張凱，吳曉東，代佰華，毛惠卿，咸日常

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

配電線路的供電覆蓋面積大，總線路長度巨大，線路架設(shè)方式大都為架空線路，絕緣性能水平較低且一般不裝設(shè)避雷線［1-2］。架空配電線路高度經(jīng)常低于周圍建筑物。因此，架空配電線路不易遭受雷電直擊［3-4］。當(dāng)配電線路附近廠房發(fā)生雷擊時(shí)，配電線路上會(huì)感應(yīng)出高幅值的雷電過電壓［5］，嚴(yán)重威脅著配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究雷擊臨近廠房配電線路雷電過電壓的防護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

通過對(duì)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)可以降低接地電阻［6-7］，從而降低配電線路的電位。齊祥和［8-9］研究了桿塔水平外延和水平垂直兩種接地裝置模型在不同類型土壤中的降阻效果。謝洪平等［10-11］針對(duì)礦區(qū)變電站進(jìn)線段桿塔接地網(wǎng)外延降阻存在地形受限、有效散流長度短、降阻效率低等問題，提出了對(duì)進(jìn)線段桿塔采用長距離外延引線輔助接地的降阻方法。高竹青等［12-13］研究了不同長度垂直接地極的影響范圍以及垂直接地極數(shù)量、長度對(duì)于桿塔接地裝置降阻效果的影響。程育林等［14］研究了垂直接地體的不同間隔距離、長度和等效直徑對(duì)桿塔接地電阻的影響效果。黃勇等［15］找出了垂直接地極的利用系數(shù)和降阻率的變化規(guī)律。鄭志煜等［16-17］探討了多種情況下垂直接地體對(duì)大中型接地網(wǎng)的降阻作用。在輸電線路桿塔降阻技術(shù)研究中，導(dǎo)電混凝土、石墨纜柔性接地極等技術(shù)被應(yīng)用于接地工程中［18-20］。上述文獻(xiàn)集中于研究水平外延和垂直接地體的降阻效果，然而對(duì)廠房接地網(wǎng)裝設(shè)外延引線和敷設(shè)垂直接地體降低配電線路雷電過電壓的研究較少。

本文研究的是廠房高度高于配電線路時(shí)，在原有配電線路的情況下，有限面積內(nèi)建設(shè)廠房對(duì)臨近的配電線路進(jìn)行雷電過電壓防護(hù)。為了分析引流法和絕緣間隔法的臨近廠房線路雷電過電壓防護(hù)，采用仿真軟件建立了3 種廠房與配電線路過電壓防護(hù)模型，研究了10 kV 配電線路與臨近廠房接地網(wǎng)間距、土壤電阻率、雷電流幅值對(duì)防護(hù)效果的影響，對(duì)比分析了引流法和絕緣間隔法的過電壓防護(hù)效果。

1 雷擊臨近廠房時(shí)配電線路過電壓防護(hù)模型

1.1 裝設(shè)外延引線

通過在廠房接地網(wǎng)上裝設(shè)外延引線，可降低配電線路的電位。外延引線的作用是將入地電流更多地散流至終端，以降低配電線路電位。在廠房接地網(wǎng)上裝設(shè)外延引線，如圖1所示。

圖1 裝設(shè)設(shè)外延引線的廠房接地網(wǎng)

搭建廠房接地網(wǎng)鋪設(shè)外延引線雷擊散流模型。廠房接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)是邊長為50 m 的田字型接地網(wǎng)，由D16 mm 鍍鋅圓鋼材料構(gòu)成。外延引線與廠房接地網(wǎng)相連，與廠房接地網(wǎng)的角度為α=135°，β=-135°，埋深均為0.6 m。接地網(wǎng)采用四角均勻注流，分別注入電流為20 kA，頻率為10 kHz。設(shè)置土壤電阻率為500 Ω·m，外延引線長度為60 m，材料為D28 mm 的高導(dǎo)石墨，廠房和配電線路的間距（廠房與配電線路中心線的距離）為2 m。

1.2 敷設(shè)垂直接地體

在廠房接地網(wǎng)上敷設(shè)垂直接地體，通過垂直接地體將入地電流更好地向下散流到土壤中，來降低配電線路電位。在廠房接地網(wǎng)上敷設(shè)垂直接地體，如圖2所示。

