35 kV架空線路進(jìn)線段桿塔避雷器安裝位置的仿真分析

郝 捷，郝登樸， 席楚妍

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國(guó)網(wǎng)運(yùn)城供電公司，山西 運(yùn)城 044000;3.國(guó)網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030001）

35 kV架空線路進(jìn)線段桿塔避雷器安裝位置的仿真分析

郝 捷1，郝登樸2， 席楚妍3

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國(guó)網(wǎng)運(yùn)城供電公司，山西 運(yùn)城 044000;3.國(guó)網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030001）

35 kV架空線路應(yīng)在距離變電站1～2 km的線路上架設(shè)避雷線。進(jìn)線段防雷作為變電站防雷的第一道防線，其防雷效果直接決定發(fā)生雷擊時(shí)站內(nèi)各一次設(shè)備的過電壓水平。以某實(shí)際35 kV線路末端雷電波頭過電壓作為衡量進(jìn)線段防雷性能的依據(jù)，分析進(jìn)線段避雷器的安裝位置對(duì)線路末端雷電波頭過電壓峰值的影響，探尋進(jìn)線段桿塔線路避雷器最佳的安裝位置[1]，[2]。

架空線路；進(jìn)線段桿塔；雷電過電壓

1 進(jìn)線段桿塔仿真模型的建立

35 kV架空線路因?yàn)楦骰鶙U塔所處地理環(huán)境不同，會(huì)造成桿塔參數(shù)有所差別，本文目的是研究進(jìn)線段內(nèi)線路避雷器不同安裝位置對(duì)線路防雷的影響，因此必須屏蔽桿塔本身參數(shù)變化對(duì)研究結(jié)果造成影響。因此，本文依據(jù)某實(shí)際線路建立了5基（53號(hào)—57號(hào)） 同樣參數(shù)的上字型鐵塔，和1基（58號(hào)）三角型終端轉(zhuǎn)角塔共6基桿塔構(gòu)成的，該線路進(jìn)線段防雷仿真系統(tǒng)（見圖1）。

該線路進(jìn)線段5基上字型鐵塔的三相導(dǎo)線按上字型排列，線路全線架設(shè)單避雷線，接地電阻和絕緣水平均設(shè)為一致，其中接地電阻取10 Ω，絕緣水平采取4片XP-70瓷絕緣子配置，線路三相均不加設(shè)避雷器。其桿塔的呼稱高均設(shè)為15 m，對(duì)應(yīng)的集中電感值為7.5 μm，橫擔(dān)長(zhǎng)度為2.3 m，對(duì)應(yīng)的集中電感值為1.15 μm，相鄰桿塔之間的擋距為400 m。1基三角型終端轉(zhuǎn)角塔的三相導(dǎo)線按三角型排列，接地電阻和絕緣水平與5基上字型桿塔設(shè)為一致，即接地電阻取10 Ω，絕緣水平采取4片XP-70瓷絕緣子配置，線路三相均不加設(shè)避雷器。三角型終端轉(zhuǎn)角塔的呼稱高設(shè)為15 m，對(duì)應(yīng)的集中電感值為7.5 μm，橫擔(dān)長(zhǎng)度為2.8 m，對(duì)應(yīng)的集中電感值為1.4 μm，終端桿塔與上字型鐵塔之間的擋距為400 m。

以56號(hào)—58號(hào)三基桿塔作為該線路進(jìn)線段，仿真研究雷擊55號(hào)上字型鐵塔頂部時(shí)，在56號(hào)—58號(hào)桿塔選擇不同的線路避雷器安裝位置對(duì)線路末端雷電波頭過電壓峰值的影響。

2 避雷器安裝位置對(duì)線路末端雷電過電壓仿真研究

2.1 絕緣子未閃絡(luò)時(shí)避雷器安裝位置對(duì)過電壓的影響

從中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)與絕緣配合》中可知，35 kV架空線路進(jìn)線段桿塔耐雷水平不應(yīng)低于30 kA。經(jīng)仿真計(jì)算，本文建立35 kV線路模型進(jìn)線段的56號(hào)、57號(hào)和58號(hào)桿塔未安裝線路避雷器時(shí)，其耐雷水平均在30 kA以上，符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 架空線路進(jìn)線段線路避雷器仿真分析研究模型截圖

將幅值為30 kA（低于線路耐雷水平） 的雷電流擊到55號(hào)桿塔塔頂，仿真發(fā)現(xiàn)各桿塔三相絕緣子均未閃絡(luò)，在進(jìn)線段未加裝線路避雷器時(shí)，該線路末端波頭電壓波形及幅值如圖2所示。

雷擊55號(hào)塔頂，雷電流一部分通過55號(hào)桿塔自身接地裝置導(dǎo)入大地，另一部分通過避雷線流向相鄰附近桿塔，絕緣子未發(fā)生閃絡(luò)則代表線路未發(fā)生接地故障，由于雷電感應(yīng)，三相導(dǎo)線均受到感應(yīng)過電壓的干擾，在線路末端產(chǎn)生過電壓，其中B、C兩相均達(dá)到70 kV以上。

