黑龙江地区10 kV配电线路防雷研究

孙 巍， 李 童，刘 洋，刘 进，吴 军，卢泽军

（1．黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨150000；2.国网电科院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074）

黑龙江地区10 kV配电线路防雷研究

孙 巍1， 李 童1，刘 洋1，刘 进1，吴 军2，卢泽军2

（1．黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨150000；2.国网电科院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074）

以黑龙江地区典型配电线路为研究对象，采用ATP－EMTP对配电线路杆塔进行仿真分析，发现杆塔耐雷水平随接地电阻的升高而降低；提高线路绝缘水平对于线路防雷性能有直接而且明显的提升；避雷器对于裸导线和绝缘导线的耐雷水平提升均在90%以上；最后，以雷击跳闸次数为指标，对典型配电线路进行了雷害风险评估，并依据评估结果，制定了针对性的防雷方案：对雷害风险在C级的13基杆塔，加装避雷器；对雷害风险在B级的34基杆塔，更换接地模块来改善接地电阻；对于雷害风险在A级的其余杆塔，在日常巡视中多加注意。

10 kV配电线路；耐雷水平；防雷方法；ATP－EMTP

0 引言

10 kV配电线路是电力系统中较靠近用户的一级，担负着向工农业生产、居民日常生活供电的重要职责，具有线路结构复杂、线路总量多、覆盖面积面广的特点。配电线路绝缘水平较低，且一般无特别的防雷措施，不仅会受到直击雷的影响，发生雷击断线，同时也会因雷击地面产生的感应过电压的影响而发生绝缘子闪络[1－2]、跳闸。运行经验表明，配电网的雷害事故约占整个电力系统全部雷害事故的70%～80%，严重地威胁着供电安全[3－4]。所以，10 kV配网线路的防雷显得尤为重要[5]。

笔者以黑龙江地区典型配电线路为研究对象，分析了线路的基本情况；采用ATP－EMTP仿真软件，对线路杆塔进行耐雷水平计算，研究了杆塔接地电阻、绝缘子型号、避雷器对杆塔耐雷水平的影响；以雷击跳闸次数为指标，对典型配电线路进行了雷害风险评估，并依据评估结果，制定了针对性的防雷方案。

1 研究对象

1.1 线路概况

黑龙江省地势大致是西北部、北部和东南部高，东北部、西南部低，主要由山地、台地、平原和水面构成。气象部门认为黑龙江属于次多雷区，平均雷暴日为31天左右。黑龙江省各地方平均雷暴日数如表1所示。

表1 黑龙江省各地方平均雷暴日数Table 1 Thunderstorm days in Heilongjiang

经过实地调研发现，黑龙江地区配电线路具有如下特征：

1）裸导线、绝缘导线混合铺设：黑龙江地区10 kV配电线路呈现裸导线、绝缘导线混合铺设的总体特征，如图1所示。

图1 绝缘导线和裸导Fig.1 Insulation lines and naked lines

裸导线使用方便且造价低，同时裸导线由于不具有绝缘层，相对于绝缘导线而言，电弧能沿线路移动而避免定点燃烧，因此裸导线发生的断线故障少于绝缘导线。但一般裸导线线芯暴露在大气环境中易遭腐蚀，在强烈紫外线光照和雨、雪、冰雹、风沙、高温、低温，烟雾、化学气体以及树干树枝频繁摩擦下，裸导线容易发生开裂老化，且线路容易产生短路故障。架空绝缘导线相对于裸导线而言，能耐气候老化，延长线路使用寿命，同时采用架空绝缘导线可以适当减小导线的线间距离和对建筑物的间距，但是绝缘导线的绝缘层限制了电弧扩散，更容易导致电弧定点然后，引发更严重的雷击断线事故[6]。

2）采用钢筋水泥电杆：黑龙江地区10 kV配电线路杆塔大多采用钢筋水泥作为塔身的材料，如图2所示。与铁塔相比具有以下优点：（a）杆结构形式简单；（b）节省钢材和投资，特别是预应力电杆；（c）运行维护工作量少，除横担等部分铁附件外，一般不需要采取防腐措施。

