提高35 kV架空配电线路防雷性能的分析研究

翟玮星

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江宁波315800）

提高35 kV架空配电线路防雷性能的分析研究

翟玮星

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江宁波315800）

以北仑地区架空配电线路为研究对象，统计分析了该地区的雷电特性，结合实际线路参数，采用电磁暂态分析程序，主要从降低杆塔接地电阻和安装线路避雷器两方面对提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率进行了分析研究，结果证明：降低杆塔接地电阻和在合理的位置安装线路避雷器，能够有效改善线路防雷性能。

架空配电线路；接地电阻；线路避雷器；耐雷水平；雷击跳闸率

0 引言

随着经济社会发展，优质持续的电力供应已经成为社会发展不可或缺的重要因素，而雷击引起的线路故障将严重威胁电网安全，特别是对于重要用户及居民生活用电，雷击引起的线路跳闸不仅会影响正常的生产、生活，其伴随的雷电侵入波甚至会危及人身和财产安全。因此，提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率，始终是电力部门从设计到运行维护各环节的重要目标。

雷电引起的过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压。其中直击雷过电压主要包括雷击杆塔或附近避雷线时对线路造成的反击和雷电绕过避雷线对线路产生的绕击，这两类过电压是造成线路（特别是路径经过山区、丘陵等复杂地形的线路）故障的重要原因；感应雷过电压幅值一般不超过300～400 kV[1]，因此对35 kV及以下的架空线路可能造成绝缘闪络，而对110 kV及以上输电线路危害不大。

架空线路的防雷措施主要有：架设避雷线、降低杆塔接地电阻、安装线路避雷器、架设耦合地线和加强线路绝缘等[1]。本文以北仑地区某条35 kV配电线路为研究对象，采用电磁暂态分析程序，结合工程实际，主要从降低杆塔接地电阻、安装线路避雷器两方面，对提高线路防雷性能进行分析研究。由于一般感应雷过电压幅值与35 kV架空线路的绝缘水平相当，因此其对35 kV线路的危害程度较之直击雷要小，鉴于此，本文主要以反击和绕击来模拟雷电对线路的危害。

1 北仑地区雷电活动情况及线路概况

1.1 雷电活动情况

北仑区气象局发布的2012年雷电监测公报显示[2]，2012年全年北仑区共有23个雷暴日，地闪共发生6 567次，其中正地闪361次，最大强度为151.6 kA，陡度为21.6 kA/μs；负地闪6 206次，最大强度为-160.2 kA，陡度为-25.6 kA/μs。图1为月度地闪次数统计，图2为月度平均地闪强度记录。

图1 月度地闪次数

图2 月度平均地闪强度

从图1可知，2012年全年雷电活动主要集中在7月和9月，地闪数达5 486次，占总数的83.53%，雷暴活动频繁。

从图2可知，平均地闪都保持在35 kA以下，正地闪在5～35 kA之间，负地闪在5～30 kA之间。

7月和9月的地闪强度区间分布见图3，由图可知，强度小于50 kA的地闪次数约占总地闪数的90%。

图3 7月和9月地闪强度的区间分布

以上对雷电活动信息的了解，为下一步改善线路防雷性能提供了事实依据。

1.2 线路概况

本文选用近几年发生雷击故障较高的某条35 kV线路为研究对象。该线路主要为某天然气站提供电源，负荷等级较高，线路全长约21 km，共使用杆塔（铁塔）57基，采用双回路架设，其中有31基杆塔位于山上，地形复杂，土壤电阻率较高。

线路现有防雷措施为单避雷线，采用直接接地型式，杆塔上避雷线对边导线的保护角为20°～30°。

杆塔型号有SZ22，SZ23，SJ22，SJ23，SJ24等。其中直线塔呼称高18～30 m，转角塔呼称高18～27 m。

2 基于EMTP的线路防雷性能分析

EMTP（电磁暂态分析程序）是国际公认的电力系统电磁暂态分析程序，具有分析功能多和元件模型全等优点，其计算精度经过了IEEE和CIGRE等国际权威组织的认定，因此计算结果的可信度很高[3]。