圖2 未加避雷器時(shí)線路末端電壓波形圖

同樣幅值的雷電流擊到55號(hào)桿塔，在進(jìn)線段58號(hào)桿塔加裝三相線路避雷器時(shí)，該線路末端波頭電壓波形及幅值如圖3所示。

圖3 加裝避雷器時(shí)線路末端電壓波形圖

對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)幅值為30 kA的雷電流擊到線路，在線路終端桿塔已加裝和未加裝三相避雷器時(shí)，由于雷擊而在線路末端產(chǎn)生的過電壓幅值基本一致。因此得出結(jié)論，當(dāng)幅值小于線路耐雷水平的雷電流擊到線路，各桿塔三相絕緣子均未發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，線路進(jìn)線段有無安裝線路避雷器對(duì)于由雷擊而產(chǎn)生的線路末端雷電波頭過電壓沒有影響。

2.2 絕緣子閃絡(luò)時(shí)避雷器安裝位置對(duì)過電壓的影響

將幅值為40 kA（超過線路耐雷水平） 的雷電流擊到55號(hào)桿塔塔頂，此時(shí)該桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，進(jìn)線段未加裝線路避雷器時(shí)，其線路末端波頭電壓波形和幅值如圖4所示。

圖4 未加避雷器時(shí)線路末端電壓波形圖

過高的雷電流擊中線路，使絕緣子兩端產(chǎn)生高電位差從而發(fā)生閃絡(luò)，雷電波得以侵入導(dǎo)線，在線路末端產(chǎn)生過電壓，其幅值最高可達(dá)到614 kV，嚴(yán)重威脅變電站內(nèi)各一次設(shè)備的安全正常運(yùn)行。

同樣幅值的雷電流擊到55號(hào)桿塔，當(dāng)進(jìn)線段58號(hào)塔即終端桿塔B、C兩相安裝線路避雷器時(shí)，其線路末端波頭電壓波形和幅值如圖5所示。

圖5 B、C相加裝避雷器時(shí)線路末端電壓波形圖

由圖5可知，當(dāng)線路終端桿塔B、C兩相安裝線路避雷器時(shí)，相同幅值的雷電流在線路末端產(chǎn)生的過電壓得到有效抑制，A相導(dǎo)線過電壓最高，僅為421 kV。

同樣幅值的雷電流擊到55號(hào)桿塔，當(dāng)進(jìn)線段58號(hào)塔即終端桿塔安裝三相線路避雷器時(shí)，其線路末端波頭電壓波形和幅值圖6所示。

圖6 三相加裝避雷器時(shí)線路末端電壓波形圖

由圖5可知，當(dāng)線路終端桿塔三相安裝線路避雷器時(shí)，相同幅值的雷電流在線路末端產(chǎn)生的過電壓得到有效抑制，B相最高過電壓僅為243 kV。

當(dāng)進(jìn)線段57號(hào)、58號(hào)兩桿塔連續(xù)安裝三相線路避雷器時(shí)，相同的雷電流擊到55號(hào)桿塔，其線路末端波頭電壓波形和幅值如圖7所示。

圖7 57號(hào)、58號(hào)桿塔三相加裝避雷器時(shí)線路末端電壓波形圖

當(dāng)進(jìn)線段內(nèi)的56號(hào)、57號(hào)和58號(hào)三基桿塔連續(xù)安裝線路避雷器時(shí)，相同的雷電流擊到55號(hào)桿塔，其線路末端波頭電壓波形和幅值如圖8所示。

圖8 56號(hào)、57號(hào)、58號(hào)桿塔加裝避雷器時(shí)線路末端電壓波形圖

當(dāng)進(jìn)線段內(nèi)的56號(hào)、57號(hào)和58號(hào)3基桿塔間斷安裝線路避雷器時(shí)，即56號(hào)和58號(hào)桿塔安裝而57號(hào)桿塔未安裝避雷器，相同的雷電流擊到55號(hào)桿塔，其線路末端波頭電壓波形和幅值如圖9所示。

圖9 56號(hào)、58號(hào)桿塔加裝避雷器時(shí)線路末端電壓波形圖

通過以上的仿真分析，得出進(jìn)線段線路避雷器不同的加裝方式下，線路末端雷電波頭過電壓峰值如表1所示。

表1 線路避雷器不同設(shè)置下線路末端過電壓峰值表

通過對(duì)線路末端三相電壓波形圖以及過電壓峰值的對(duì)比可以得出：在架空線路進(jìn)線段安裝線路避雷器能有效降低因線路遭受雷擊致使絕緣子閃絡(luò)而在線路末端產(chǎn)生的過電壓的峰值；在線路終端桿塔僅B、C兩相安裝線路避雷器時(shí)，線路末端B相、C相導(dǎo)線的過電壓峰值得到有效抑制，但未安裝避雷器的A相導(dǎo)線其過電壓仍然高達(dá)421kV；在進(jìn)線段逐基加裝線路避雷器的情況下，隨著加裝避雷器的桿塔數(shù)的增加，線路末端過電壓峰值有所降低但幅度不大；相比較而言，在進(jìn)線段兩基桿塔安裝線路避雷器時(shí)，間斷安裝的方式要比連續(xù)安裝方式對(duì)線路末端過電壓峰值的影響大。