圖2 敷設(shè)垂直接地體的廠房接地網(wǎng)

搭建廠房接地網(wǎng)敷設(shè)垂直接地體雷擊散流模型。廠房接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)是邊長為50 m 的田字型接地網(wǎng)，由D16 mm 鍍鋅圓鋼材料構(gòu)成。接地網(wǎng)采用四角均勻注流，分別注入電流為20 kA，頻率為10 kHz。垂直接地體采用直徑為10 mm 的圓鋼接地材料，長度為20 m，設(shè)置土壤電阻率為500 Ω·m，廠房和配電線路的間距為2 m。

1.3 裝設(shè)隔離帶

在廠房接地網(wǎng)與配電線路桿塔接地體之間裝設(shè)隔離帶，不僅隔離了一部分雷擊散流，而且還吸收了很多雷擊散流，從而使其流入到配電線路上的電流減小，以降低配電線路電位。在廠房接地網(wǎng)和配電線路桿塔接地體之間敷設(shè)隔離帶，如圖3所示。

圖3 裝設(shè)隔離帶的廠房接地網(wǎng)

搭建廠房接地網(wǎng)裝設(shè)隔離帶的沖擊接地散流模型。廠房接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)是邊長為50 m 的田字型接地網(wǎng)，由D16 mm 鍍鋅圓鋼材料構(gòu)成。隔離帶裝設(shè)在廠房接地網(wǎng)和配電線路桿塔接地體之間，埋深0.6 m。廠房接地網(wǎng)采用四角均勻注流，分別注入電流為20 kA，頻率為10 kHz。設(shè)置隔離帶材料為高導(dǎo)石墨，長度為120 m，間距為2 m。

2 臨近廠房配電線路雷電過電壓影響分析

2.1 引流法

2.1.1 間距的影響

為了研究廠房接地網(wǎng)與臨近配電線路間距對(duì)配電線路過電壓防護(hù)的影響，設(shè)置總雷電流幅值為80 kA，土壤電阻率為500 Ω·m，外延引線長度為60 m，材料為D28 mm 的高導(dǎo)石墨，廠房和配電線路的間距取1.25 m、1.5 m、1.75 m、2 m、2.25 m、2.5 m、2.75 m、3 m。裝設(shè)外延引線和敷設(shè)垂直接地體后不同間距下的配電線路電位如圖4所示。

圖4 引流法下不同間距的配電線路電位

由圖4 可知，隨著廠房接地網(wǎng)與臨近配電線路間距的增大，配電線路電位變小。在裝設(shè)外延引線和敷設(shè)垂直接地體后配電線路電位有明顯降低，在裝設(shè)外延引線后配電線路的電位降到了60 kV以下，敷設(shè)垂直接地體后配電線路的電位降到了72 kV以下，兩種防護(hù)都能有效地防止雷電反擊事故的發(fā)生。

2.1.2 土壤電阻率的影響

為了研究土壤電阻率對(duì)配電線路過電壓防護(hù)的影響，土壤電阻率取50 Ω·m、200 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、1 500 Ω·m、1 800 Ω·m，裝設(shè)外延引線和敷設(shè)垂直接地體后不同土壤電阻率下的配電線路電位如圖5所示。

圖5 引流法下不同土壤電阻率的配電線路電位

由圖5 可知，在均勻土壤下，隨著土壤電阻率的增大，配電線路電位逐漸增大，大致呈線性關(guān)系。裝設(shè)外延引線和敷設(shè)垂直接地體后配電線路電位都降低了，隨著土壤電阻率的增大，電位降低越明顯。

2.1.3 雷電流幅值的影響

為了研究雷電流幅值對(duì)配電線路過電壓防護(hù)的影響，雷電流幅值取40 kA、60 kA、80 kA、100 kA、120 kA、140 kA、160 kA、180 kA，裝設(shè)外延引線和敷設(shè)垂直接地體后不同雷電流幅值下的配電線路電位如圖6所示。

圖6 引流法下不同雷電流幅值的配電線路電位

由圖6 可知，隨著雷電流幅值的增大，配電線路電位逐漸增大，呈線性關(guān)系。在裝設(shè)外延引線和敷設(shè)垂直接地體后，配電線路電位相比防護(hù)前有了明顯的降低。

