论文部分内容阅读
摘要：作为电力系统主要组成部分的架空线，由于长期暴露在野外，极易受雷擊，造成线路故障，导致巨大的经济损失。本文首先分析了感应雷的原理，结合常见的地形分析了架空线感应雷的受雷宽度。其次，从闪络次数角度分析了架空线自身特性与感应雷的关系。最后，本文分析了避雷线和避雷器降低感应雷跳闸率的效果并提出线路设计与改造的建议。
关键词：架空线路;防雷;避雷线;避雷器;闪络次数;跳闸率;
0 引言
以广州市从化区为例，从化10kV配电网共有馈线226回，线路总长2960.8km，其中电缆线路584km，架空裸导线2198.8km，架空绝缘导线178km。从化地区山地多，年平均雷暴日80天。另外，线路以架空为主，容易受雷击。2018年变电站开关总跳闸次数为263次，重合闸不成功24次，因雷击造成的跳闸事故占比5.5%。雷击故障中，直击雷占比15%，感应雷占比85%。因此，通过对感应雷进行分析研究，具有十分重要的意义。
1 感应雷过电压的原理
1.1 感应雷的形成
当雷电击中架空配电线路附近的地面时，在雷电的放电过程中，空间电磁场急剧变化，是处于电磁场中的架空线路上感应出过电压。
感应雷过电压幅值的构成上，以静电分量为主。雷电负电荷被迅速中和，使先导放电通道电场强度急剧减弱。由于束缚导线上正电荷的电场消失，导线上的束缚电荷迅速的沿导线向两端运动，形成感应雷过电压的静电分量。
1.2 规程法计算感应雷过电压
工程中实际计算按DL/T620-1997标准取值，如雷云对地放电时，落雷地点距架空导线的垂直距离S≥65m时，无避雷线的架空配电线路导线上产生的感应雷过电压最大值可按下式估算：
式中：
--雷击大地时感应雷过电压最大值，单位为kV;
--雷电流幅值，单位为kA;
--导线平均高度，单位为m;
--雷击点与线路的垂直距离，单位为m。
2 10kV无避雷线线路电气几何模型原理
图1为经典的EGM用于无避雷线的配电线路屏蔽保护计算时的几何模型图。雷电流强度
的雷先导定位位置为曲线ABC弧段，AB是以地线和导线为圆心，以
为半径的弧线。BC为平行于地面高度为
的直线，弧段AB为配电线路导线的暴露弧段。定位于AB上的落雷将直击导线，弧段BC为配电线的大地暴露弧段，定位于BC上的落雷将击于大地。参数
为导线的暴露距离，随雷电流增加，AB弧段越来越大。
采用Eriksson的雷击距公式
式中，
为对导线雷击击距，m;
为导线平均高度，m;
为雷电流幅值，kA。
导线暴露弧是以导线高度为圆心，以击距
为半径的圆，地面暴露弧是距离大地水平距离为 0.9
的射线。导线与地面的暴露弧的交点随着雷电流大小变化呈现两种情况： ①雷电流较小时，大地暴露弧在
點下方，此时
。
②雷电流较大时，大地暴露弧在
点上方，求解代数方程得：
式中，
为地面倾角;
3 感应雷受雷宽度
当雷击于大地，在导线上产生的过电压
时，绝缘子闪络，即
时绝缘闪络。本文定义雷击点距导线的水平距离
为临界闪络距离。
当
处于较小水平时
，此时雷击地面不会造成线路产生过电压，当
超过一定值后
，此时雷击地面可能造成线路过电压而发生闪络事故，因此，本文定义使
的
值为线路感应雷耐雷水平
。
根据电气几何模型原理，线路感应雷过电压的受雷宽度为
。由
与
的公式可知，
的变化率大于
。当
>0时，
随着
的增大而增大，可初步判定，线路直击雷闪络率随着
的增加而降低，感应雷过电压随着
的增大而增大，线路耐雷水平也随之减小。当
<0时，情况相反。 3 影响线路感应雷跳闸率的几种因数分析
线路发生闪络时，雷电流：
