梁 晨，高 尚，付文慶，呂 澳

（國網(wǎng)北京門頭溝供電公司，北京 102300）

0 引 言

對(duì)于山區(qū)而言，架空配電線路的維護(hù)和檢修工作開展難度較大，為了最大限度保障電力系統(tǒng)的安全性，實(shí)施科學(xué)有效的保護(hù)措施是十分必要的[1]。雷擊危害是影響山區(qū)架空配電線路安全性的重要因素之一，因此針對(duì)該問題設(shè)計(jì)具體的防雷保護(hù)技術(shù)成為備受關(guān)注的熱點(diǎn)[2,3]。雷電作為一種較為常見的自然現(xiàn)象，在山區(qū)的氣象條件下，出現(xiàn)雷擊現(xiàn)象的可能性更高。在單次雷擊放電過程中，形成的電壓可以達(dá)到百萬伏特級(jí)別，因此雖然持續(xù)的時(shí)間較為短暫，但是其釋放出巨大的能量仍然會(huì)對(duì)輸電線路造成嚴(yán)重的破壞[4-6]。一般情況下，當(dāng)雷電作用于輸電線路上時(shí)，在這種強(qiáng)電壓的沖擊下，絕緣損壞和線路短路問題是相對(duì)較輕的情況，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)爆炸事故[7]。通過上述的分析不難看出，針對(duì)山區(qū)的實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)配電線路實(shí)施針對(duì)性的防雷保護(hù)措施是保障供電穩(wěn)定性和安全性的必要工作內(nèi)容之一。

針對(duì)該問題，本文以山區(qū)10 kV架空配電線路為研究對(duì)象，提出了一種防雷保護(hù)技術(shù)，并通過實(shí)際分析測(cè)試的方式驗(yàn)證了設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 10 kV架空配電線路防雷保護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 架空配電線路雷擊作用機(jī)制分析

在雷云對(duì)地放電過程中，雷云中的電荷會(huì)轉(zhuǎn)入到大地中，在這種放電模式下，在避雷針、桿塔的作用下，放電階段電荷形成的電流波會(huì)向下運(yùn)動(dòng)至大地，輸電線路受到雷擊作用時(shí)，雷擊過程本身與雷電通道傳輸電磁波到地面的過程基本一致。以此為基礎(chǔ)，本文通過等效處理的方式建立了雷擊作用下配電線路的運(yùn)行狀態(tài)模型，具體可以表示為

式中：i為在雷電波作用下線路的電流參數(shù)；i0為理想狀態(tài)下線路的電流參數(shù)；z0表示配電線路自身的阻抗參數(shù)；zc表示配電線路在雷電波作用下形成的阻抗參數(shù)。

雷電波對(duì)于配電線路的作用方式主要分為2種，分別是感應(yīng)雷過電壓作用和直擊雷過電壓作用。

（1）在感應(yīng)雷過電壓作用發(fā)生時(shí)，雷擊點(diǎn)與線路之間的距離一般在65 m以上，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)過電壓強(qiáng)度Ug計(jì)算方式可以表示為

式中：k為感應(yīng)系數(shù)；h為配電線路的高度；L表示雷擊點(diǎn)與線路之間的距離。通過式（2）可以看出，在感應(yīng)過電壓作用模式下，雷擊對(duì)于線路影響強(qiáng)度的大小主要取決于雷擊點(diǎn)與線路之間的距離和電流參數(shù)。針對(duì)該問題，在后續(xù)的保護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)屏蔽裝置作用強(qiáng)度的研究。

（2）在直擊雷過電壓作用發(fā)生時(shí)，線路的過電壓強(qiáng)度Ud計(jì)算方式可以表示為

通過這樣方式，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)架空配電線路雷擊作用機(jī)制有效分析，為后續(xù)的保護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)提供執(zhí)行基礎(chǔ)。

1.2 耦合地線的防雷參數(shù)設(shè)置

本文對(duì)雷電保護(hù)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，主要是通過對(duì)耦合地線的參數(shù)進(jìn)行合理化設(shè)置。結(jié)合已有的實(shí)際雷電故障數(shù)據(jù)信息可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過電壓高于線路絕緣子串電壓的50%時(shí)，會(huì)引發(fā)線路故障。以此為基礎(chǔ)，在實(shí)施對(duì)配電線路的防雷設(shè)計(jì)時(shí)，防護(hù)裝置的屏蔽雷電過電壓強(qiáng)度Uf應(yīng)達(dá)到

式中：λ為防護(hù)裝置的分流系數(shù)；lg為配電線路桿塔的電感參數(shù)；r為配電線路的接地電阻參數(shù)；ε為雷電作用下線路過電壓參數(shù)與理想狀態(tài)下過電壓參數(shù)之間的差值。

在受到雷電過電壓作用時(shí)，耦合地線和導(dǎo)線的電壓均會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)。當(dāng)耦合地線處于不接地狀態(tài)時(shí)，架空線上產(chǎn)生由于雷電作用形成的電壓與導(dǎo)線的高度表現(xiàn)出正比例關(guān)系。為了最大限度地降低線路運(yùn)行參數(shù)的波動(dòng)情況，耦合地線的參數(shù)設(shè)置結(jié)果可以表示為

