处于山区，单根地线条件下击杆率取1/3，再将前文所得地闪密度、雷电流幅值累积概率代入式(1)，逐基杆塔计算雷击跳闸率，结果如图7所示。

图7 各基杆塔雷击跳闸率

上述计算过程较繁琐，工程上通过程序实现批量化计算。

3.4 风险评价

根据运维单位对35 kV线路的运行要求，在2.78次/(km2·a)地闪密度条件下雷击跳闸率不应超过2.4次/(100 km·a)，折算到该线路平均地闪密度条件下为1.44次/(100 km·a)，记作S。为细化每基杆塔雷击风险等级，将计算跳闸率P值处于(0, 0.5S]、(0.5S, 1.0S]、(S, 1.5S]、(1.5S,+∞)的杆塔分别划分为A、B、C、D四个等级，标准如表4。

表4 雷击风险等级标准（S=1.44）

由上述标准，筛选出16#、17#等12基杆塔处于D级风险，4#、6#等10基杆塔处于C级风险，占比分别为22.6%、18.9%，此22基杆塔需要加强防雷措施。不同风险等级杆塔数量汇总于图8。

图8 不同雷击风险等级杆塔数量

由图6看出，降低接地电阻对于提升耐雷水平效果明显，特别是在接地电阻值处于不大的范围（＜20 Ω），提升更为迅速。但该35 kV线路杆塔大部分位于山地，土壤电阻率较高，继续降低接地电阻难度大，最为有效的防护措施是三相加装线路避雷器，建议后续重点在此22基杆塔加装避雷器。

4 结束语

35 kV中性点不接地系统，架空线路单相故障可持续运行2 h，提出了以线路雷击跳闸率为指标的雷击风险评估方法，建立了仿真模型，并结合实际工程予以实施，得到以下结论。

1）35 kV中性点不接地系统，引起线路跳闸的雷击耐雷水平应按两相闪络计，并主要考虑直击雷中的反击。

2）35 kV架空线路杆塔，典型条件下两相闪络耐雷水平较一相闪络耐雷水平高20%左右，且两相闪络时的建弧率低于一相闪络时的建弧率，若按一相闪络计算杆塔防雷性能必然夸大35 kV线路雷击风险，增加改造成本。

3）根据云南某35 kV线路工程实践，约41.5%的杆塔属于高风险等级，需要进行防雷改造。

4）降低接地电阻对于提升耐雷水平效果明显，但在土壤电阻率较高的山区降阻难度大，推荐使用线路避雷器加强防护。