配电线路直埋式水泥杆雷电冲击暂态接地特性

　　摘要:安全性评估在架空线路建设过程中是不可或缺的，而跨步电压作为安全性指标显得尤为重要。为此研究了配电线路直埋式水泥杆遭受雷击时的暂态接地特性:首先通过ATP-EMTP电磁暂态软件搭建配电线路仿真计算模型，计算不同幅值的雷电流雷击杆塔时的入地电流;其次结合两种跨步电压安全限值判据，通过CDEGS软件搭建接地仿真计算模型，计算不同入地电流及土壤电阻率情况下配电杆塔周围的跨步电压及安全距离，得到如下变化规律:1)杆塔附近跨步电压随雷电流增大而增大，且在不同土壤电阻率下增加的程度不同。2)雷电流较小的情况下，土壤电阻率对跨步电压影响不大。3)土壤电阻率对跨步电压的影响呈现饱和趋势，当土壤电阻率增大到一定程度时，跨步电压基本维持在某个定值。

　　关键词:配电线路;雷击暂态;接地特性;跨步电压;土壤电阻率

　　0引言

　　在配电网的规划建设中，直埋式水泥杆塔作为最常见的配电杆塔形式有着数量多、范围广、与用户关系密切等特点[1-3]。运行经验表明，因雷击配电杆塔造成的线路跳闸事故在配网运行总事故中占50%～70%[4-7]。目前国家电网、南方电网公司均提出不同地区配电线路杆塔形式的典型设计，对规范配电网建设起到了积极作用[8]。但典型设计中并未针对雷击情况下配电杆塔的暂态接地特性开展校核，尤其对于配电杆塔周围的跨步电压等安全性数据没有做出明确要求。因此笔者基于此背景开展了配电杆塔的雷电冲击暂态接地特性研究。

　　配电论文范例：基于配电网节能降损治理应用研究

　　目前对于该课题的研究，国外B.THAPAR、V.GEREZ等学者研究了配电线路杆塔接地装置的结构及布置方式[9]，F.OLLENDORF等学者对钢筋混凝土杆塔的自然接地特性，尤其是通流能力方面做了比较细致的工作[10-14]。E.J.FAGAN、R.H.LEE等学者对混凝土最大通流能力进行了大量现场实测[11-12，15-16]。E.J.FAGAN等学者同时也研究了钢筋混凝土杆塔工频接地电阻计算方法[11]。国 内清华大学高延庆等学者从土壤的击穿机理开始，对单根接地导体和接地网的冲击特性进行了系统的研究[17]。华北电力大学慈亚楠等对中压配电网接地故障时的跨步电压进行了研究[18]。

　　清华大学何金良等对跨步电压和接触电压触电事故的概率进行了计算[19-21]。以上国内外学者分别从杆接地装置结构、钢筋混凝土自然接地特性、杆塔工频与冲击接地电阻、工频跨步电压计算等方向对配电杆塔接地特性进行研究，但对于直埋式水泥杆的雷电冲击的暂态接地特性并未涉及，对雷击条件下的跨步电压安全范围也未研究清楚。

　　1ATP-EMTP仿真计算模型

　　为探究雷击杆塔时入地电流的大小，笔者通过ATP-EMTP电磁暂态仿真软件搭建了23基10kV配电线路杆塔模型，线路总长度为1.5km，档距为70m;1号配电变压器DT1出线接入1号杆塔，23号尾杆出线接入2号配电变压器DT2，配电变压器型号为S11-M-200kVA/10，计算时将变压器等效为入口电容[22]。

　　雷击点位于线路中央的第12基杆塔，雷电流模型采用Heidlertype电流源，波形为2.6/50μs，杆塔使用单波阻抗模拟，波阻抗值取250Ω，长度根据杆塔高度分段取值，根据南方电网典型设计，取塔底与横担间距11.2m，横担与塔顶间距1.24m。

　　考虑到雷电流的高频变化特性，架空线路选择JMARTI模型。三相导线参数根据JL/G1A-240/30型号的钢芯铝绞线取值;单避雷线参数根据GJ-35型号的钢芯铝绞线取值。绝缘子通过压控开关模拟，以瓷横担绝缘子SC-210的50%冲击闪络电压240kV作为压控开关的临界值。10kV配电变压器在雷击暂态下等效为入口电容315.8pF。氧化锌避雷器分别与变压器的三相绕组并联以保护变压器，其中氧化锌阀片的伏安特性曲线经实验测得。

　　2跨步电压安全限值判据

　　当雷击杆塔的入地电流经杆塔接地装置流入大地时，杆塔附近地电位抬升。若此时有人站在杆塔附近，就会承受两脚之间的跨步电压。为维护线路运行人员及其他人员的安全，必须严格将线路杆塔附近的跨步电压控制在允许的范围内。配电杆塔附近的跨步电压取决于杆塔对地电位，与大地的土壤电阻率及接地装置等因素有关。跨步电压在一般情况下产生最严重的后果是使人停止呼吸，或者导致心室纤维性颤动而造成循环障碍。

