典型地区10 kV配电线路雷击跳闸率计算分析

陈黎明 曾海兵 汤晓刚 肖冬萍 梅道珺

(1. 安徽省电力公司， 合肥 230061； 2. 安徽华电工程咨询设计有限公司， 合肥 230022；3. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)

典型地区10 kV配电线路雷击跳闸率计算分析

陈黎明1曾海兵2汤晓刚2肖冬萍3梅道珺3

(1. 安徽省电力公司， 合肥 230061； 2. 安徽华电工程咨询设计有限公司， 合肥 230022；3. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)

以安徽碧山117线10 kV配电线路为研究对象，在给定线路参数和环境参数的情况下，建立配电线路直击雷跳闸率和感应跳闸率的计算模型，并计算了雷击跳闸率，利用运行统计数据进行了结果验证，证明了所建模型的准确性。同时，对比研究了10 kV雷击跳闸率的影响因素。结果表明，绝缘U50%越高，雷击跳闸率越低；线路平均高度越高，雷击跳闸率越高；平均雷暴日增加，雷击跳闸率上升；土壤电阻率增加，雷击跳闸率上升，但变化幅度不大。

10 kV配电线路； 雷击跳闸； 直击雷； 感应雷； 影响因素

雷电作为一种无法抑制的强大的自然力的爆发，不仅威胁着人类的生命安全，而且使电力行业的电力输电线路、电气设备等遭到破坏。由于架空配电线路大都裸露在空中，极易遭受雷击产生雷电过电压[1-2]。

10 kV配电线路由于架空高度低，且受到附近建筑物或树木的屏蔽，遭受直击雷的概率小，受感应雷过电压的危害比较大。因为10 kV配电线路本身的绝缘水平低，且一般没有特别的防雷措施，峰值超过100 kV的感应雷过电压，常导致配电设备和用户设备的损坏，如绝缘子击穿或爆裂、配电线路断线、避雷器爆裂、配变毁坏、家用电器损坏，造成大面积停电，严重的情况下甚至造成人身伤亡等，给工农业生产带来损失，给人们日常生活带来不便[3-4]。电网故障分类统计表明，在配电线路运行的总跳闸次数中，由于雷击引起的跳闸次数约占总跳闸次数的70%～80%，尤其在多雷、土壤电阻率高、地形复杂、档距大的地区，雷击配电线路引起的故障率更高[5]。

安徽地区地形复杂，长江、淮河横贯省境，将全省划分为淮北平原、江淮丘陵和皖南山区三大自然区域。地势西南高、东北低，地形地貌南北差异，复杂多样。且雷电活动频繁，使得防雷保护难度极大，严重影响了安徽电网的安全运行以及供电可靠性[6]。因此，迫切需要建立更加科学有效的防雷体系，以指导安徽输变电工程的运行和建设、防雷设计和改造，提高其抗雷害能力。研究针对安徽地区典型10 kV架空配电线路建立雷击跳闸率计算模型，研究影响雷击跳闸率的主要因素，从而为提高防雷设计提供理论依据。

1 10 kV配电线路雷电跳闸率计算方法

1.1雷电流幅值概率分布特征及计算公式

雷电流幅值是反映雷电活动特性的重要参数之一，是雷电计算、防雷分析和设计中十分重要的依据[7]。

我国DL/T 620-1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》规定：我国一般地区雷电流幅值超过I的概率为：

(1)

陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区(这类地区的平均年雷暴天数一般在20 d及以下)雷电流幅值较小，可由式(2)求得：

(2)

而IEEE Std及其他类似国际组织或国家推荐的雷电流幅值概率计算公式[8]为：

(3)

式中：a—— 被统计地区雷电的中值电流，即电流幅值大于a的概率为50%；

b—— 被统计地区雷电电流幅值概率曲线的变化程度，b值越大，表示幅值概率曲线下降程度越快，电流幅值集中性越强。

就安徽而言，其雷电流幅值累计概率[9]为：

(4)