图2 10kV配电线路典型杆塔Fig.2 Typical tower of 10kV distribution lines

钢筋混凝土水泥塔也有自身缺点：（a）钢筋混凝土电杆的重力大且容易出现裂缝，另外它对基础下压荷载也较大；（b）由于钢筋混凝土耐张转角杆一般都需要拉线，因此居民拥挤地带以及山区都不能使用；（c）钢筋混凝土电杆一般不能承受较大的荷载。

3）线路布置多为水平方式排布：从击距的角度看，三角布置的直线杆顶相更易遭受雷电直击，而对于水平布置的塔头，边相更易受到雷电直击。

第一，正确梳理“质”与“量”之间的关系。在林政资源管理时，在推动林业经济长远发展的同时，还需要确保林业资源的数量与质量处于均衡发展的状态之内，优化林业资源自身的结构，注重保护不可再生的林业资源，合理利用可再生林业资源。

1.2 典型杆塔参数

黑龙江地区水泥杆杆塔基本参数为：无拉线混泥土杆，无地线，杆塔波阻抗 250 Ω，电感 0.84 μH/m，杆塔冲击接地电阻25 Ω，呼高12 m。采用P－15针式绝缘子，主干导线采用LGJ－120，导线半径1.52 cm，档距50 m，线路弧垂为0.25 m，线路波阻抗400 Ω。如图所示。

2 研究方法

选择ATP－EMTP软件搭建模型，结合工程实际，计算线路耐雷水平[7－8]。

2.1 雷电模型

ATPDraw程序中自带有直接输入波头时间和波尾时间参数的雷电流模型。笔者选取负极性2.6/50 μs的雷电流波形。

2.2 杆塔模型

杆塔采用波阻抗模型。波阻抗大小为250 Ω，波速选为210 m/μs。根据杆塔的尺寸和导线悬挂点的位置将杆塔波阻抗分为几部分。

2.3 输电线路模型

输电线路采用ATPDraw中自带的π型架空线路模型。计算过程中忽视波在传播过程中的各种损耗。

2.4 绝缘子模型

绝缘子模型采用压控开关模拟，绝缘子的U50%电压即为开关的闭合电压。

2.5 最终仿真模型

最终建立的仿真模型如图3所示。

图3 ATP-EMTP仿真模型Fig.3 Simulation model in ATP-EMTP

3 研究结果

3.1 接地电阻对线路耐雷水平的影响

采用ATP-EMTP软件建立仿真模型后，研究杆塔接地电阻对线路耐雷水平的影响（设置绝缘子的U50%为 350 kV），如表2所示。

表2 接地电阻和耐雷水平的关系Table 2 The relationship between grounding resistance and lightning withstand level

通过表2可以看见，随着接地电阻的升高，杆塔的耐雷水平逐渐降低。所以，在进行配电线路防雷方案制定时，要充分考虑杆塔的接地电阻影响，选取合适的接地电阻。

3.2 绝缘子型号对线路耐雷水平的影响

目前10 kV架空线路常用的绝缘子有P-15、复合悬式棒形绝缘子（FXBW6-10/70）、瓷横担绝缘子（S-185）、瓷支柱绝缘子（PSN-75/5ZS）等。这些绝缘子的50%放电电压如表3所示。

更改模型中绝缘子的参数，分别研究不同绝缘子对杆塔耐雷性能的影响，如表4所示。

表3 绝缘子雷电冲击50%放电电压Table 3 Lightning impulse U50%of insulators

表4 不同绝缘子的雷击闪络概率/次·（100 km·年）-1Table 4 Lightning impulse flashover rate of different insulators

通过表4可以看出，提高绝缘水平对降低雷击闪络次数作用显著，以120 kA为例，U50%由175 kV提高至250 kV，雷击闪络次数降低62.56%。提高线路绝缘水平对于线路防雷性能有直接而且明显的提升。所以，在新建线路上，因充分考虑经济性和防雷性能，尽量使用绝缘水平较高的绝缘子，使线路的防雷工作一步到位；而对于老旧线路，可根据实际情况来选择是否更换绝缘子。

3.3 避雷器

用一个非线性电阻模拟避雷器[12]，接地电阻为10 Ω。分别模拟裸导线、裸导线装设避雷器、绝缘导线、绝缘导线装设避雷器这四种情况下的耐雷水平，仿真结果如表5所示。