由上式可得，最小闪络电流：
式中：
;年平均雷暴日大于20天的地区雷电流
的分布概率为
该式表示距离杆塔中心S处落雷，该雷引起线路闪络的概率。
3.1 几种地形的感应雷宽度分析及相应感应雷跳闸率的影响
根据上述对地面倾角与感应雷宽度分析可知，山顶时，杆塔两侧导线地面倾角均大于0，感應雷宽度增大，随着
的增大，雷击斜坡时雷击点与导线的竖直距离增大，使在线路产生的感应过电压增大，两种因素共同作用使线路感应雷击跳闸率变大。山腰时，山顶侧导线雷击跳闸率随着
的增大而减小，向山底侧导线雷击跳闸率随着
的增大而增大。山脚时，山顶侧导线雷击跳闸率随着
的增大而减小，山底侧
为0。
3.2 杆塔高度对感应雷跳闸率的影响
10kV线路常用两种绝缘子如下表：
根据规程，在2
宽范围内的落雷均被视为直击雷。假设落雷密度平均分布，
为100km线路每年（40个雷暴日）由于雷击引起闪络次数。根据DL/T620-1997，取地面落雷密度
=0.07。计算线路两侧的闪络次数表达式为：
当线路绝缘子为S-210/Z时，常用两种电杆高度的闪络次数计算如下：
①杆高15m，导线平均高度
=11m，
，根据上式可得
。
②杆高12m，导线平均高度
=9.5m，
，根据上式可得
，闪络次数降低了11%。 3.3 线路绝缘水平对感应雷跳闸率的影响
当S-280/Z线路绝缘子时，常用两种电杆高度的闪络次数计算如下：
①杆高15m，
，得
，闪络次数降低了27.7%。
②杆高12m，
，得
，閃络次数降低了37.5%。
从上分析可见，采用高一级的绝缘子后，无论何种杆塔高度，线路雷击跳闸水平普遍降低。因此，提高线路绝缘等级，可有效降低了跳闸率。
3.4 避雷线对感应雷过电压的影响。
架设避雷线的 10kV 架空配电线路在避雷线的耦合作用下，能够有效降低雷电流在线路及杆塔本体上的感应雷过电压。基于耦合作用后的感应雷过电压为：
式中：耦合系数
，
表示避雷线高度;
表示相线高度;
表示相导线与避雷线间互波阻抗;
表示架设避雷线自波阻抗;
为架设避雷线接地电阻。
当雷击点离导线的距离
≤65 m时由于主放电通道磁场迅速变化，上面所述的计算方法已不再适用，所以在无避雷线时，根据规程规定，导线上的感应过电压幅值可按下式计算。
式中，
为感应过电压系数，kV/m。其中
值等于以kA/us计的雷电流平均波前陡度，即
，
一般为0.2～0.3。
由此可知，由于互波阻抗的存在，避雷线与相线的距离越小，耦合系数
越大，
越小;避雷线接地电阻
越小，
越小。
取0.25，感应电压减幅约为25%。10kV配电线路
多为200kV，故避雷线对于防267kV以上的感应雷无明显效果。详细仿真见参考文献[6]。另外，架设避雷线容易造成线路反击，所以一般在重要线路或者多雷地区10kV线路才架设避雷线。 3.5 避雷器对感应雷跳闸率的影响。
雷击大地时，导线距雷击点的水平距离最近
处感应电压最大，导线上任意一点也会产
生感应过电压，即：
2中
为雷击点，
为杆塔坐标点且距雷击点水平距离最近处，
为避雷器安装点。在
点电压超过线路绝缘子串冲击耐受电压之前，
点避雷器动作，及时提供聚集电荷的泄放通道，因此，
点需满足以下条件：
1）
点感应过电压值大于避雷器动作电压;
假设雷电流为
，由上述两条件计算方程得避雷器感应雷保护范围为：
假设
=12m，
=200kV，
=25kV，计得避雷器保护范围为
。
随着雷电流幅值的降低而减小，即雷电流幅值越小，避雷器感应雷保护范围越小。当
时，求得最小感应雷临界闪络电流为
