高 源，孙学东，张 喆，张永生，姚志明，盖露杰

（1.国网铁岭供电公司，辽宁铁岭112000；2.大连理工大学电气工程学院，辽宁大连116024；3.沈阳华岩电力技术有限公司，沈阳110179；4.国网大连供电公司，辽宁大连116024）

10 kV架空线路雷击断线研究与防护

高 源1，孙学东1，张 喆1，张永生2，姚志明3，盖露杰4

（1.国网铁岭供电公司，辽宁铁岭112000；2.大连理工大学电气工程学院，辽宁大连116024；3.沈阳华岩电力技术有限公司，沈阳110179；4.国网大连供电公司，辽宁大连116024）

由于10 kV架空裸导线雷击断线事故频繁发生，难以满足用户对可靠性和安全性的要求。以架空线路的结构参数为基础，采用ATP-EMTP仿真软件建立配电网感应雷击过电压模型，研究分析雷电发生时绝缘子两端的电压变化，比较各种防雷措施对限制雷电过电压的效果，得到了一定线路参数下的仿真数据。并结合雷击断线现场实际情况进行分析，提出了“综合防治”雷击过电压的措施，有效降低了绝缘子两端的雷击过电压，对减少架空配电线路雷击断线事故发生，提高配电网的安全可靠运行有重要意义。

10 kV配网；裸导线；雷击断线；防雷措施

0 引言

在10 kV配网运行过程中，随着运行时间的积累，发现雷击断线发生次数与频率越来越高。因各运行单位普遍意识到绝缘导线遭受雷击易发生断线故障，所以在绝缘导线线路安装有相应的防雷装置，绝缘导线发生雷击断线故障现象得到控制。而人们普遍认为架空裸导线不存在雷击断线问题，未采取相应的防雷措施，在裸导线运行多年后，发现雷击断线故障越来越多。裸导线在运行过程中会发生腐蚀，在表面形成“斑点”，雷击闪络发生后，工频电弧移动受裸导线表面腐蚀物和裂纹阻碍弧根不能自由移动，在裂纹处长时间灼烧导致导线断裂。10 kV配网与用户紧密相连，因此，对其安全性与可靠性有更高的要求。国网会对配网线路考核跳闸率，跳闸率高，会影响供电公司的社会和经济效益[1-3]。

当前，随着农村电网改造工程的深入进行，架空线路有增无减，妥善解决雷击断线问题，确保架空线路的安全运行已是当务之急。如表1所示，为某县区2014年雷击断线情况统计，该地区雷击断线事故频繁发生，发生雷击断线区段内涉及的杆塔数为1 367个，合计区段架空线路长度为102 km，由于配电网分布的广泛性，不可能全线加装避雷器，因此提出具有针对性的防雷改进措施具有重要意义。配电线路雷击断线的主要原因是雷击附近时的感应过电压，雷电感应过电压除了导致频繁的线路跳闸外，也会导致配电设备的损坏。本文就现场架空配电网雷击断线问题进行分析研究，通过对配电网感应雷击过电压水平进行仿真分析，提出了合理的防雷措施，抑制雷击断线事故发生。

表1 10 kV架空线路雷击断线统计表Table 1 Statistics of 10 kV overhead line lightning broken

1 10 kV线路感应雷过电压数学建模

1.1 杆塔模型

配电网三相分布如图1所示，大多采用无拉线钢筋混凝土单杆，杆塔模型采用集中参数电感模型，电感值0.84 μH/m，接地电阻为5～20 Ω。

图1 杆塔塔头模型Fig.1 Model of Tower Head

1.2 线路模型

配电线路模型，笔者采用ATP-EMTP软件中的JMarit模型随频率变化的多耦合器LCC子程序构建架空线路模型[4]。三相线路的参数见表2。

表2 10 kV架空线路参数Table 2 Statistics of 10 kV overhead line parameter

1.3 雷电流模型

配雷电流标准冲击波采用双指数模型，其数学表达式为

式中：Im为雷电流幅值，A为雷电流标准冲击波系数；雷电流波形为2.6/50 μs（表示雷电流波前时间为2.6 μs，半峰值时间为50μs），经计算α=15 900，β=712 000，A=1.115 7，ATP软件下雷电流波形如图2所示[5-6]。

