單回配電線路全線安裝避雷器直擊雷保護(hù)特性研究

金 楊，汪進(jìn)鋒，楊 賢，魏俊濤，胡官印，于文博

（1．廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080；2．武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430072）

0 引 言

10 kV配電線路是輸電網(wǎng)和用戶端的重要連接，配電線路的安全運(yùn)行關(guān)系著對(duì)用戶的供電穩(wěn)定性［1，2］。雷擊無線路避雷措施的配電線路時(shí)，線路整體耐雷性能較差。國內(nèi)已對(duì)110 kV及以上的輸電線路采用避雷器后的防雷效果進(jìn)行了詳細(xì)分析，避雷器與線路絕緣子并聯(lián)，遭受雷擊時(shí)，若雷電流超過某一幅值，避雷器會(huì)動(dòng)作參與分流。由于避雷器殘壓低于絕緣子50%放電電壓，能夠鉗制絕緣子兩端的電壓差，保護(hù)絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)。雷電流流過后，避雷器能快速恢復(fù)絕緣強(qiáng)度，防止了線路的雷擊跳閘［3－7］。

本文針對(duì)配電線路直擊雷，對(duì)線路在全線避雷器配置密度情況下的保護(hù)特性進(jìn)行了研究，定量分析在雷擊桿塔和雷擊導(dǎo)線時(shí)，安裝避雷器在線路耐雷水平、泄放雷電流分布情況等方面的改善效果。

1 單回配電線路計(jì)算模型

本文計(jì)算模型參數(shù)根據(jù)“南方電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和典型造價(jià)平臺(tái)”［9］、《國家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)工程典型設(shè)計(jì)》［10］、DL／T5220－2005《10 kV及以下架空配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》［11］。選用配電線路導(dǎo)線型號(hào)為JL／G1A－120／20，檔距60 m，查表得導(dǎo)線弧垂為1．116 m。線路使用ATP－EMTP中的LCC模塊，仿真時(shí)根據(jù)精度的需要，選用J．Marti線路模型，該模型能直接計(jì)算架空避雷線與相導(dǎo)線之間的耦合以及大地回路的趨膚效應(yīng)，簡化了計(jì)算步驟。

建立的單回配電線路模型如圖1，電能從變電站處發(fā)出經(jīng)過一段電纜送至架空線路，在電纜和架空線路的連接處設(shè)有避雷器保護(hù)；架空線路終端有配電變壓器，配電變壓器處設(shè)有避雷器保護(hù)。全線架空線路長10．02 km，其中電纜長200 m，在軟件 ATP－EMTP中建立了仿真計(jì)算電路，線路桿塔編號(hào)從首端至線路末端依次為1～168號(hào)。

2 全線安裝避雷器時(shí)直擊雷保護(hù)特性分析

2.1 耐雷水平

當(dāng)每基桿塔每相均加裝避雷器保護(hù)時(shí)，由于避雷器的鉗制作用，全線絕緣子不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。5 kA等級(jí)線路避雷器的通流能力極限是10 kA放電2次、5 kA放電20次。本節(jié)計(jì)算了被擊桿避雷器不同放電電流時(shí)對(duì)應(yīng)的耐雷水平，如表1所示。

從表1計(jì)算結(jié)果看到，全線安裝避雷器后，線路的直擊雷耐雷水平有較大提高。相對(duì)于只安裝絕緣子線路，當(dāng)避雷器放電電流為5 kA等級(jí)時(shí)，雷擊相導(dǎo)線耐雷水平提高了3．5倍左右，雷擊桿塔的耐雷水平提高了1．4倍多。當(dāng)避雷器放電電流為10 kA等級(jí)時(shí)，雷擊相導(dǎo)線的耐雷水平提高了7．3倍，雷擊桿塔的耐雷水平提高了近3．6倍。安裝避雷器對(duì)耐雷水平提升效果與避雷器通流能力有關(guān)，通流能力越強(qiáng)，效果越明顯。

表1 直擊雷耐雷水平計(jì)算結(jié)果

2.2 雷擊桿塔時(shí)入地電流分布

當(dāng)全線加裝避雷器，在不同幅值雷電流直擊配電線路桿塔時(shí)，沿線入地雷電流的分布情況如圖2，分別計(jì)算雷電流幅值為30 kA和50 kA，取出兩邊各10桿的入地雷電流幅值。從圖2看出，當(dāng)雷直擊全線安裝避雷器的線路桿塔時(shí)，避雷器將提供雷電流的泄放通道，且雷電流也相對(duì)均勻地向兩邊分散，幅值逐漸遞減，沒有特別明顯地堆積在雷擊點(diǎn)附近的幾基桿塔處。