2.2 絕緣間隔法

2.2.1 隔離帶長度的影響

考慮到隔離帶長度對(duì)降低配電線路電位的作用，在CDEGS中建立了3種不同材料的隔離帶模型，土壤電阻率為500 Ω·m，設(shè)置隔離帶長度為60～140 m，仿真計(jì)算不同隔離帶長度下的配電線路電位如表1所示。

表1 不同隔離帶長度下的配電線路電位

由表1可知，隔離帶長度對(duì)降低配電線路電位有明顯的效果，增加隔離帶的長度可以降低配電線路電位，這是因?yàn)殡S著隔離帶長度的增加，隔離帶能隔離和吸收更多的雷擊散流，使電流更少的流入到配電線路上，從而降低了配電線路的電位。通過對(duì)比3種不同材料的隔離帶可以看出，在相同隔離帶長度下，銅材料的隔離帶降低配電線路電位效果最好，高導(dǎo)石墨次之。

2.2.2 間距的影響

為了研究裝設(shè)隔離帶后不同間距下對(duì)配電線路電位的影響，設(shè)置土壤電阻率為500 Ω·m，總雷電流幅值為80 kA，隔離帶材料為高導(dǎo)石墨，長度為120 m，間距為1.25～3 m，裝設(shè)隔離帶后不同間距下的配電線路電位如圖7所示。

圖7 裝設(shè)隔離帶后不同間距下的配電線路電位

由圖7 可知，隨著間距的增大，配電線路電位逐漸降低。在裝設(shè)隔離帶后，在相同間距下，配電線路電位有明顯的降低，配電線路電位降低到了70 kV以下，可有效地避免雷電反擊事故的發(fā)生。

2.2.3 土壤電阻率的影響

為了研究裝設(shè)隔離帶后在不同土壤電阻率下對(duì)配電線路電位的影響，設(shè)置總雷電流幅值為80 kA，隔離帶材料為高導(dǎo)石墨，長度為120 m，土壤電阻率分別取50 Ω·m、200 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、1 500 Ω·m、1 800 Ω·m，裝設(shè)隔離帶后不同土壤電阻率下的配電線路電位如圖8所示。

圖8 裝設(shè)隔離帶后不同土壤電阻率下的配電線路電位

由圖8 可知，隨著土壤電阻率的增大，配電線路電位逐漸增大，呈線性關(guān)系。在土壤電阻率增大到200 Ω·m 的過程中，裝設(shè)隔離帶后配電線路電位降低不太明顯，這是因?yàn)樵谕寥离娮杪实偷臈l件下，配電線路電位較低。隨著土壤電阻率的增大，從圖中可以看出裝設(shè)隔離帶后配電線路電位明顯降低。

2.2.4 雷電流幅值的影響

為了研究裝設(shè)隔離帶后在不同雷電流幅值下對(duì)配電線路電位的影響，設(shè)置總雷電流幅值為80 kA，隔離帶材料為高導(dǎo)石墨，長度為120 m，雷電流幅值取50 Ω·m、200 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、1 500 Ω·m、1 800 Ω·m，裝設(shè)隔離帶后不同雷電流幅值下的配電線路電位如圖9所示。

圖9 裝設(shè)隔離帶后不同雷電流幅值下的配電線路電位

由圖9 可知，隨著雷電流幅值的增大，配電線路電位逐漸增大，呈線性增大的關(guān)系。在裝設(shè)隔離帶后，配電線路電位與優(yōu)化前相比有明顯的降低。通過降低配電線路電位，可以有效地防止雷電反擊事故的發(fā)生。

3 引流法和絕緣間隔法防護(hù)效果對(duì)比

3.1 不同間距下防護(hù)效果

為了進(jìn)一步研究引流法和絕緣間隔法對(duì)配電線路的降壓效果，定義配電線路防護(hù)前后電位差ΔU與雷擊電位的比值為降壓效率η。通過降壓效率來表征防護(hù)后對(duì)配電線路電位的降壓能力，如式（1）所示。