图2 雷电流波形Fig.2 Lightning current waveform

式中：US-T为绝缘子串闪络电压，kV；l为绝缘子串长度；t为从雷击到闪络所经历的时间，μs，一般为0.5～16 μs，绝缘子闪络判别方法见图3。

1.4 绝缘子闪络模型

绝缘子闪络模拟包括规程法和相交法，本文采用相交法，即判断绝缘子伏秒特性曲线和雷击过电压曲线是否发生相交来判断绝缘子的闪络过程。IEEE、IEC组织推荐的绝缘子串在标准雷电波下的伏秒特性曲线公式[7]：

图3 相交法判断绝缘子闪络Fig.3 Intersection method to judge the flashover of insulators

1.5 感应雷过电压计算模型

配电线路感应雷过电压计算：首先，建立雷电回击通道数学计算模型；然后，构建合理的雷电通道周围电磁场和架空配电线路耦合的数学模型，如图4所示，计算配电线路感应过电压[8-12]。

图4 架空线路感应雷过电压计算模型Fig.4 Calculation model of lightning overvoltage on overhead line

雷电回击通道在周围空间产生的电磁场数学计算模型，假定雷电流幅值是I0，雷电回击速度为v，根据Rusck’s模型，Ex0是沿着架空线路从B端到A端的电场，Ez0为从地垂直向上的电场，By0为垂直架空线路的磁场[13-14]。

耦合到架空线路时，根据Agrawal耦合模型来计算感应过电压水平。图5为感应雷过电压观测点位置。通过式（6）—（10）可以计算出观测点感应雷过电压水平大小。

图5 感应雷过电压计算点位置Fig.5 Induced lightning overvoltage calculation position

式（6）中，Us(x,t)和Ui(x,t)可由以下公式推出：

2 仿真结果分析

当感应雷电流为2.6/50 μs，50 kA时，S为52 m，x为39 m，5 μs时在0号杆塔放电，分别测量线路在未采取任何防雷措施时，0号、1号、2号杆塔处A、B、C三相绝缘子两端的电压和0号、1号、2号杆塔B相的绝缘子两端电压，分别见图6、图7、图8和图9。

图6 0号杆塔A、B、C三相电压Fig.6 No.0 tower three-phase voltage of A、B、C

图7 1号杆塔A、B、C三相电压Fig.7 No.1 tower three-phase voltage of A、B、C

在5 μs内，线路正常运行，在5 μs时线路承受过电压，从上图可见B相电压最高，是因为B相处于线路的最顶端，离雷云相对较近。在经过一个波头时间后电压达到顶峰，最高电压值为95 kV，对于线路采用的P-10T型针式绝缘子50%全波冲击闪络电压（幅值）要高出很多，此时0号杆塔B相绝缘子将发生闪络，随后半个周期内迅速降低；发生闪络后，闪络电弧不能可靠熄灭，工频电弧继续燃烧，若电弧不能自由移动，在导线固定点灼烧引起断线。另外，从上述图中可见，随着雷击点的远离，绝缘子两端的电压也随着降低。

图8 2号杆塔A、B、C三相电压Fig.8 No.2 tower three-phase voltage of A、B、C

图9 0号、1号、2号杆塔B相电压Fig.9 B phase voltage of No.0、1、2 tower

3 防护方案

在ATP软件中对架空裸导线的线路，分别对以下几种防雷方案进行仿真分析。

3.1 减小接地电阻

当雷电直击杆塔时，若杆塔接地电阻很小，杆塔顶部的电压较小，塔顶与导线间的电压较小，从而起到防止反击的作用。减小接地电阻的方法效果明显且造价低廉，但对于高土壤率的地区实现起来比较困难。50 kA雷电流不同接地电阻下绝缘子两端的过电压见表3。

表3 不同接地电阻下绝缘子两端的过电压Table 3 Overvoltage between the ends of the insulator under different grounding resistance

3.2 更换高等级绝缘子

当线路出现过电压时，只要导线与横担间的电压低于绝缘子的冲击闪络电压，绝缘子就不会发生闪络。不同绝缘子的耐雷水平见表4。更换更高等级的绝缘子，绝缘子的闪络电压增大，线路的耐雷水平得到提高。需要考虑线路与设备的绝缘配合，若绝缘配合不当，容易对变电站内的设备造成损毁。

表4 不同绝缘子的耐雷水平Table 4 Resisting lightning of different insulator

3.3 安装线路避雷器

沿线路侵入的雷电过电压作用在避雷器，超过其放电电压值，则避雷器立刻先行放电。因为避雷器分流的雷电流值较大，且具有良好的钳位作用，避雷器的残压低于绝缘子串50%放电电压，即使雷击电流增大，避雷器的残压仅稍有增加，绝缘子仍不致发生闪络。对安装避雷器后不同雷电流幅值和不同接地电阻进行分析，随着接地电阻的减少，能明显减少绝缘子两端的过电压电压水平，安装避雷器后绝缘子两端的电压见表5。