=16.38kA，避雷器保护范围最小，此时x<167.46m。以2.4km线路为例，两杆塔的间隔为60m，計算时雷电流幅值取10kA，波头0.5
，波尾20
，杆塔接地R=50Ω，
为50m，
=12m，分析不同安装密度对比不同防护效果。 图2是参考文献[19]数据，设大地电导率为0.001S/m时，在只考虑雷电感应情况下，上述4种避雷器安装实例对应的线路感应过电压概率分布曲线。明显可以看出，避雷器的安装密度越大，经避雷器限制之后的雷电感应过电压幅值越低，雷击闪络次数也越低。避雷器可有效降低过电压水平，从而保护线路绝缘防止线路发生闪络故障。实际工程中，可以考虑将提高线路绝缘水平与避雷器安装两种措施结合起来，使防雷效果及经济效益最优化。
4 避雷线与避雷器安装建议
基于以上研究，在充分考虑地形、地闪密度等线路运行因素，制定了以下防雷使用建议表，实现不同地形线路防雷设施的差异化过选配、确保配电线路
5 结束语
本文首先研究分析了影响线路感应雷跳闸率几大因素，如线路自身高度、绝缘水平等，为优化线路设计提供了理论基础。其次，本文也分析了降低感应雷跳闸率的两个主要措施，从原理上分析了加装避雷器与避雷线两种防雷措施的特点，为架空线设计与改造提供指引。
参考文献
[1]孙鹞鸿，任晋旗，严萍，等.架空输电线路雷击跳闸率影响因素研究现状[J].高电压技术，2004，30（12）：12-14.
[2]黄兰英.10kV配电线路防雷水平分析及提高方法的研究[D]. 西南交通大学， 2009.
[3]唐军.珠江三角洲某地区10kV配电线路防雷性能评估及其策略研究[D].华南理工大学， 2012.
[4]唐小亮.清远地区10kV架空配电线路防雷策略研究与分析[D]. 2017.
[5]连晓新.架空输电线路差异化防雷技术研究[D].
[6]李洁， 王国平， 赵建利， etal.避雷线对高压架空配电线路雷电感应电压影响的分析[J].电瓷避雷器， 2015（2）：70-76.
[7]许彬.降低区域输电线路雷击风险的防雷策略研究[D]. 华南理工大学， 2012.
[8]陈勇.山区10kV架空配电线路防雷措施的研究与改进[D].
[9]康琛.山区输电线路避雷器加装方案研究[D].华北电力大学， 2013.
[10]王克.雷暴路径与雷击闪络[J].电网技术，1990，3（44）：43-46.
[11]张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配合[M].北京：清华大学出版社，2002.
[12]张利庭.雷电对配电安全运行的影响及防范研究[D].南京：浙江大学，2008.
[13]刘靖，刘明光，等.不同地形条件下架空配电线路的防雷分析[J].高电压技术，2011，37（4）：848-852.
[14]文鸣鑫.架空配电线路雷电感应过电压的研究[D].武汉：华中科技大学，2004.
[15]罗大强，唐军，许志荣， etal. 10kV架空配电线路防雷措施配置方案分析[J]. 电瓷避雷器， 2012（5）.
[16]高方平.架空线感应雷过电压的计算与分析[D].杭州：浙江大学，2012.
[17]李晓岚，杜忠东.1000kV 特高压输电线路防绕击问题的探討[J].高电压技术，2006，32（12）：52-54.
[18]朱时阳，邓雨荣.输电基于改进电气几何模型的输电线路雷电屏蔽性能研究[J].高压电器，2008，44（1）：56-58.
[19]王希，王顺超，何金良， etal.安装避雷器后10kV配电线路的雷电感应过电压特性[J].电网技术，2012，36（7）：149-154.