2.1 建模参数设定

线路仿真用JMarti模型建立，山区土壤电阻率取1 000 Ω·m，平原土壤电阻率取100 Ω·m[4]；杆塔采用多波阻抗模型，杆塔电阻0.01 Ω/m，波阻抗为150 Ω；采用集中R-L支路模拟塔基的响应；采用理想压控开关模拟绝缘子闪络特性，绝缘子冲击耐压为400 kV；考虑到近几年雷击故障点大多位于山区线路段，因此本文所建模型主要依据山区杆塔参数。

根据文献[5]中建议，模型中雷电波取波头为2.6 μs、半波为50 μs的双指数波，其中雷电通道波阻抗取400 Ω。对线路防雷性能的分析主要从线路耐雷水平和雷击跳闸率两方面来衡量。

2.2 降低杆塔接地电阻对线路防雷的影响

对于35 kV线路的杆塔，降低杆塔接地电阻是提高线路反击耐雷水平、降低雷击跳闸率的有效措施。规程要求，有避雷线的输电线路，每基杆塔的工频接地电阻在雷季干燥时需满足表1所列的数值。

以线路1个具体耐张段即40—44号杆塔为例（耐张段全长1 268 m，代表档距404 m），假设雷击40号杆塔塔顶，即遭反击雷时，经过模型反复计算，当只改变40号杆塔接地电阻时，线路耐雷水平及雷击跳闸率与接地电阻的关系如图4所示，即随着接地电阻的逐渐加大，线路耐雷水平会逐渐降低，雷击跳闸率逐渐增大，但趋势逐渐平缓。

表1 有避雷线线路杆塔的工频接地电阻

图4 线路耐雷及雷击跳闸率与接地电阻的关系曲线

而若改变相邻41号杆塔接地电阻，该杆塔绝缘所承受的电压幅值如图5所示，即其与接地电阻呈线性正相关的关系。该结论同样可以推广到其他杆塔。

图5 相邻杆塔接地电阻与绝缘电压的关系

由图4、图5可知，对于反击雷，降低杆塔接地电阻能够减少绝缘电压，改善线路防雷性能，保证线路长期稳定运行。因此在土壤电阻率低、地形平坦的地区，降低杆塔接地电阻应成为改善线路防雷性能的首要方法之一。

2.3 安装线路避雷器对线路防雷的影响

线路避雷器并接在线路绝缘子串的两端，可防止线路绝缘发生冲击闪络，并能自行切断工频电弧，从而提高线路耐雷水平，降低雷击跳闸率。对双回线路，在一回线上采用避雷器保护，可大大降低双回线同时闪络的事故率[1]。

仍然以上一节的线路耐张段为例，对于反击雷，雷击点位于40号塔时，分别在40—44号塔依次安装1组（双回线，每回线每相各1支）避雷器，根据实际线路情况，避雷器型号为HY10WX-57/170TL，伏安特性参考文献[6]。由图6和图7可以看出，随着避雷器安装组数的增加，线路耐雷水平及雷击跳闸率都有明显改善，安装1组时，线路耐雷水平提高了80%，雷击跳闸率降低了38%，而当相邻5基杆塔都安装避雷器时，线路耐雷水平提高了10倍，雷击跳闸率降低了16倍。

而对于绕击雷，连续安装超过2组避雷器后，线路耐雷水平不再提高，即相邻连续2基杆塔安装避雷器会对雷击点的线路防雷产生积极作用，而更远的杆塔避雷器则不会有任何作用。这为合理分布避雷器密度提供了理论依据。

图6 避雷器数量与线路耐雷水平的关系

图7 避雷器数量与雷击跳闸率的关系

从以上结论可以看出，安装避雷器能够有效改善线路的防雷性能，特别对于反击雷，避雷器安装数量的增加能够使线路耐雷水平大幅提高。考虑到经济性等因素，在雷电密度正常的区域可以考虑只在各回线路的上导线安装1组避雷器[7]，而在雷电活动频繁的地区，则线路三相都应安装避雷器。