式中：UL為雷擊電位，V；U為防護(hù)后電位，V。

通過仿真計(jì)算，裝設(shè)外延引線、敷設(shè)垂直接地體和裝設(shè)隔離帶后不同間距下的降壓效率，如圖10所示。

圖10 防護(hù)后不同間距下的降壓效率

由圖10 可知，在裝設(shè)隔離帶、敷設(shè)垂直接地體和裝設(shè)外延引線后，配電線路電位與優(yōu)化前相比有明顯的降低。裝設(shè)外延引線后，降壓效率穩(wěn)定在25%～27%范圍內(nèi)；敷設(shè)垂直接地體后，隨著間距增大，降壓效率逐漸降低，但降低幅度不大，降壓效率一直在10%以上；裝設(shè)隔離帶后，隨著間距的增大，降壓效率逐漸降低，從1.25 m 至2 m 增大的過程中，降壓效率急劇降低，增大到2 m 以后，降壓效率減小趨勢(shì)逐漸減緩。

3.2 不同土壤電阻率下防護(hù)效果

不同土壤電阻率對(duì)引流法和絕緣間隔法防護(hù)效果有影響。通過仿真計(jì)算，不同土壤電阻率下引流法和絕緣間隔法的降壓效率，見圖11。

由圖11 可知，裝設(shè)外延引線后，土壤電阻率在500 Ω·m 之前，隨著土壤電阻率的增大，外延引線的降壓效率有明顯的增大，但在土壤電阻率達(dá)到500 Ω·m 之后，降壓效率變化趨于平穩(wěn)；敷設(shè)垂直接地體后，土壤電阻率50 Ω·m 至200 Ω·m 的過程中，降壓效率增長速率快，從200 Ω·m 以后降壓效率趨于平緩，穩(wěn)定在12.5%附近；裝設(shè)隔離帶后，在土壤電阻率增大到200 Ω·m 的過程中，降壓效率急劇增長，土壤電阻率從200 Ω·m 到500 Ω·m 的過程中，降壓效率增長速率有所減緩，土壤電阻率增大到500 Ω·m 以后，降壓效率趨于平緩，沒有太大的波動(dòng)，穩(wěn)定在16%左右。

圖11 防護(hù)后不同土壤電阻下的降壓效率

3.3 不同雷電流幅值下防護(hù)效果

不同雷電流幅值對(duì)引流法和絕緣間隔法防護(hù)效果有影響。通過仿真計(jì)算，不同雷電流幅值下引流法和絕緣間隔法的降壓效率，如圖12所示。

圖12 防護(hù)后不同雷電流幅值下的降壓效率

由圖12 可知，裝設(shè)外延引線后，隨著雷電流幅值的增大，降壓效率趨于穩(wěn)定，維持在26.15%左右；敷設(shè)垂直接地體后，隨著雷電流幅值的增大，垂直接地體的降壓效率沒有太大的變化，趨于平緩，維持在12.4%左右；裝設(shè)隔離帶后，隨著雷電流幅值的增大，降壓效率沒有太大的變化，一直維持在16.05% 左右，降壓效率穩(wěn)定，幾乎不受雷電流幅值的影響。

4 結(jié)語

采用CDEGS 仿真計(jì)算軟件，建立了3 種廠房接地網(wǎng)及臨近配電線路過電壓防護(hù)模型，分析了廠房與配電線路間距、土壤電阻率、雷電流幅值對(duì)配電線路雷電過電壓防護(hù)的影響，研究了3 種廠房接地網(wǎng)及臨近配電線路過電壓防護(hù)模型在不同間距、土壤電阻率和雷電流幅值下的降壓效率，得到以下結(jié)論：

1）在裝設(shè)隔離帶、敷設(shè)垂直接地體和裝設(shè)外延引線后，配電線路雷電過電壓與優(yōu)化前相比有明顯的降低，可以有效地避免雷擊廠房造成臨近配電線路產(chǎn)生過電壓。

2）廠房與配電線路間距、土壤電阻率對(duì)配電線路的雷電防護(hù)效果有明顯的影響，而雷電流幅值對(duì)防護(hù)效果的影響不大。

3）在相同條件下，裝設(shè)外延引線的降壓效率最高，對(duì)雷擊配電線路附近廠房時(shí)線路過電壓的防護(hù)效果最好。