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(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410001；2.长沙科智防雷工程有限公司，长沙 410003)

0 引言

作为我国城市配电与农村供电线路的主要电压等级，10～35 kV配电线路采用的中性点不接地或经消弧线圈、高阻接地的方式能在接地故障情况下稳定运行一段时间。同时作为配电线路电压等级，对其安全可靠性要求不高，防雷设计及配置方面研究较少。

但是，10 kV电压等级在一些其它部门担任着重要的传输任务，如抽水蓄能电站的上下库架空线，电气化铁路的供电线路等。随着电网的不断完善，保证10 kV重要线路的安全稳定逐渐成为研究的重点；110 kV及以上电压等级防雷保护应用较为成熟，能够有效指导10 kV特殊线路防雷配置；同时，10 kV配电线路雷害主要为感应雷，但是特殊的10 kV供电线路往往受到的雷害还包含有直击雷，为了保证其在雷击发生时有效抑制过电压，必须配置完善的防雷保护装置，以确保其安全稳定运行[1-2]。

1 抽水蓄能电站雷害情况统计与分析

1.1 雷电参数统计

抽水蓄能电站10 kV架空线一般架设在崎岖的山坡上，且为了保证传输距离相对较短，大多数杆塔架设在山肩位置。相较于城市10 kV配电线路，抽水蓄能电站10 kV架空线雷害风险等级与山区架空输电线路相当，遭受雷击的概率非常高。根据某抽水蓄能电站历史数据统计，其所处区域平均雷暴日数在39天以上，最多可达50天，为多雷暴活动区。夏季雷暴日数占全年雷暴日数的60%以上；同时由于抽水蓄能电站的特殊性，上下库区落差大，库区水面积较大，有充足的水汽，上库周围山包叠连，无高大山头遮挡，当遭遇迎面雷雨时，极易引发雷击。根据DL/T-620的统计与当地雷电定位系统可知，雷电流波形的幅值大部分集中在7.8～65 kA范围内[3-4]。

1.2 10 kV架空线配置

由于抽水蓄能电站多处于悬崖沟壑交错山体，设置电缆沟技术经济不合理，当前抽水蓄能电站上下库输电线多采用架空线模式；在防雷保护配置上，10 kV架空线主要采用单避雷线、首末两端装设三相避雷器的防雷保护措施；各级杆塔采用独立接地网，首末级杆塔接地网未与主地网连接，造成绕击及反击事故频发。

大多数上下库终端监测系统采集装置为了防止各种空间电磁场的影响，早已采用光纤采集传输方式，但上下库架空通讯及信号电缆由于终端转换设备兼容性原因，多数还是沿用了铜芯信号电缆的传输方式；这就造成了上库设备和交换机房在雷暴天气极易感应出火花，造成设备主板损坏，对闭路监控与信号系统造成严重影响。

2 架空线结构模型建立与配置研究

2.1 架空线及杆塔分布参数模型建立

针对近距离架空线路，考虑到其长度与雷电过电压波长接近，当采用集中参数架空线模型时计算误差较大，采用分布式参数的架空导线模型进行仿真计算；本文采用ATP-EMTP仿真软件中的LCC分布式参数架空线模型进行仿真分析[5]。

图1 分布参数模型Fig.1 Distribution parameter model

对于架空线杆塔，采用多波阻抗模型，考虑到杆塔处于高土壤电阻率区域，查阅相关规程，杆塔冲击接地电阻约为15 Ω。

2.2 架空线感应雷过电压

对于低压配电线路，统计数据表明，由感应雷过电压引起的雷电故障占到总故障次数的90%以上[6]；对于抽水蓄能电站上下库架空线来说，感应雷的危害同样非常严重；由于其架设方式一般是沿着山脊倾斜架设，现有感应过电压的计算公式一般只针对水平线路进行计算；同时当雷电沿山谷放电时，位于山脊处架空导线的感应过电压计算高度数值可以达到几百米，远超常规过电压计算公式中的高度限值。

针对架空线沿着山体架设，为连续倾斜型输电线路，且输电距离很短，假设其为一斜率恒定的直线，在原有感应雷过电压公式基础上，根据积分变换，可以简化得到斜坡线路感应雷过电压计算公式为

(1)

式中Ug为架空线感应过电压，kV；k为感应过电压系数，一般取25 Ω；I为雷电流幅值，kA；θ为架空线倾角；h为架空线平均高度，m；s为雷电点距线路的距离，m[7]。

抽水蓄能电站上下库平均落差300～600 m，取平均高度400 m，采用积分变换公式进行感应雷的计算。以距离导线65 m，考虑不同倾角计算感应雷过电压(kV)，数据结果如下表1

表1 感应雷过电压Table 1 Induced lightning overvoltage kV

对比文献[2]中水平配电线路，发现当大跨度的架空线在山脊跨越时，由于距离地面距离很高，所受到的感应雷过电压幅值远超绝缘子耐压水平，极易造成绝缘子击穿；因此需要对含有跨越山脊的架空线进行绝缘子的更替，普通针式绝缘子无法适用于这种特殊的输电环境，需要采用具有较高耐压水平的复合悬式绝缘子[8]。