表5 避雷器防雷效果Table 5 The effects of lightning protection

从表5可以看出：使用避雷器能有效提升线路的耐雷水平。对于裸导线和绝缘导线的提升均在90%以上。但是避雷器价格比较贵，在防雷改造时要充分考虑性价比。

3.3.1 耐雷水平计算

针对黑龙江典型线路的杆塔参数进行仿真，分别仿真雷击杆塔和雷击导线中央时，复合绝缘子两端的电压。如所表6、表7所示。

表6 雷击塔顶时的绝缘子两端电压Table 6 The voltage on insulators when the lightning strikes on the top of tower

表7 雷击导线时的绝缘子两端电压Table 7 the voltage on insulators when the lightning strikes lines

即，雷击塔顶时，当雷电流达到2.6 kA时，B相绝缘子上电压为119 kV，接近其U50%，所以此时的耐雷水平为2.6 kA；同理雷击导线时的耐雷水平为0.8 kA。

3.3.2 地闪密度统计

通过雷电定位系统[9-11]，统计得到典型线路的地闪密度如图4和表8所示。

图4 线路2011-2015年地闪密度图Fig.4 ground flash density of the line from 2011-2015

表8 线路2011-2015年地闪密度统计表Table 8 Ground flash density of the line from 2011-2015

3.3.3 雷击跳闸率计算

式中：N为线路的雷击总数；η为建弧率；P为雷电流大于I的概率。

式中：E为弧道的平均电场强度；U1为线路额定电压；lj为绝缘子闪络距离；lm为横担的线间距离。

3.3.3 雷害风险分级

本文采用的分级标准如表9所示[11]。

3.3.4 典型线路雷害风险评估

根据仿真计算得到的典型杆塔的耐雷水平和各基杆塔地闪密度，分别逐基（逐段）计算其雷击跳闸率，并根据雷害风险分级方法进行分级，如表10所示。

表9 雷害风险等级划分标准Table 9 Lightning risk classification standard

表10 线路雷害风险评估Table 10 Lightning risk assessment of line

3.3.5 典型线路防雷方案制定

通过上述风险评估可知，44－56号杆塔的雷害风险最大，处于C级。一共有13基杆塔，占全线路113基杆塔的11.5%，从安全性和经济性考虑，可以在这13基杆塔上全部加装避雷器，以保证其后续供电可靠性，经济允许的情况下还可以考虑更换杆塔上的绝缘子；1－5 号、23－31 号以及 94－113 号杆塔的雷害风险中等，一共有34基杆塔，占全线路113基杆塔的30%，可以实地测量其接地电阻，通过更换接地模块等方法，降低杆塔接地电阻，从而提高线路的耐雷水平。其余杆塔雷害风险等级较低，在日常的巡视中多加注意即可。

4 结论

1）杆塔接地电阻对于杆塔的耐雷水平有直接的影响，在日常巡视时应注意杆塔的接地电阻变化，保证它在正常的范围内。

2）提高线路绝缘水平对于线路防雷性能有直接而且明显的提升。所以，在新建线路上，因充分考虑经济性和防雷性能，尽量使用绝缘水平较高的绝缘子。

3）避雷器能有效提升线路的耐雷水平。对于裸导线和绝缘导线的提升均在90%以上。但在防雷改造时要充分考虑性价比。

4）配电线路防雷方案要因地制宜。同时考虑线路的物理参数和线路所处位置的雷电参数后，对线路进行风险等级评估，根据评估结果来制定相应的方案。

[1]陈洁，姜建勋.10 kV配电线路雷害事故分析及防雷措施仿真研究[J].电瓷避雷器，2011（4）：73－77．CHEN Jie，JIANG Jian－xun，et al.Analysis of Lightingstrike Fault of 10kV Distribution Lines and Simulation Study on Lightning Protection Measures[J].Insulators and Surge Arresters，2011（4）：73－77

[2]陈茂荣，卢泽军.广东东莞10 kV架空线路防雷治理技术研究[J].电瓷避雷器，2013（3）.86－90．CHEN Mao－rong，LU Ze－jun，et al.Research on the Technology of 10kV Overhead Line Lightning Protection Treatment in Dong Guan，Guangdong[J]Insulators and Surge Arresters，2013（3）：86－90．

[3]李景禄，吴维宁，杨廷方，等．配电网防雷保护的分析与研究[J]．高电压技术，2004，30（4）：58－59．LI Jing－lu，Wu Wei－ning，YANG Ting－fang，et al.Analysis of lighting protection of distribution networks[J].High Voltage Engineering，2004（4）：58－59

[4]解广润，电力系统过电压[M].北京：水利电力出版社，1985.XIE Guang－run.Power system transient overvoltage[M].Bei－jing，China：Hydraulic Publisher，1985.