式中：Uo為當(dāng)耦合地線處于不接地狀態(tài)時(shí)，耦合地線的參數(shù)設(shè)置結(jié)果；ho表示耦合地線與地面之間的距離。需要特別注意的是，在輸電線路實(shí)際運(yùn)行的過程中，耦合地線的實(shí)際電位處于接近于0的狀態(tài)，因此在對(duì)不接地耦合地線參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)可以直接通過在原有耦合地線結(jié)構(gòu)上疊加式（5）所示的電壓。

當(dāng)耦合地線處于接地狀態(tài)時(shí)，在耦合作用下架空導(dǎo)線中會(huì)存在對(duì)應(yīng)的耦合電壓，此時(shí)對(duì)耦合地線的參數(shù)設(shè)置結(jié)果可以表示為

式中：Uo'為耦合地線處于接地狀態(tài)時(shí)，耦合地線的參數(shù)設(shè)置結(jié)果；γ為耦合地線與配電線路之間的耦合系數(shù)。該參數(shù)值與耦合地線和架空線路之間的互波阻抗直接相關(guān)，互波阻抗越大，耦合系數(shù)越小，互波阻抗越小，耦合系數(shù)越大。

按照這樣的方式對(duì)耦合地線的參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路防雷保護(hù)的目的，避免由于雷電過電壓的作用使得線路運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，為安全穩(wěn)定的電力運(yùn)輸提供保障。

2 測(cè)試與分析

在對(duì)設(shè)計(jì)的防雷保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析階段，本文采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATPDraw作為測(cè)試環(huán)境，通過分析實(shí)施本文設(shè)計(jì)保護(hù)措施后的10 kV架空配電線路感應(yīng)雷過電壓強(qiáng)度，明確其保護(hù)作用效果。對(duì)于具體的仿真數(shù)據(jù)，本文以某山區(qū)5條雷害事故高發(fā)的10 kV架空配電線路作為測(cè)試數(shù)據(jù)，其中線路的用電半徑為20.6 km，雷害多發(fā)線路段線路的走徑主要集中在半山坡及山頂位置2.5 km，山頂至山頂?shù)拇罂缭捷^為密集，測(cè)試線路段的桿塔共26基，線路已進(jìn)行了絕緣化改造，因此導(dǎo)線狀況良好。將上述參數(shù)作為仿真測(cè)試的數(shù)據(jù)，測(cè)試本文設(shè)計(jì)保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果。圖1為仿真環(huán)境示意圖。

圖1 測(cè)試仿真環(huán)境示意圖

為了更加全面地分析測(cè)試結(jié)果，分別將文獻(xiàn)[4]提出的電線路絕緣子防雷電沖擊技術(shù)和文獻(xiàn)[5]提出的桿塔波阻抗防雷電沖擊技術(shù)在相同環(huán)境下同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

在上述基礎(chǔ)上，本文分別測(cè)試在不同雷過電壓的作用下，導(dǎo)線過電壓的下降情況，得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同防雷技術(shù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，在3種方法中，導(dǎo)線過電壓的下降比例均隨著雷電過電壓強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出逐漸加大的趨勢(shì)，但是對(duì)具體的參數(shù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，3種方法的防雷效果仍存在較為明顯的差異。其中，在電線路絕緣子防雷電沖擊技術(shù)作用下，導(dǎo)線過電壓的下降比例最小值為32.46%（雷電過電壓為110 kV時(shí)），最大值達(dá)到了50.00%（雷電過電壓為160 kV時(shí)），表明當(dāng)雷電過電壓強(qiáng)度較大時(shí)，線路受雷電作用的影響較為明顯，防雷效果有待提升。在桿塔波阻抗防雷電沖擊技術(shù)作用下，導(dǎo)線過電壓的下降比例最小值為33.0%（雷電過電壓為110 kV時(shí)），最大值達(dá)到了45.97%（雷電過電壓為160 kV時(shí)），雖然整體波動(dòng)范圍較小，但是對(duì)于實(shí)際的輸電線路而言，電壓的下降程度已經(jīng)對(duì)線路供電質(zhì)量產(chǎn)生了相應(yīng)的影響。在本文設(shè)計(jì)防雷保護(hù)技術(shù)作用下，線路過電壓下降比例始終穩(wěn)定在40.00%以內(nèi)，最大值為37.42%（雷電過電壓為160 kV時(shí)），最小值僅為26.44%（雷電過電壓為110 kV時(shí)）。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的山區(qū)10 kV架空配電線路防雷保護(hù)技術(shù)可以有效降低雷電對(duì)于線路運(yùn)行狀態(tài)的影響，能夠切實(shí)起到保護(hù)線路的作用。

3 結(jié) 論

本文提出山區(qū)10 kV架空配電線路防雷保護(hù)技術(shù)研究，在明確雷電對(duì)于配電線路影響作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過對(duì)耦合地線的參數(shù)進(jìn)行合理化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路的防雷保護(hù)，大大降低了不同雷電過電壓強(qiáng)度對(duì)于輸電線路的影響。通過本文的研究?jī)?nèi)容，希望能夠?yàn)樯絽^(qū)實(shí)際的架空線路保護(hù)工作提供參考價(jià)值，最大限度降低雷電自然現(xiàn)象對(duì)于輸電安全的影響，對(duì)于電力運(yùn)輸工作的順利開展起到了一定的保障作用。