表2给出了当幅值为50 kA的雷电流击于41号塔顶或避雷线时，不同避雷器安装位置对于相邻各杆塔的闪络情况。

表2 不同方案下的雷击闪络情况

由表2可以得出以下结论：

（1）由方案1—7，对于50 kA的雷电流，凡装有避雷器的杆塔都能得到有效保护。

（2）由方案1—7，距离雷击点最远的44号塔均未被闪络，即雷电流对线路的危害随着传输距离的增加而降低。

（3）由方案3，4，6，7，位于42和43号塔上的避雷器能完全隔离雷击对于其相应大号侧线路的危害，即邻近于雷击点的避雷器能有效保护其相应侧其余杆塔。

（4）由方案5和6，相邻2基杆塔安装避雷器能完全保护此档距的线路。

由此可见，避雷器不同的安装位置及数量对线路整体防雷效果影响较大，因此实际工程中应结合线路具体情况，并结合经济性、可操作性等因素综合考虑。

2.4 线路防雷策略综合考虑

基于以上分析结果，针对本文的目标线路，对防雷策略简述如下：

（1）首先对线路各基杆塔，特别是曾发生过雷击故障的杆塔，复测接地电阻，未满足规定值的，应采取措施降低阻值。

（2）位于海拔较高的杆塔（特别是相邻几基杆塔都位于较高位置时），至少应安装1组避雷器。在该35 kV线路中，有几基杆塔位于山顶，平均海拔均超过290 m，安装避雷器还能有效遮蔽邻近低位置的杆塔免受雷击。

（3）档距较大的线路段应安装至少1组避雷器。档距过大，更容易发生反击甚至是绕击。在该35 kV线路的历史雷击故障记录中，有40%故障线路均是大档距，如30—31，40—41，48—49等线路档距均超过650 m。

（4）线路首、末端应分别安装至少1组避雷器，以防止雷电波侵入变电站或用户设备。

3 结语

本文对35 kV配电线路的防雷性能进行了分析研究，分析结果证明了降低杆塔接地电阻和安装线路避雷器能有效提高线路耐雷水平，降低雷击跳闸率。在实际工程中，应结合路径地形、线路参数、线路运行情况以及经济性与可行性等因素综合制定防雷措施。

[1]鲁铁成.电力系统过电压[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[2]北仑区气象局.2012年北仑区雷电监测公报[Online].北仑：http∶//www.bl.gov.cn/doc/zffw/，2012.

[3]吴文辉，曹祥麟.电力系统电磁暂态计算与EMTP应用[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[4]DL/T 621-1997交流电气装置的接地[S].北京：中国电力出版社，1997.

[5]DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京：中国电力出版社，1997.

[6]张南法，王茂华，束静.氧化锌非线性电阻的特性方程[J].电子元件与材料，2012，31（5）∶1-7.

[7]刘德.丘陵地区35 kV架空线路防雷分析[J].高电压技术，2006，32（11）∶160-163.

（本文编辑：龚皓）

Analysis and Research on Improving Lightning Protection Performance of 35 kV Overhead Distribution Lines

ZHAI Weixing
（State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315800，China）

Taking overhead distribution lines in Beilun as research objects,State Grid Zhejiang（Provincial）Electric Power Company conducts statistical analysis on lightning characteristics in this area.Combining with actual line parameters and using electro-magnetic transient program（EMTP），this paper mainly analyzes and investigates on improving lightning withstand level and reducing lightning trip-out rate by reducing pole and tower grounding resistance and installing line arrester.The results show that lightning protection performance of lines can be improved effectively by reducing the pole and tower grounding resistance and installing lightning arresters in appropriate places.

overhead distribution line；grounding resistance；line arrester；lightning withstand level；lightning trip-out rate

TM863

：B

：1007-1881（2014）06-0016-04

2013-12-12

翟玮星（1985-），男，陕西凤翔人，工程师，从事电网调度自动化、配电线路运行及检修、负荷预测、风电功率预测等工作。