　　在雷击配电线路情况下，杆塔附近的跨步电压所引起的触电，其持续时间通常都不到几秒。在如此短的时间里，一般不会引起呼吸停止。因此在线路杆塔附近因跨步电压触电最严重的后果是引起心室纤维性颤动。这种颤动是指心肌随机收缩与迟缓，严重时它能导致心脏跳动衰竭而死亡。国内外在研究线路附近跨步电压造成的触电事故时，最关注的问题是流入人体心脏电流的大小。

　　3CDEGS接地仿真计算模型

　　以南方电网10kV架空线路典型设计为例，直埋式水泥杆一般采用杆塔自然接地形式:受力筋采用直径为12mm的螺纹钢，沿圆周布置12根，直径4mm高强钢丝做箍筋，间距100mm左右布置。

　　由于雷电流具有高频特性，无法直接计算其激励作用下的时域结果，故使用CDEGS软件的FFTSES模块的正向FFT变换功能将雷电流的时域形式分解为不同频率下的频域形式;之后使用HIFREQ模块分别计算不同频率下雷电流的频域响应;最后使用FFTSES模块的反向FFT变换功能将雷电流的频域响应转换为时域形式并叠加得到时域响应，即得到配电杆塔入地电流点附近的跨步电压。使用相同方法可得到其他雷电流、土壤电阻率条件下的跨步电压，之后通过CDEGS仿真结果与跨步电压安全限值相对比，得到不同雷电流不同土壤电阻率条件下配电杆塔周围跨步电压的安全距离。

　　杆塔附近的跨步电压随雷电流的增大而增大，且在不同土壤电阻率下增加的程度不同:土壤电阻率越大，跨步电压随雷电流增大的程度越大。由于雷击配电杆塔的电流的幅值是随机的，故土壤电阻率较小的情况下配电杆塔周围相对安全。在雷电流一定的条件下，跨步电压随土壤电阻率的增大总体呈现增大状态，但在雷电流较小的情况下，土壤电阻率的变化对跨步电压影响不大:雷电流10kA时的跨步电压均为6m，跨步电压基本不随土壤电阻率变化;雷电流30kA时的跨步电压为8～9m，受土壤电阻率的影响依然较小。

　　此外，土壤电阻率对跨步电压的影响呈现饱和趋势，当土壤电阻率增大到一定程度时，跨步电压基本维持在某个定值:雷电流在10kA、30kA、50kA、70kA、100kA、150kA、200kA时，随着土壤电阻率增大，跨步电压基本维持在6m、9m、12m、15m、18m、21m、25m。原因是随着土壤电阻率的增大，入地电流在土壤上的压降增大，从而使得跨步电压增大;但随着土壤电阻率增大，雷电流在导线上的分流增大，杆塔的入地电流减小。综合二者相对效应，随着土壤电阻率的增大，跨步电压基本维持在某个定值。

　　4结论与展望1)杆塔附近的跨步电压随雷电流的增大而增大，且在不同土壤电阻率下增加的程度不同:土壤电阻率越大，跨步电压随雷电流增大的程度越大;土壤电阻率越小，配电杆塔周围越安全。2)雷电流较小的情况下，土壤电阻率的变化对跨步电压影响不大。

　　3)土壤电阻率对跨步电压的影响呈现饱和趋势，当土壤电阻率增大到一定程度时，跨步电压基本维持在某个定值。通过搭建ATP-EMTP仿真计算模型，得到不同雷电流雷击杆塔时的入地电流;通过CDEGS分析了雷击配电线路杆塔时的跨步电压，得到了不同入地电流及土壤电阻率条件下杆塔附近的安全距离，并分析了跨步电压安全距离随土壤电阻率的变化规律。但由于篇幅所限，笔者未探究雷击配电线路 导线或避雷线情况下的跨步电压安全距离，可作为进一步的研究方向。

　　参考文献:

　　[1]韩永霞，张杰，赵宇明，刘国伟，何秋萍，李立浧.基于柔性直流的±10kV配电网雷电侵入波过电压仿真[J].高电压技术，2018，44(8):2533-2540.HANYongxia，ZHANGJie，ZHAOYuming，LIUGuowei，HEQiuping，LILiying.Simulationonthelightningintrudingovervoltageofthe±10kVDCdistributionnetworkbasedonVSC-DC[J].HighVoltageEngineering，2018，44(8):2533-2540.

　　[2]王博闻，陆佳政，方针，蒋正龙，彭永晶，胡建平，吴伟.一种10kV配电线路防雷复合绝缘子的绝缘设计及防雷性能[J].电网技术，2018，42(6):2001-2008.WANGBowen，LUJiazheng，FANGZhen，JIANGZhenglong，PENGYongjing，HUJianping，WUWei.Studyoninsulationdesignandlightningprotectionperformanceoflightningprotectioncompositeinsulatorsfor10kVdistributionline[J].PowerSystemTechnology，2018，42(6):2001-2008.

　　[3]张金波，彭晓宇，王磊，梁仕斌，唐雅丽，张其林.复杂地形下架空线雷电感应过电压特性仿真研究[J/OL].高电压技术，2019(11):3708-3714.

　　作者：刘致君1，汪进锋2，焦彦军1，曾繁杰3，林万成4