有架空地线的10 kV线路导—地线间距取值建议

2022-10-24沈海滨贺子鸣张兆华卢甜甜

电瓷避雷器 2022年5期

沈海滨，雷挺，贺子鸣，赵霞，张兆华，卢甜甜

(中国电力科学研究院有限公司，北京100192)

关键字：10 kV配电网；架空地线；导—地线间距；直击雷过电压；雷击瞬态过程建模；修正公式

0 引言

我国10 kV架空线路过去鲜有采用架空地线(注:放置在导线上方的地线称为架空地线，放置在导线下方的地线称为耦合地线)防雷措施，主要原因是认为线路绝缘水平配置低，雷击架空地线几乎一定会反击导线，设置架空地线的防雷效果不佳甚至会增大引雷概率。近年来，随着10 kV架空线路营运里程超过300万公里，提高防雷技术经济性、实施差异化设计变得益发重要，加之电磁瞬态过程数值仿真技术的进步可以实现精细化评估防雷措施的效果[1-6]，架空地线作为一种成本低、实施简单、免运行维护的防雷措施，在连续受到建筑物和绿化树木屏蔽、以遭受感应雷击为主的城区线路上，被证明可显著降低线路感应雷击闪络率而得到推荐[7-8]，从2017年开始在上海、浙江、福建、湖南、江苏、湖北、辽宁等多个电力公司批量推广应用。对于多雷区的变电站近区出线线路段、处于空旷区域的重要负荷线路等需要强化雷电防护的，也推荐采用架空地线和线路避雷器[9-10]组合措施[7,11]。

对有架空地线的线路，我国电力过电压与绝缘配合技术现行母标准GB/T 50064—2014[12]及前序标准中均规定：除大档距外，导线和地线之间应按照公式(1)控制间距，以防止雷电直击架空地线档距中央部位后反击导线。

S=0.012L+1

(1)

式中，S:在15 ℃、无风、无冰条件下，档距中央导线与架空地线间的最小距离，m；L:档距长度，m。

该公式是我国学者在20世纪60、70年代基于典型输电线路导、地线波阻抗参数和雷电流陡度在集中参数电路模型下推导出、并经多年运行经验修正的简化计算公式，写在了技术标准SDJ 7—1979《电力设备过电压保护设计技术规程》中，沿用至今。工程设计实践上，目前对于750 kV及以下电压等级的交流线路，均采用该经验公式。由于之前很长一段时间并不推荐10 kV架空线路采用架空地线防雷措施，公式(1)推导时选取的典型线路参数和运行经验修正其实并没有考虑10 kV配电线路配置情况，按此公式确定10 kV线路导—地线间距必然与设计预计存有偏差，而相关研究未见文献报道。现阶段，随着10 kV线路防雷设计精细化要求的不断提高，有必要对该公式予以修正。

笔者采用仿真模拟计算方法，建立雷电直击10 kV线路架空地线档距中央瞬态过程计算模型，经雷电过电压幅值比较研究后确定关键影响线路参数和典型取值，计算给出基于档距中央耐雷水平控制指标的导—地线间距特性曲线，并以简化工程操作为目的，提出对应技术标准推荐公式的修正公式。

1 仿真建模与参数选定

求解导—地线间距控制值本质上是求解雷击档距中央架空地线上时导线不发生档中反击的耐雷水平，耐雷水平与导—地线间雷电过电压相对应并呈现正相关，以工程防雷可接受的安全性、经济性等条件确定耐雷指标后，即确定了导—地线间过电压值，再除以空气间隙雷电放电电场强度，可折算成导—地线间距值。基于ATP—EMTP[13]电磁瞬态计算程序，搭建10 kV线路架空地线档距中央雷电直击瞬态过程计算模型来开展导—地线间过电压计算研究，建模具体处理如下：

1)雷电流采用集中参数电流源和雷电通道波阻抗并联回路等值。雷电流波形取技术标准[12]推荐的2.6/50 μs双斜角波。因后续仿真过程模拟高幅值直击雷，通道波阻抗统一取300 Ω。雷电流幅值暂取100 kA、150 kA、200 kA、250 kA、300 kA，该雷电流可以视作导—地线之间不发生雷击放电的耐雷水平。

