摘要：通过对某山区配电线路的研究，找出了配电线路在防雷措施和绝缘配合上存在的缺陷，通过有限元仿真软件分析不同地形地貌环境下雷害差异性的原因，建立了合理仿真模型。结果表明：配电线路雷害情况与线路所处地形地貌有关，位于山坡倾角较大或土壤电阻率较低的配电线路，其雷害事故频繁严重；位于建筑区配电线路，由于受到高层建筑屏蔽保护，雷害相对较小，线路运行可靠性较高。
关键词：配电线路；雷害；地形地貌；有限元仿真软件
前言
某山区，春夏两季雷电活动频繁，电网雷害较多。虽然目前国内外学者已对影响杆塔雷击率因素有了研究，但仍未对影响山区地带线路杆塔雷击率因素进行研究。因此，找出地形地貌对山区配电线路雷害的影响，对减少该地的雷害事故，从而确保配电网供电可靠性和安全稳定运行，具有重要作用。
1地形环境对山区配网线路雷害的影响
配电线路相对于主网输电线路而言，具有杆塔尺寸小、电压等级低等特点，对雷电的吸引也明显弱于主网线路。由于配电线路整体绝缘水平较低，受周围雷电、地形地貌等因素的影响也更为严重。通过参照山区配电线路走廊跨越的地形地貌特点，结合地形环境、房屋结构等因素，选取多种可能造成雷电先导下配电线路空间电场分布差异性的影响因子，该文在计算不同地形下的线路空间电场分布时，假设下行先导的空间位置已发展至一级定位点之下，地面凸出物体已发出多个向上的迎面先导，而决定雷电先导发展的重要因素即配电线路周围的空间电场分布。
1.1建筑物群对区域雷害的差异性
在保证计算结果可靠有效的前提下，忽略空气中带电粒子、建筑物材料类型及结构对空间电场的影响，统一材料为混凝土的长方体形建筑进行替代，混凝土的相对介电常数取为15，电导率为0.01S/m。雷电下行先导等效为一均匀柱状棒形电极，电位为-500kV且距离地面300m。设建筑物（群）与线路杆塔相距20m，分别对不同建筑物高度下的电力线路空间电场进行模拟仿真。从仿真结果可以看出，由于建筑物（群）表面感应电荷的作用，使线路在雷电先导下的空间电场有明显的削弱。当周围建筑物（群）高度与线路杆塔高度相近时，由于建筑物楼角处电场畸变的影响，使线路杆塔电场值也有明显增大；但随着建筑物高度不断增加，建筑物附近线路杆塔空间电场畸变又得到有效缓解，杆塔表面最大电场强度也有极大程度降低。这表明，地面建筑物对线路杆塔存在明显屏蔽作用，高度相差越大屏蔽作用越明显；但当地面建筑物与线路杆塔高度相近时，由于两者电场畸变点相距较近，反而加剧了空间电场的畸变，致使电场畸变程度增加。
由于住宅区的建筑物普遍高于配电线路杆塔，使线路杆塔表面电场强度得到削弱，不仅能免遭直击雷的损害，还降低了居民区附近配电线路的感应雷过电压幅值，有效避免配电线路雷害事故发生。
1.2土壤电导率对区域雷击的差异性
通过对湖泊水域线路杆塔进行调研分析，并结合国内外雷击事故调查报告，对不同土壤条件下山区线路空间电场分布进行计算，分析土壤电导率对区域杆塔雷击影响。在仿真过程中，忽略天气及周围环境对杆塔雷击率影响，在杆塔接地良好条件下，通过改变土壤电导率，来讨论对杆塔雷击的影响。考虑到不同电导率土壤中电导值不同。在雷电先导向下发展过程中，伴随着下行先导不断下降，土壤中电荷通常是沿着电导率较大路径流通，即位于土壤电导率较大电力线路更容易积聚大量与下行先导极性相反的电荷，形成相对较强电场。故位于湿润土壤地带杆塔相较于位于干土、岩石地区杆塔更容易遭受雷电袭击或形成幅值较高的感应雷过电压。
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1.3地面倾角对区域雷害的影响