[20]黄伟超，何俊佳，陆佳政，等.实际雷电活动分布下的线路雷击跳闸率计算[J].高电压技术，2008，7（34）：1368-1373.
[21]广州供电局有限公司从化供电局2018年10kV故障跳闸分析报告
关键词：架空线路;防雷;避雷线;避雷器;闪络次数;跳闸率;
0 引言
以广州市从化区为例，从化10kV配电网共有馈线226回，线路总长2960.8km，其中电缆线路584km，架空裸导线2198.8km，架空绝缘导线178km。从化地区山地多，年平均雷暴日80天。另外，线路以架空为主，容易受雷击。2018年变电站开关总跳闸次数为263次，重合闸不成功24次，因雷击造成的跳闸事故占比5.5%。雷击故障中，直击雷占比15%，感应雷占比85%。因此，通过对感应雷进行分析研究，具有十分重要的意义。
1 感应雷过电压的原理
1.1 感应雷的形成
当雷电击中架空配电线路附近的地面时，在雷电的放电过程中，空间电磁场急剧变化，是处于电磁场中的架空线路上感应出过电压。
感应雷过电压幅值的构成上，以静电分量为主。雷电负电荷被迅速中和，使先导放电通道电场强度急剧减弱。由于束缚导线上正电荷的电场消失，导线上的束缚电荷迅速的沿导线向两端运动，形成感应雷过电压的静电分量。
1.2 规程法计算感应雷过电压
工程中实际计算按DL/T620-1997标准取值，如雷云对地放电时，落雷地点距架空导线的垂直距离S≥65m时，无避雷线的架空配电线路导线上产生的感应雷过电压最大值可按下式估算：
式中：
--雷击大地时感应雷过电压最大值，单位为kV;
--雷电流幅值，单位为kA;
--导线平均高度，单位为m;
--雷击点与线路的垂直距离，单位为m。
2 10kV无避雷线线路电气几何模型原理
图1为经典的EGM用于无避雷线的配电线路屏蔽保护计算时的几何模型图。雷电流强度
的雷先导定位位置为曲线ABC弧段，AB是以地线和导线为圆心，以
为半径的弧线。BC为平行于地面高度为
的直线，弧段AB为配电线路导线的暴露弧段。定位于AB上的落雷将直击导线，弧段BC为配电线的大地暴露弧段，定位于BC上的落雷将击于大地。参数
为导线的暴露距离，随雷电流增加，AB弧段越来越大。
采用Eriksson的雷击距公式
式中，
为对导线雷击击距，m;
为导线平均高度，m;
为雷电流幅值，kA。
导线暴露弧是以导线高度为圆心，以击距
为半径的圆，地面暴露弧是距离大地水平距离为 0.9
的射线。导线与地面的暴露弧的交点随着雷电流大小变化呈现两种情况： ①雷电流较小时，大地暴露弧在
點下方，此时
。
②雷电流较大时，大地暴露弧在
点上方，求解代数方程得：
式中，
为地面倾角;
3 感应雷受雷宽度
当雷击于大地，在导线上产生的过电压
时，绝缘子闪络，即
时绝缘闪络。本文定义雷击点距导线的水平距离
为临界闪络距离。
当
处于较小水平时
，此时雷击地面不会造成线路产生过电压，当
超过一定值后
，此时雷击地面可能造成线路过电压而发生闪络事故，因此，本文定义使
的
值为线路感应雷耐雷水平
。
根据电气几何模型原理，线路感应雷过电压的受雷宽度为
。由
与
的公式可知，
的变化率大于
。当
>0时，
随着
的增大而增大，可初步判定，线路直击雷闪络率随着
的增加而降低，感应雷过电压随着
的增大而增大，线路耐雷水平也随之减小。当
<0时，情况相反。 3 影响线路感应雷跳闸率的几种因数分析
线路发生闪络时，雷电流：
由上式可得，最小闪络电流：
式中：
;年平均雷暴日大于20天的地区雷电流
的分布概率为
该式表示距离杆塔中心S处落雷，该雷引起线路闪络的概率。