2)相导线和架空地线利用LCC模块下的JMarti模型计算分布参数，该模型运算中同时考虑到雷电流频率特性和导、地线间电磁耦合特性。按照技术标准DL/T 5220—2005[14]规定，选取10 kV干线导线截面积为70 mm2～240 mm2，材质为铝绞线，地线截面积为35 mm2和50 mm2，材质为钢绞线，其中截面积35 mm2的地线搭配70 mm2～185 mm2导线使用，截面积50 mm2的地线搭配240 mm2导线使用。建模所需导线直流电阻、截面直径参数依据技术标准GB/T 1179—2017[15]选取。

3)电杆按公式(2)[16]进行波阻抗等值，横担、架空地线支架均按1 μH/m的电感等值。按照《国家电网公司配电网工程典型设计—10 kV架空线路分册》(2016年版)规定，电杆高度选取为12 m、15 m和18 m，杆头选择可以在电杆顶部设置架空地线支柱的“一”字形单回、双“品”字形和“王”字形同杆双回结构，架空地线可通过金属支架架设在电杆正上方，见图1，以及由上述结构组合成的同杆三回、同杆四回结构，其中上相导线与电杆之间的横担长度介于600 mm～1 100 mm之间。

图1 典型杆头结构

(2)

4)按照2016年版国网典设手册选取档距长度为40 m～100 m，涵盖10 kV线路在城镇和郊区的通用档距范围。

5)按照技术标准GB 51302—2018[17]规定，设置架空地线线路应每基电杆做接地处理，控制工频接地电阻不超过30 Ω，参考文献[18]实测结果，取冲击接地电阻为工频电阻的0.7倍。

6)绝缘子闪络利用理想压控开关模拟，动作电压取绝缘子50 %雷电冲击放电电压，典型值为125 kV，当绝缘子两端电压差超过该动作电压后，视为绝缘子闪络。

7)计算中不考虑线路末端反射波的影响，即设置模型线路足够长，在仿真时间段内没有反射波返回。

8)雷击点位置在架空地线档距中央，并根据公认的空气间隙雷电冲击放电电压试验结论，设定此处的导—地线间雷电击穿电场强度为700 kV/m。此值与公式(1)的取值一致，使结果具有可比性。

基于上述原则，以单回线路为例，建立的仿真计算模型简化示意图见图2。模型中，Io为雷电流源，Zo为雷电流通道波阻抗，Vi为绝缘子，L为一个档距的架空线路，Rg为电杆冲击接地电阻，La、Lb、Lc为A、B、C相横担，Zp为电杆，Lw为架空地线支架，Vdd为档距中部导—地线间电压。

图2 计算模型简化示意图

利用上述模型，首先对仿真所需的线路参数进行了大量的比对计算研究，以档距中央的导—地线间雷电过电压值为评价指标，对初选参数做了如下优化处理。

1)因架空地线设置在导线上方，控制导—地线间距就是控制架空地线和上相导线间的距离，同一电杆高度下，前文初选的杆头结构中上相导线对地距离保持一致，同时横担的长度可变化范围有限，计算结果显示，杆头结构差异对导—地线间雷电过电压的影响很小，幅值波动在2%以内，可做简化处理。考虑单回线路应用最为普遍，在后文计算中均选择典型“一”字型杆头结构。

2)电杆高度变化对导—地线间雷电过电压的影响很小，比对计算结果显示，12 m和18 m电杆的结果相比15 m电杆的结果，偏差均小于1%，可做简化处理。后文计算中均选择应用最普遍的15 m钢筋混凝土电杆。

3)电杆工频接地电阻在10 Ω～30 Ω之间变动时，导—地线间雷电过电压的偏差在3%以内，并且呈现出电压随着电阻的增大而降低的趋势。后文计算中做简化处理，从结果偏严格角度，统一选择电杆工频接地电阻为10 Ω。

4)档距不同对导—地线间雷电过电压影响最大，导线截面积不同对导—地线间雷电过电压影响较大，70 mm2相比240 mm2，计算结果差异超过7%。档距和导线参数不宜做简化处理。