1.2直击雷跳闸率计算

架空配电线路一般没有避雷线，因此不考虑雷击避雷线的情况，直击雷包括雷击杆塔与直击导线。根据电气几何模型判断雷击位于直接雷击范围内时，使用击杆率g表征雷击杆塔的概率，则直击导线的概率为1-g，参照IEEE规程，一般选取g=0.5[10]。

线路防雷计算中判断绝缘是否闪络，是通过比较绝缘子串两端出现的过电压与绝缘子串或空气间隙U50%放电电压的方法进行判断的。过电压超过绝缘的U50%放电电压即判为闪络[11]。

根据规程，雷击杆塔及直击导线时的临界电流峰值分别为:

(5)

(6)

式中：Rch—— 杆塔接地电阻，Ω；

Lt—— 杆塔等值电感，μH；

h—— 线路高度，m。

如果雷电流峰值I>IB或I>IC，认为该区间电流会引起反击或直击导线闪络。

反击、直击导线跳闸率TRB、TRC计算式：

(7)

(8)

式中：Td—— 雷暴次数，次/a；

γ—— 落雷密度，次/(km2·a)；

η—— 建弧率；

Rd—— 对导线雷击击距，m；

P(I) —— 雷电流峰值大于I的累计概率。

我国规程给出中性点非有效接地系统的建弧率计算公式为：

(9)

式中：Ue—— 线路额定电压，kV；

lj—— 绝缘子爬电距离，m；

lm—— 线路的线间距离(对于铁横担和钢筋混凝土横担线路，lm=0)，m。

根据电气几何模型(EGM)可计算雷击击距。比较而言，Eriksson的雷击距公式具有更好的普适性，即：

Rd=0.67h0.6I0.74

(10)

式中：Rd—— 对导线雷击击距，m；

I—— 雷电流幅值，kA。

直击雷跳闸率TRD为：

TRD=TRB+TRC

(11)

1.3感应雷跳闸率计算

架空配电线路雷电感应电压峰值计算公式较多，其中，计算较为准确的为Rusck公式[12]：

(12)

式中：Uim—— 架空配电线路需电感应电压峰值，kV；

Z0—— 线路特征阻抗；

S—— 雷击点距离线路的距离，m；

v—— 回击速度，m/s；

c—— 光速，m/s。

Mat Darveniza提出了考虑土壤电阻率影响的校正计算公式，将式(12)中的h更正为heff[13]

(13)

式中：ρ—— 土壤电阻率，Ω·m。

在式(12)的基础上，设雷击点距离线路距离S大于65 m，取Z0=30 Ω、v=13c，并乘以一定系数，得到我国规程中的架空配电线路雷电感应电压峰值计算公式：

(14)

式(14)的适用条件受限，为了得到更高的评估精度，结合式(12)和(13)，并转化为

(15)

简写为S=f2(Uim,I)

将式中Uim更换为U50%，可取得雷电流峰值为I时的临界闪络距离Sm，当S

(16)

则配电线路的雷击跳闸率为：

TR=TRD+TRI

(17)

2 雷击跳闸率计算与结果分析

2.1 10 kV配电线路雷击跳闸率计算与结果验证

以安徽碧山117线10 kV配电线路为研究对象：杆塔为水泥杆，导线平均高度13.5 m，接地电阻10 Ω；绝缘子采用针式PS-15T/500，50%放电电压U50%=118 kV；线路所在地区年平均雷暴日Td=79 d，土壤电阻率ρ=100 Ω·m。

按照上述理论方法，计算得到该线路直击雷跳闸率为11.9次/(100 km·a)，感应雷跳闸率为63.7次/(100 km·a)。

碧山117线地处山间凹地，年平均雷暴日比较高，雷电灾害问题突出。据统计，2014年、2015年、2016年碧山117线由于雷击发生跳闸或接地停电事故的次数分别为5、6、7次。碧山117线全长约7.5 km，折算为平均雷击跳闸率为80次/(100 km·a)。与实际情况相比较，理论计算的年平均雷击跳闸率误差为5.5%，满足工程预测的要求。