由此可以說明，架空線路進(jìn)線段安裝線路避雷器能有效降低因線路遭受雷擊致使絕緣子閃絡(luò)而在線路末端產(chǎn)生的過電壓的峰值，從而保護(hù)變電站內(nèi)各一次設(shè)備的正常運(yùn)行。兩相安裝線路避雷器能有效提高桿塔的耐雷水平，但對(duì)于線路末端，僅安裝相導(dǎo)線過電壓能得到有效抑制，未安裝線路避雷器的一相其過電壓仍然很高，因此在進(jìn)線段安裝線路避雷器時(shí)應(yīng)選擇三相安裝的方式。而在進(jìn)線段逐基加裝避雷器，雖然能夠提高安裝避雷器的各基桿塔的耐雷水平，但并不能大幅度降低線路末端的過電壓峰值。一般情況下，進(jìn)線段各基桿塔的耐雷水平均能達(dá)到國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在這種情況下，可以選擇僅在線路終端桿塔處安裝三相避雷器，以提高線路的防雷效果，降低線路末端雷電過電壓，使變電站內(nèi)各設(shè)備避免受到過電壓的威脅。

3 小結(jié)

本文利用ATP-EMTP軟件建立了由5基（53號(hào)—57號(hào)） 同樣參數(shù)的上字型鐵塔和1基（58號(hào)）三角型終端轉(zhuǎn)角塔構(gòu)成的35 kV線路進(jìn)線段防雷仿真系統(tǒng)，并以56號(hào)—58號(hào)桿塔作為進(jìn)線段，仿真研究進(jìn)線段線路避雷器安裝位置的選擇對(duì)35 kV架空線路末端雷電沖擊過電壓峰值的影響，通過仿真分析可知如下幾點(diǎn)。

a）當(dāng)幅值小于線路耐雷水平的雷電流擊到桿塔上，各桿塔三相絕緣子均未發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，線路進(jìn)線段是否安裝避雷器對(duì)于雷擊而產(chǎn)生的線路末端雷電波頭過電壓沒有影響。

b）當(dāng)幅值大于線路耐雷水平的雷電流擊到桿塔上時(shí)，在架空線路進(jìn)線段桿塔三相安裝避雷器能有效降低因線路遭受雷擊致使絕緣子閃絡(luò)而在線路末端產(chǎn)生的過電壓的峰值。

c）由于進(jìn)線段逐基加裝避雷器的方式對(duì)線路末端的過電壓峰值的影響與僅在終端桿塔加裝避雷器時(shí)相差不大。

綜上所述，在實(shí)際工程中當(dāng)進(jìn)線段各基桿塔的耐雷水平均能達(dá)到國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求時(shí)，可以選擇僅在線路終端桿塔處安裝三相避雷器。

[1] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合：DL/T620—1997.[S].北京：中國(guó)電力出版社，1997.

[2] 肖國(guó)斌.應(yīng)用線路避雷器提高交流輸電線路耐雷水平 [J].電力建設(shè),2003(9)∶27-29.

[3] 陳鳴輝，何智強(qiáng)，劉興文，等.110 kV變電站雷電過電壓的仿真研究[J].湖南電力,2009(3)∶12-15.

[4] 趙毅，徐瑋，李福壽.220 kV無避雷線長(zhǎng)江大跨越段氧化鋅避雷器通流容量計(jì)算[J].高電壓技術(shù),1993(3)∶60-64.

Simulation Analysis of Lightning Arrester's Installation Position at Tower of 35 kV Transmission Lines

HAO Jie1,HAO Dengpu2,XI Chuyan3
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi030001,China;2.State Grid Yuncheng Power Supply Company of SEPC,Yuncheng,Shanxi044000,China;3.State Grid Taiyuan Power Supply Company of SEPC,Taiyuan,Shanxi030001,China）

Lightningshield lines should be installed at 35 kVoverhead lines where substations are 1-2 kmin distance.Incomingline lightning protection as the first protection for substation,its lightning protection effect directly determines the over-voltage level of the primaryequipments in the substation when lightningoccurs.In this paper,the actual over-voltage ofthe lightningline at the end ofa 35 kV line is taken as the basis for measuring the lightning protection performance of the incoming line.The influence of the installation position of the lightning arrester on the peak value of the over-voltage at the end of the line is analyzed,and the most appropriate position to install lightningarresters is explored.

overhead transmission lines;tower for lines;lightningover-voltage

TM862

A

1671-0320（2017）05-0055-05

2017-07-20，

2017-07-27

郝 捷（1988）男，山西運(yùn)城人，2015年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士，助理工程師，從事電網(wǎng)分析工作；郝登樸（1962），男，河南登封人，1982年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工程碩士，高級(jí)工程師，從事安全監(jiān)察及質(zhì)量管理等工作；席楚妍（1992），女，山西運(yùn)城人，2015年畢業(yè)于英國(guó)巴斯大學(xué)電力系統(tǒng)專業(yè)，碩士，助理工程師，從事農(nóng)網(wǎng)運(yùn)維專業(yè)。