3.1 几种地形的感应雷宽度分析及相应感应雷跳闸率的影响
根据上述对地面倾角与感应雷宽度分析可知，山顶时，杆塔两侧导线地面倾角均大于0，感應雷宽度增大，随着
的增大，雷击斜坡时雷击点与导线的竖直距离增大，使在线路产生的感应过电压增大，两种因素共同作用使线路感应雷击跳闸率变大。山腰时，山顶侧导线雷击跳闸率随着
的增大而减小，向山底侧导线雷击跳闸率随着
的增大而增大。山脚时，山顶侧导线雷击跳闸率随着
的增大而减小，山底侧
为0。
3.2 杆塔高度对感应雷跳闸率的影响
10kV线路常用两种绝缘子如下表：
根据规程，在2
宽范围内的落雷均被视为直击雷。假设落雷密度平均分布，
为100km线路每年（40个雷暴日）由于雷击引起闪络次数。根据DL/T620-1997，取地面落雷密度
=0.07。计算线路两侧的闪络次数表达式为：
当线路绝缘子为S-210/Z时，常用两种电杆高度的闪络次数计算如下：
①杆高15m，导线平均高度
=11m，
，根据上式可得
。
②杆高12m，导线平均高度
=9.5m，
，根据上式可得
，闪络次数降低了11%。 3.3 线路绝缘水平对感应雷跳闸率的影响
当S-280/Z线路绝缘子时，常用两种电杆高度的闪络次数计算如下：
①杆高15m，
，得
，闪络次数降低了27.7%。
②杆高12m，
，得
，閃络次数降低了37.5%。
从上分析可见，采用高一级的绝缘子后，无论何种杆塔高度，线路雷击跳闸水平普遍降低。因此，提高线路绝缘等级，可有效降低了跳闸率。
3.4 避雷线对感应雷过电压的影响。
架设避雷线的 10kV 架空配电线路在避雷线的耦合作用下，能够有效降低雷电流在线路及杆塔本体上的感应雷过电压。基于耦合作用后的感应雷过电压为：
式中：耦合系数
，
表示避雷线高度;
表示相线高度;
表示相导线与避雷线间互波阻抗;
表示架设避雷线自波阻抗;
为架设避雷线接地电阻。
当雷击点离导线的距离
≤65 m时由于主放电通道磁场迅速变化，上面所述的计算方法已不再适用，所以在无避雷线时，根据规程规定，导线上的感应过电压幅值可按下式计算。
式中，
为感应过电压系数，kV/m。其中
值等于以kA/us计的雷电流平均波前陡度，即
，
一般为0.2～0.3。
由此可知，由于互波阻抗的存在，避雷线与相线的距离越小，耦合系数
越大，
越小;避雷线接地电阻
越小，
越小。
取0.25，感应电压减幅约为25%。10kV配电线路
多为200kV，故避雷线对于防267kV以上的感应雷无明显效果。详细仿真见参考文献[6]。另外，架设避雷线容易造成线路反击，所以一般在重要线路或者多雷地区10kV线路才架设避雷线。 3.5 避雷器对感应雷跳闸率的影响。
雷击大地时，导线距雷击点的水平距离最近
处感应电压最大，导线上任意一点也会产
生感应过电压，即：
2中
为雷击点，
为杆塔坐标点且距雷击点水平距离最近处，
为避雷器安装点。在
点电压超过线路绝缘子串冲击耐受电压之前，
点避雷器动作，及时提供聚集电荷的泄放通道，因此，
点需满足以下条件：
1）
点感应过电压值大于避雷器动作电压;
假设雷电流为
，由上述两条件计算方程得避雷器感应雷保护范围为：
假设
=12m，
=200kV，
=25kV，计得避雷器保护范围为
。
随着雷电流幅值的降低而减小，即雷电流幅值越小，避雷器感应雷保护范围越小。当
时，求得最小感应雷临界闪络电流为
=16.38kA，避雷器保护范围最小，此时x<167.46m。以2.4km线路为例，两杆塔的间隔为60m，計算时雷电流幅值取10kA，波头0.5
，波尾20
，杆塔接地R=50Ω，
为50m，