2.2配电线路雷击跳闸率的影响因素分析

(1) 绝缘配置。绝缘水平低下是10 kV配电线路雷击跳闸事故频发的根本原因，加强绝缘是最直接提高线路的耐雷性能的方式。选取表1所示的几类绝缘子进行分析。

表1 几种绝缘子的U50%、公称爬电距离对照表

线路参数和环境参数保持不变，分别计算各类绝缘配置情况下的直击雷跳闸率和感应雷跳闸率，结果如表2所示。

表2 几种绝缘子的年平均雷击跳闸率比较 次/(100 km·a)

由表1、2可以看出，对于10 kV输电线路来说，无论采用哪一种绝缘子，感应雷跳闸率都比直击雷跳闸率高；放电电压U50%越高，直击雷和感应雷雷击跳闸率都越低，总体雷击跳闸率也越低；公称爬电距离越长，直击雷跳闸率越低。

(2) 配电线路平均高度。绝缘子选用针式 PS-20T，配电线路平均高度分别取12、13、14、15 m，其他线路参数和环境参数保持不变，计算线路的雷击跳闸率如图1所示。

图1 雷击跳闸率随配电线路平均高度变化曲线

由图1可以看出，随着配电线路平均高度增加，雷击跳闸率上升。配电线路平均高度为12、15 m时，每100 km年均雷击跳闸率分别为41、50次，上升幅度显著。

(3) 平均雷暴日。绝缘子选用针式PS-20T，配电线路平均高度分别取13.5 m，平均雷暴日分别取45、55、65、75 d，其他线路参数和环境参数保持不变，计算线路的雷击跳闸率如图2所示。

图2 雷击跳闸率随平均雷暴日变化曲线

由图2可以看出，随着平均雷暴日增加，雷击跳闸率上升。平均雷暴日为45、75 d时，每100 km年均雷击跳闸率分别为21.9、42.6次，上升幅度显著。

(4) 土壤电阻率。平均雷暴日设定为79 d，土壤电阻率分别为50、100、150、200 Ω·m，其他线路参数和环境参数保持不变，计算线路的雷击跳闸率，结果如图3所示。

图3 雷击跳闸率随土壤电阻率变化曲线

由图3可以看出，随着土壤电阻率增加，雷击跳闸率上升。土壤电阻率从50 Ω·m增大到200 Ω·m，每100 km年均雷击跳闸率增加3次，变化幅度不大。

3 结 语

建立了配电线路直击雷跳闸率和感应雷跳闸率的计算模型，并通过安徽碧山117线10 kV配电线路运行统计数据验证了模型的准确性，为评估配电线路的雷电灾害提供了理论依据。同时，对比研究了10 kV雷击跳闸率的影响因素，从优化设计角度建议提高配电线路的绝缘配置、适当降低架空线路高度，以降低配电线路雷击跳闸率。

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Abstract:In the paper, the 10kV distribution line of Bishan 117 line in Anhui Province is taken as the research object. In the case of given parameters and environmental parameters, the calculation model of the lightning trip-out rate and the induction trip-out rate of the distribution lines is established. In addition, the lightning trip-out rate is calculated and the results are verified by the operation statistics, which proves the accuracy of the model. Besides, the influencing factors of 10kV lightning trip-out rate are compared. The results show that: the higherU50%of the insulator, the lower the lightning trip-out rate. The higher the average height of the line, the higher the lightning trip-out rate. As the average thunderstorms increases, the lightning trip-out rate increases. With the increase of soil resistivity, lightning trip-out rate increases; however, the change is not significant.

Keywords:10 kV distribution lines; lightning trip-out; direct lightning; induced lightning; influencing factors

CalculationandAnalysisofLightningTrip-outRateof10kVDistributionLinesinTypicalAreas

CHEN Liming1ZENG Haibing2TANG Xiaogang2XIAO Dongping3MEI Daojun3

(1.State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 230061, China;2.Anhui Huadian Engineering Consultating & Design Co., Ltd., Hefei 230022, China;3.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

TM726；TM862

A

1673-1980(2017)05-0084-04

2017-05-28

中央高校基本科研业务费项目“电力电缆接头状态非接触式检测原理及方法研究”(CDJXY150008)

陈黎明(1969 — )，男，高级工程师，研究方向为电网规划、新能源、微电网技术。