3 仿真分析与改进措施研究

3.1 架空线杆塔空间感应电场强度研究

3.1.1 无避雷针保护模型

针对抽水蓄能电站山坡架空线结构，以10级杆塔结构为仿真分析模型，设定杆塔高度落差500 m不变，建立倾角分别为30°、45°与60°杆塔模型，采用有限元对整个抽水蓄能电站架空线进行空间感应电场强度仿真，分析最大感应电场强度及最容易遭受雷击位置。

由于土壤结构大多为岩层结构，取相对介电常数为10，电导率0.005 s/m。雷云电位取为500 kV，距离地面1 000 m，位于倾斜架空线正上方。

仿真分析架空线杆塔倾角分别为30°、45°与60°时各级杆塔空间感应电场强度，以60°倾角为例，其所处的空间感应电场强度分布如图2所示。

图2 60°倾角下感应电场强度分布Fig.2 Induced electric field intensity distribution at 60° inclination

并对不同倾角下各级杆塔最大感应电场强度数据进行统计分析，数据结果如图3分布

图3 不同倾角下杆塔最大感应电场强度Fig.3 Maximum induced electric field strength of tower under different inclination angle

对坡底首级杆塔编号0，坡顶末级杆塔编号10，通过仿真分析可知，当倾角为30°时，各级杆塔感应电场强度随高度增加而缓慢变大；当倾角为45°时，从第5级杆塔开始，变化速率不断增大，第10级杆塔感应电场强度约为第9级的2倍；当倾角达到60°时，其变化率较45°时更加明显，第10级杆塔感应电场强度超过第9级的三倍，其遭受雷击的概率最大。

3.1.2 有避雷针保护模型

由于第10级杆塔的感应电场强度突变明显，同时，在抽水蓄能电站中，末级杆塔附近一般装设有厂用降压变压器，因此需要在末级杆塔附近装设独立避雷针保护。

对装设独立避雷针后的杆塔空间感应电场强度进行仿真，当倾角为60°时，空间感应电场强度分布如图4所示。

图4 有避雷针时60°倾角下感应电场强度分布Fig.4 Induced electric field intensity distribution at 60° angle of lightning rod

不同倾角下各级杆塔最大感应电场强度数据统计分析如图5。

图5 不同倾角下杆塔最大感应电场强度Fig.5 Maximum induced electric field strength of tower under different inclination angle

与未装设独立避雷针相比，杆塔倾角为30°、45°时，由于独立避雷针的保护作用，9、10级杆塔的空间感应电场强度下降明显；当杆塔倾角达到60°时，9、10级杆塔空间感应电场强度较未装设避雷针时虽有降低，但杆塔整体还处于不断升高的趋势；因此，独立避雷针的保护效果将随着架空线杆塔倾角的增大而达到一个饱和值，当其倾角超过某一值时，避雷针的保护效果将不在增大。

3.2 直击雷过电压影响级防护研究

3.2.1 雷绕击输电线影响及防护效果研究

通过上一节仿真分析，当末级杆塔装设独立避雷针后，9、10级杆塔将受到不同程度的保护，因此以第8级杆塔作为雷击点，根据现有防雷保护配置方案及架空线相序排布，仿真分析雷电绕击A相时线路过电压情况，第10级杆塔过电压分布如图6所示

图6 绕击过电压Fig.6 Wound over voltage

仅采用首末两级装设避雷器时，由于分布参数的叠加作用，在放电初期，过电压在避雷器放电阀值附近震荡剧烈，易造成避雷器寿命缩短；

采用全线装设避雷器对于低电压等级线路技术经济不合理，依据倾斜架空线杆塔空间感应电场强度数据，通过仿真分析发现，在对第2级、第8、9级杆塔增设避雷器后，仿真结果如图7,其过电压防护效果与全线装设避雷器时效果接近，能够有效降低过电压幅值，抑制波形震荡，技术经济合理。

图7 改进后效果Fig.7 Improved effect

3.2.2 雷击避雷线影响及防护效果研究

由于抽水蓄能电站地处电阻率很高的岩层土质区域，杆塔接地电阻较大，当雷电直击避雷线时，塔顶电位可以达到500 kV以上，极易造成绝缘子击穿，引发绝缘闪络过电压。当同样采用对第2级、第8、9级杆塔增设避雷器后，仿真分析第8级杆塔发生绝缘闪络后，架空线过电压情况如图8所示。

图8 反击过电压Fig.8 Counterattack over voltage

可以发现过电压幅值降低的速率很快，同时震荡幅值小，对避雷器性能影响小，过电压保护效果明显。

4 结论

对抽水蓄能电站10 kV连续倾斜架空线雷电过电压进行了充分研究，得到以下结论。

1)对于具有倾角的架空线，由于杆塔一般架设在山肩位置，当雷电沿山谷落下时，感应雷过电压幅值随着架空线倾角增大而增大，相较于平原地区高出很多；因此需要对架空线绝缘子耐压水平进行提高，建议使用具有较高绝缘水平的复合悬式绝缘子。

2)运用有限元法仿真分析了不同倾角下架空线杆塔空间感应电场强度，对比各级杆塔数据，发现随着倾角增大，第9、10级杆塔感应电场强度增加明显，需要设置独立避雷针进行保护。

3)依据有限元分析结论，有效定位雷电最易击中杆塔，运用ATP-EMTP仿真分析雷击第8级杆塔时过电压波形，提出依据杆塔空间感应电场强度数据对第2级、第8、9级杆塔增设避雷器，发现其防雷保护效果与全线装设避雷器接近，技术经济合理。