从山区雷击事故调研中发现，除位于湖泊水域、平原开阔地线路杆塔容易遭受雷击外，山脊或山坡也是雷电事故高发地形。最有可能导致山坡配电线路雷害差异性影响因素即山坡倾角。因此，在忽略山坡周围环境对线路空间电场分布影响基础上，运用电气几何模型对不同地面倾角下山区配电线路雷害情况进行分析。
2雷害事故原因分析
通过对雷击地形因子的研究，选取2级雷害事故多发10kV配电线路杆塔，对其频发遭受雷击原因分析，对线路实际地形地貌进行采样，考虑到雷击是一种长间隙放电，将下行先导等效为一个均匀柱状棒电极，将其电位设置为-500kV，为保证下行先导已发展至一级定位点之下，假设其距地面高度为300m。H为下行先导与大地之间的距离；L为下行先导与各杆塔之间的距离；h为杆塔高度。
2.1山坡稻田线路杆塔雷害原因分析
一方面由于冷空气受到山地地形阻滞作用不断下沉，加剧其堆积发展；另外农田地区水体丰富，在高温天气作用下，易形成局部高压暖湿气流沿山坡锋面不断爬升，这样会使土壤电阻率升高，形成更高幅值感应雷过电压，从而导致雷暴气候形成。由于山坡地形出的线路杆塔海拔相对较高，增强了雷云底部大气静电场和场强畸变，极大增加了雷电对地面放电频率，也就提高了感应雷过电压发生的次数，导致更多感应雷过电压事故。
通过对杆塔空间电场分布情况分析，山坡稻田处土壤电导率较大，在雷电放电过程中，电荷沿着电导率较大路径流通在杆塔附近形成积聚与雷云异号电荷，形成强电场分布造成雷电灾害。
2.2平原开阔地形下线路杆塔雷害原因分析
该线路杆塔位于小山环绕下的平原开阔地带，周围除了部分村落聚居地外，均为低矮农作物。与普通平原地区不同，由于大面积的低矮农作物增大了地面粗糙度，使冷暖空气交汇时摩擦力增大，极易形成雷雨、雷暴天气。此外，从该线路空间电场分布情况中发现，在同等条件下，位于村落附近的线路杆塔由于受到周围建筑物屏蔽保护作用，较难形成大范围强电场分布；而空旷地带的线路杆塔由于高出地表面，易形成空间电场畸变，造成迎面先导，并吸引下行先导形成贯穿流注，导致雷击杆塔事故的发生。
3结语
笔者从线路杆塔的雷击率出发，根据山区线路走廊跨越地形地貌特点，运用有限元仿真分析软件建立了不同地质条件下杆塔模型选取了住宅区建筑物高度、土壤电导率及山坡倾角3种可能造成线路杆塔雷击率差异性的影响因素，分别对其进行分析研究。
1）随着建筑高度增加，其对周围线路杆塔的屏蔽效果也愈加明显，但当建筑物与线路基本等高时，由于两者电场畸变点相距较近，反而加剧了空间电场的畸变，致使电场畸变程度增加，从而更容易引发感应雷击事故。
2）山区土壤电导率对杆塔电荷积聚有重要影响作用，位于湿润土壤地带的杆塔相较于位于干土、岩石地区杆塔更容易遭受雷电袭击或形成幅值较高的感应雷过电压。
3）随着山坡倾角的增大，位于海拔较高处杆塔引雷能力也随之增强。基于雷击杆塔率差异性影响因素的研究，对山区10kV配电线雷电灾害频发线路的雷害原因进行研究，为后续差异性防雷措施打下基础。
参考文献：
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[2]耿屹楠,曾嵘,李雨,等.输电线路防雷性能评估中的复杂地形地区模型[J].高电压技术,2010,36(6):1501-1505.
论文作者:胡志江
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/17
标签：杆塔论文; 线路论文; 雷害论文; 电场论文; 地形论文; 先导论文; 雷电论文; 《电力设备》2017年第31期论文;