=12m，分析不同安装密度对比不同防护效果。 图2是参考文献[19]数据，设大地电导率为0.001S/m时，在只考虑雷电感应情况下，上述4种避雷器安装实例对应的线路感应过电压概率分布曲线。明显可以看出，避雷器的安装密度越大，经避雷器限制之后的雷电感应过电压幅值越低，雷击闪络次数也越低。避雷器可有效降低过电压水平，从而保护线路绝缘防止线路发生闪络故障。实际工程中，可以考虑将提高线路绝缘水平与避雷器安装两种措施结合起来，使防雷效果及经济效益最优化。
4 避雷线与避雷器安装建议
基于以上研究，在充分考虑地形、地闪密度等线路运行因素，制定了以下防雷使用建议表，实现不同地形线路防雷设施的差异化过选配、确保配电线路
5 结束语
本文首先研究分析了影响线路感应雷跳闸率几大因素，如线路自身高度、绝缘水平等，为优化线路设计提供了理论基础。其次，本文也分析了降低感应雷跳闸率的两个主要措施，从原理上分析了加装避雷器与避雷线两种防雷措施的特点，为架空线设计与改造提供指引。
参考文献
[1]孙鹞鸿，任晋旗，严萍，等.架空输电线路雷击跳闸率影响因素研究现状[J].高电压技术，2004，30（12）：12-14.
[2]黄兰英.10kV配电线路防雷水平分析及提高方法的研究[D]. 西南交通大学， 2009.
[3]唐军.珠江三角洲某地区10kV配电线路防雷性能评估及其策略研究[D].华南理工大学， 2012.
[4]唐小亮.清远地区10kV架空配电线路防雷策略研究与分析[D]. 2017.
[5]连晓新.架空输电线路差异化防雷技术研究[D].
[6]李洁， 王国平， 赵建利， etal.避雷线对高压架空配电线路雷电感应电压影响的分析[J].电瓷避雷器， 2015（2）：70-76.
[7]许彬.降低区域输电线路雷击风险的防雷策略研究[D]. 华南理工大学， 2012.
[8]陈勇.山区10kV架空配电线路防雷措施的研究与改进[D].
[9]康琛.山区输电线路避雷器加装方案研究[D].华北电力大学， 2013.
[10]王克.雷暴路径与雷击闪络[J].电网技术，1990，3（44）：43-46.
[11]张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配合[M].北京：清华大学出版社，2002.
[12]张利庭.雷电对配电安全运行的影响及防范研究[D].南京：浙江大学，2008.
[13]刘靖，刘明光，等.不同地形条件下架空配电线路的防雷分析[J].高电压技术，2011，37（4）：848-852.
[14]文鸣鑫.架空配电线路雷电感应过电压的研究[D].武汉：华中科技大学，2004.
[15]罗大强，唐军，许志荣， etal. 10kV架空配电线路防雷措施配置方案分析[J]. 电瓷避雷器， 2012（5）.
[16]高方平.架空线感应雷过电压的计算与分析[D].杭州：浙江大学，2012.
[17]李晓岚，杜忠东.1000kV 特高压输电线路防绕击问题的探討[J].高电压技术，2006，32（12）：52-54.
[18]朱时阳，邓雨荣.输电基于改进电气几何模型的输电线路雷电屏蔽性能研究[J].高压电器，2008，44（1）：56-58.
[19]王希，王顺超，何金良， etal.安装避雷器后10kV配电线路的雷电感应过电压特性[J].电网技术，2012，36（7）：149-154.
[20]黄伟超，何俊佳，陆佳政，等.实际雷电活动分布下的线路雷击跳闸率计算[J].高电压技术，2008，7（34）：1368-1373.
[21]广州供电局有限公司从化供电局2018年10kV故障跳闸分析报告