2 不同耐雷水平下导—地线最小间距

基于上文模型和参数，以前文假定的导—地线之间不发生雷击放电的系列耐雷水平分别作为入射雷电流，计算获得档距中央导—地线间雷电过电压幅值，并按照空气间隙雷电放电电场强度700 kV/m折算成所需最小空气间隙距离，详见表1至表7。表中数据与我国10 kV架空线路实际设置相匹配，可供工程设计人员参考。基于EMTP程序的直击雷过电压数值计算方法在我国输配电工程雷电防护实践中广泛采用，而且10 kV线路杆塔结构简单、等值偏差影响小，计算结果具有可信性。

表1 导—地线最小间距(对应导线截面积为70 mm2)

表3 导—地线最小间距(对应导线截面积为120 mm2)

表4 导—地线最小间距(对应导线截面积为150 mm2)

表5 导—地线最小间距(对应导线截面积为185 mm2)

表6 导—地线最小间距(对应导线截面积为210 mm2)

表7 导—地线最小间距(对应导线截面积为240 mm2)

3 导—地线间距取值建议

将经验公式(1)与上文表格数据进行比较，可以发现，公式(1)体现的档距中央耐雷水平与档距长度相关，并随着档距长度的增大而降低。以比较导线截面积70 mm2计算结果为例，见图3，在档距长度为40 m时公式(1)对应的耐雷水平略高于200 kA，至档距长度为100 m时，耐雷水平下降至约120 kA。显然，仅因线路档距长短而存在防雷性能指标差异是不妥当的，这显示出公式(1)相对10 kV线路实际配置情况存在较大偏差。

图3 公式(1)与仿真计算结果比较

在技术标准GB/T 24842—2018[19]中，对雷击1 000 kV特高压线路架空地线档距中央的耐雷指标要求是不低于200 kA。虽然从送电重要程度性上，10 kV配电线路远不及特高压线路，但前者的自然雷击闪络率和雷击闪络总次数远远高于后者，另外城区绝大部分的10 kV架空线路采用了绝缘导线，若雷击架空地线档距中央发生闪络引起工频续流建弧，绝缘导线几乎必然断线[20-21]，事故损失和社会影响也很严重。因此，笔者建议将10 kV架空线路档距中央的耐雷指标同样取为200 kA，相当于与公式(1)在40 m档距下的要求基本保持一致，在经济性上与现有要求出入不大，运行安全性也得到了保障。在此耐雷指标下，由表1～表7计算结果经线性拟合后，可分别获得对应不同导线截面积的导—地线最小间距计算公式，见表8。

表8 导—地线最小间距计算公式

进一步地，为了简化工程操作过程，取表1至表7计算结果的平均值，可得到单一的拟合公式(3)。

S=0.034L+0.04

(3)

公式(3)下，导线截面积不同带来的偏差被控制在5%以内，可以理解为采用小截面导线的线路档距中央耐雷水平略低于200 kA，采用大截面导线的线路档距中央耐雷水平略高于200 kA。按电气几何模型法[22]评估，依据该公式设定的间隙距离，不影响架空地线屏蔽导线的效果，即雷电不会绕击导线。公式(3)可作为公式(1)的修正公式。

工程实践时，若因导—地线间距大而存在实施困难的，也可酌情降低间距值，极限距离是确保雷击间隙闪络后不会在导—地线间建立稳定的工频续流电弧。按照工频电弧建立所需最低平均运行电场强度6 kV/m计算，对中性点不接地系统，导—地线间距不得低于2.2 m，对中性点经低电阻接地、高电阻接地和谐振接地系统，导—地线间距不得低于2.0 m。依据表1～表7数据，可以测算出实际选择的间距对应的耐雷水平。需要提醒的是，降低耐雷水平即降低间距虽然不至于发生雷击跳闸、绝缘导线断线等故障，但线路雷击闪络概率不可避免会增大，并伴随电压瞬时跌落问题，供电质量变差。

对于占比较低的大跨越等大档距线路，因电杆高度、档距等均为特别设计，可参照本研究的建模计算方法，依据雷电过电压具体计算结果来确定导—地线间距。