[5]邓文斌.南方某县城10kV配电网防雷保护分析[J].电瓷避雷器，2012（4）：23－25．DENG Wen－bin.Aanlysis on lightning protection of a southern town 10kV distribution networks[J].Insulators and Surge Arresters，2010（4）：23－25

[6]李孛.10kV配电线路防雷措施研究[D].长沙：长沙理工大学，2009．LI Bo.Research on the technology of lightning protection for 10kV distribution line[D].Changsha，China：Changsha University of Technology，2009．

[7]陆小花．架空配电线路感应雷过电压计算与防护研究[D]．南京：河海大学，2007．LU Xiao－hua.Research of calculation and prevention of lightning induced overvoltage on overhead distribution lines[D].Nanjing，China：Hehai University，2007．

[8]孙萍．220 kV新杭线雷电流幅值实测结果的统计分析[J].中国电力，2000（3）：72－75．SUN Ping.Statistical Analysis on lightning current Amplitude Measurement on 220kV Xin－Hang Line[J]．ELECTRIC POWER，2000（3）：72－75[9]陈家宏，张勤，冯万兴，等.中国电网雷电定位系统与雷电监测网[J].高电压技术，2008，34（3）：425－431..CHEN Jia－hong，ZHANG Qin，FENG Wan －xing，et al.Lightning location system and lightning detection network of China power grid[J].High Voltage Engineering，2008（3）：425－431.

[10]陈家宏，冯万兴，王海涛，等.雷电参数统计方法[J].高电压技术，2007，33（10）：6－10.CHEN Jia－hong，FENG Wan－xing，WANG Hai－tao，et al.Statistical Method of Lightning Parameters[J].High Voltage Engineering，2007，33（10）：6－10.

[11]陈家宏，王剑，童雪芳，等.电网雷害分布图研究[J].高电压技术，2008，34（10）：12－18.CHEN Jia－hong，WANG Jian，TONG Xue－fang，et al.Research on power grid lightning hazard maps[J].High Voltage Engineering，2008，34（10）：12－18.

[12]许志荣，唐军.10kV配电用避雷器常见故障类型分析[J].电瓷避雷器，2012（3）：62－66.XU Zhi－rong，TANG Jun.Analysis of 10 kV Distribution Arrester Common Fault Types[J].Insulators and Surge Arresters，2012（3）：62－66.

Study on Lighting Protection of 10 kV Distribution Lines in Heilongjiang

SUN Wei1，LI Tong1，LIU Yang1，LIU Jin1，WU Jun2，LU Zejun2
（1.Electric Power Research Institute of Heilongjiang，Harbgin 150000，China；2.Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China）

10 kV distribution line is a very important portion of the power system.The accident because of lightning impulse takes quite a large proportion in the accidents of distribution lines.So it is necessary to make further research on the distribution lines，direction protect methods should be advanced to improve the power supply reliability of distribution lines.By taking 10 kV distribution lines in Heilongjiang as the research object，the situation of the line was analyses.By using ATP－EMTP，the lightning withstand level of tower reduce with the exaltation of resistance and improve palpable with the improvement of the insulation；the lightning withstand level of lines could be improved 90%after using lightning arrester；the risk level of lightning impulse of the line is evaluated，depend on which the lighting protection measures are advanced：For the lightning risk in the 13 base tower C grade，should install lightning arrester；risk in the 34 base tower B grade，should replace the grounding module to improve the grounding resistance；risk in the rest of tower A grade，should pay more attention to in daily inspections.

10 kV distribution lines；lightning withstand level；lighting protection methods；ATPEMTP

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.008

2016－04－07

孙 巍（1985—），男，助理工程师，硕士，研究方向为高压电气设备的仿诊断性试验、带电检测及资产全寿命周期管理。