圖2 雷擊桿塔時(shí)入地雷電流分布

由于避雷器的通流能力有限，安裝避雷器的線路需要關(guān)注避雷器流過的電流和其吸收的能量。同時(shí)計(jì)算了雷電流幅值分別為30 kA和50 kA時(shí)，由雷擊點(diǎn)向兩邊取出各5桿的數(shù)值，流過每桿三相避雷器的電流和吸收能量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖1 配電線路模型

表2 避雷器仿真結(jié)果1

由表2可知雷擊桿塔時(shí)，三相避雷器分流和能量吸收比較均勻；被擊桿避雷器承受最大的雷電流、吸收最多的能量，往線路兩側(cè)會(huì)迅速降低。30 kA雷擊桿塔時(shí)，被擊桿避雷器流過的最大雷電流為6．68 kA，吸收能量約為17 kJ，在避雷器能承受范圍之內(nèi)；緊挨著被擊桿的相鄰桿塔避雷器流過的雷電流約為1．7 kA，吸收能量為1 kJ左右，降幅較大。

50 kA雷擊桿塔時(shí)，被擊桿避雷器流過的最大雷電流為11．56 kA，吸收能量約為34 kJ；緊挨著被擊桿的相鄰桿塔避雷器流過的雷電流約為3 kA，吸收能量為2 kJ左右。很明顯，在遭受大電流雷擊時(shí)，被擊桿塔的避雷器容易發(fā)生損壞。

2.3 雷擊相導(dǎo)線時(shí)入地電流分布

當(dāng)全線加裝避雷器，在不同幅值雷電流直

擊配電線路相導(dǎo)線時(shí)，沿線入地雷電流的分布情況如圖3，分別計(jì)算雷電流幅值為30 kA和50 kA，取出兩邊各10桿的入地雷電流幅值。從圖3看出，當(dāng)雷直擊全線安裝避雷器的線路桿塔時(shí)，入地電流分布情況與雷擊桿塔時(shí)類似，雷電流也相對(duì)均勻地向兩邊分散，幅值逐漸遞減，沒有特別明顯地堆積在雷擊點(diǎn)附近的幾基桿塔處。同樣計(jì)算了雷電流幅值分別為30 kA和50 kA時(shí)，流過每桿三相避雷器的電流和吸收能量，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖3 雷擊導(dǎo)線時(shí)入地雷電流分布

表3 避雷器仿真結(jié)果2

由表3可知雷擊上相導(dǎo)線時(shí)，上相避雷器流過的雷電流和吸收能量是三相避雷器里相對(duì)最大的；同樣在被擊點(diǎn)處的桿塔流過最大的雷電流，流過線路兩側(cè)遠(yuǎn)處避雷器的雷電流會(huì)迅速減小。30 kA雷擊相導(dǎo)線時(shí)，被擊點(diǎn)處桿塔上相避雷器流過的雷電流為11．29 kA，吸收能量約為6．36 kJ，而左、右相避雷器流過的雷電流為0．79 kA，吸收能量僅0．28 kJ；明顯上相避雷器會(huì)更容易發(fā)生擊穿損壞等故障。

50 kA雷擊相導(dǎo)線時(shí)，被擊點(diǎn)處的兩側(cè)桿塔上相避雷器流過的雷電流高達(dá)19．51 kA，吸收能量約為13．8 kJ，而左、右相避雷器流過雷電流僅為2．1 kA，吸收能量僅1．2 kJ左右。在雷擊相導(dǎo)線的工況下，由于分流不均，被擊相的避雷器會(huì)遭到損壞威脅。

3 結(jié) 論

（1）全線安裝避雷器時(shí)線路的直擊雷耐雷水平有較大提高。相對(duì)于只安裝絕緣子線路，當(dāng)避雷器放電電流為5 kA等級(jí)時(shí)，雷擊相導(dǎo)線耐雷水平提高了3．5倍左右，雷擊桿塔的耐雷水平提高了1．4倍多。當(dāng)避雷器放電電流為10 kA等級(jí)時(shí)，雷擊相導(dǎo)線的耐雷水平提高了7．3倍，雷擊桿塔的耐雷水平提高了近3．6倍。

（2）雷擊桿塔時(shí)，三相避雷器分流和能量吸收比較均勻；被擊桿避雷器承受最大的雷電流、吸收最多的能量，往線路兩側(cè)會(huì)迅速降低。

（3）雷擊上相導(dǎo)線時(shí)，上相避雷器流過的雷電流和吸收能量是三相避雷器里相對(duì)最大的；同樣在被擊點(diǎn)處的桿塔流過最大的雷電流，流過線路兩側(cè)遠(yuǎn)處避雷器的雷電流會(huì)迅速減小。