表5 安装避雷器时绝缘子两端电压Table 5 Voltage between the ends of the insulator when installing surge arrester

3.4 架设避雷线

避雷线的分流作用可以减小流经杆塔的雷电流，从而可以降低塔顶电位。避雷线与导线的耦合作用产生的过电压与塔顶对导线产生的感应过电压极性相反，使导线上的感应过电压降低。安装避雷线后绝缘子两端的电压见表6。

表6 安装避雷线时绝缘子两端电压Table 6 Voltage between the ends of the insulator when installing ground wire

避雷线因其保护范围广且避免了雷电直击导线而被广泛应用，而其防雷效果的好坏和接地电阻的大小有直接关系，对于土壤电阻率高的地区，降低接地电阻比较困难。

3.5 安装可控避雷针

雷云接近可控避雷针时，储能装置释放能量，在针尖形成的电场急剧上升，致使针尖周围的空气放电，形成强大的放电脉冲。在雷云电场作用下，地面脉冲形成向上的迎面先导，促使雷云在空中放电或中和雷云电荷，阻止雷云向下发展，避免雷云放电引起的闪络、断线等事故发生。安装可控避雷针后，绝缘子两端的电压见表7。可控避雷针对接地电阻要求很高，接地电阻太大，反而招致周围的设备发生反击。

表7 安装可控避雷针后绝缘子两端电压Table 7 Voltage between the ends of the insulator when installing controllable lightning rod

采用防雷方案时，可以从以下方面考虑：更换绝缘等级更高的绝缘子，提高线路绝缘水平，能减少雷电闪络发生概率，但对于已架设线路破坏原系统的绝缘配合不建议使用。避雷线和可控避雷针的作用在“防”，即防止过电压发生，避雷器的作用在“治”，即过电压发生后尽快消除过电压的危害；接地电阻大小直接影响防雷的效果。结合多年雷电灾害统计记录分析与实际环境调研，确定易击段和雷电类型，采用“因地制宜”、综合“防治”的方案治理雷电灾害。

4 结论

通过现场调研，收集现场线路参数，利用ATPEMTP软件建立了感应雷过电压模型，得到了线路不同位置的感应过电压数值，结合现场实际对线路的易击点进行了分析，并对降低接地电阻、更换高等级绝缘子、安装避雷线、安装避雷器、安装可控避雷针5种防雷措施进行分析对比，得出以下结论：

1）雷击点的远近直接决定雷电过电压的大小，10 kV导线普遍采用三角形布置，由于中相相对较高，遭受雷击概率较大，比较容易发生雷击断线事故。

2）要根据现场确定容易发生雷击的区段，可以采用安装避雷线和避雷器结合的方法；在不易安装避雷线的地区，可以采取安装可控避雷针和避雷器结合的方法。总之，要采取“防治”结合的方法。另外，接地电阻的大小直接影响防雷效果，要定期检测，及时维护保养。

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Research and Protection of 10 kV Overhead Line Lightning Broken

GAO Yuan1，SUN Xuedong1，ZHANG Zhe1，ZHANG Yongsheng2，YAO Zhiming3，GAI Lujie4
（1.State Grid Tieling Power Electric Supply Company，Tieling112000，China；2.School of Electrical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；3.Shenyang Huayan Power Technology Co.，Ltd.，Shenyang 110179，China；4.State Grid Dalian Power Electric Supply Company，Dalian 116024，China）

As the 10 kV overhead bare wire lightning accidents frequently occur，it is difficult to meet the users'reliability and security requirements.Based on the structural parameters of overhead lines，the induced lightning overvoltage model of distribution network was established with the ATP-EM⁃TP simulation software.The voltage variation of the insulator at the time of lightning is analyzed.The ef⁃fect of lightning protection on lightning overvoltage is compared and the simulation data under certain line parameters are obtained.Combined with the actual situation of the scene of lightning broken analy⁃sis，the comprehensive measures against lightning overvoltage is proposed，which can effectively reduce the lightning overvoltage at both ends of the insulator.It is of great significance to reduce the occurrence of lightning disconnection accident of the overhead distribution line and improve the safe and reliable op⁃eration of the distribution network.

10 kV distribution network；bare wires；lightning broken；lightning protection measures

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.020

2016-11-25

高源（1981—）男，工程师，主要从事电力科技工作。