10 kV線路穿刺型避雷器安裝配置實(shí)驗(yàn)與仿真研究

陳輝榮，陳朝興

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通 657000）

0 前言

10 kV 架空線路絕緣水平低、基本不配置避雷線、大部分電桿自然接地，耐雷水平較低，雷擊跳閘故障頻繁，雷擊已成為10 kV 架空線路跳閘故障的主要原因之一[1]。用于10 kV 架空線路防雷的措施眾多[2]，如放電間隙[3]、防雷絕緣子[4]、多腔室吹弧防雷裝置[5]，但目前使用量最大的措施為避雷當(dāng)器，特別是穿刺型避雷器，由于安裝方便、間隙可調(diào)，可有效截?cái)喙ゎl續(xù)流，穿刺型避雷器在10 kV 架空線路中得到了廣泛應(yīng)用，安裝數(shù)量龐大。但在實(shí)際應(yīng)用中，穿刺型避雷器仍存在以下問(wèn)題：①穿刺型避雷器安裝位置不當(dāng)，間隙放電位置偏移，導(dǎo)致避雷器不能有效動(dòng)作；②穿刺型避雷器安裝密度不合適，導(dǎo)致線路整體耐雷水平提升有限。因此，對(duì)10 kV 線路穿刺型避雷器安裝配置方式開(kāi)展研究，對(duì)配網(wǎng)防雷性能提升具有重要意義。

目前對(duì)10 kV 線路避雷器的安裝配置方式，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了部分研究。文獻(xiàn)[6]仿真分析了在不同接地條件下只安裝單相避雷器對(duì)同級(jí)其它相絕緣子的影響及只安裝一級(jí)對(duì)相鄰級(jí)絕緣子的影響，提出了接地電阻的安裝要求；文獻(xiàn)[7]分析不同避雷器類型、不同桿塔沖擊接地電阻以及雷擊位置等對(duì)避雷器防護(hù)效果的影響并并分析其保護(hù)范圍，提出需要每隔6～8 基桿塔安裝一組避雷器的建議；文獻(xiàn)[8]對(duì)比分析采用避雷線和避雷器對(duì)線路感應(yīng)過(guò)電壓的防護(hù)效果，得出避雷器抑制過(guò)電壓效果更為明顯的結(jié)論；文獻(xiàn)[9]計(jì)算了避雷器安裝間距與線路閃絡(luò)降低百分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系曲線，建議每隔300 m 裝一組避雷器。上述研究為避雷器的安裝配置方式提供了參考指導(dǎo)建議，但仍存在較大的局限性：①10 kV 線路以遭受感應(yīng)雷為主，雷擊會(huì)導(dǎo)致附近的桿塔均可能發(fā)生雷擊閃絡(luò)，未加裝避雷器的桿塔會(huì)成為雷擊薄弱點(diǎn)，線路雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)依然較高，在安裝密度上仍有待繼續(xù)優(yōu)化；②10 kV 線路避雷器大部分都帶有串聯(lián)空氣間隙，其防雷效果與安裝位置關(guān)系密切，放電間隙距離調(diào)節(jié)、金具安裝位置均成為防雷效果的關(guān)鍵影響因素。

本文首先開(kāi)展了穿刺型避雷器雷電沖擊放電試驗(yàn)，分析了避雷器安裝方式對(duì)放電路徑的影響效果；然后基于ATP-EMTP 電磁暫態(tài)程序建立了安裝有避雷器的10 kV 線路雷擊過(guò)電壓仿真模型，對(duì)避雷器不同密度配置方式下的耐雷水平進(jìn)行了對(duì)比分析，綜合實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果，提出了10 kV 線路穿刺型避雷器最優(yōu)安裝配置方式，研究可為10 kV 線路防雷治理提供科學(xué)化參考建議。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

試驗(yàn)選用兩種典型10 kV 絕緣子：P-15 針式絕緣子，PS-20 柱式絕緣子，干弧距離分別為16 cm、20.8 cm，選用的穿刺型避雷器型號(hào)為YH5CX-13/40，穿刺電極外串間隙避雷器的高壓穿刺電極擠壓穿透導(dǎo)線絕緣層接觸芯線，將導(dǎo)線電位引出，避雷器本體高壓端設(shè)置一個(gè)半球電極，高壓穿刺電極與半球電極構(gòu)成串聯(lián)空氣間隙。

1.2 實(shí)驗(yàn)布置

根據(jù)DL/T 1292-2013《配電網(wǎng)架空絕緣線路雷擊斷線防護(hù)導(dǎo)則》中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行布置。絕緣子固定在高度不小于1 m 的絕緣支柱頂端，絕緣子鋼腳有效接地，采用的絕緣導(dǎo)線型號(hào)為JKYJ-150，絕緣導(dǎo)線中部固定在絕緣子頂部的溝槽之中。安裝穿刺電極外串間隙避雷器時(shí)，需要注意穿刺電極中軸線到絕緣子軸線距離取值應(yīng)該合適，在實(shí)驗(yàn)中需進(jìn)行調(diào)整。沖擊電壓發(fā)生器或工頻電壓發(fā)生器引出的高壓引線加在模擬導(dǎo)線上，與模擬導(dǎo)線任一側(cè)端部電氣相連。示波器接在與沖擊電壓發(fā)生器配套的分壓器信號(hào)輸出口，具體的試驗(yàn)布置如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷調(diào)整間隙的長(zhǎng)度，直到避雷器的正負(fù)極性50%放電電壓分別為絕緣子正負(fù)極性50% 放電電壓的70%～80% 之間時(shí)認(rèn)為滿足保護(hù)性能要求。按照該原則，實(shí)驗(yàn)最終確定穿刺型避雷器配合不同絕緣子時(shí)，對(duì)應(yīng)合適的間隙下正負(fù)極性50%雷電沖擊放電電壓如表1 所示。

表1 穿刺型避雷器對(duì)應(yīng)間隙的雷電沖擊放電電壓

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：如果穿刺電極中軸線到絕緣子中軸線的距離過(guò)短以及避雷器外串間隙距離過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)兩種異常放電現(xiàn)象，一種放電路徑是從穿刺電極導(dǎo)弧角開(kāi)始對(duì)絕緣子底座放電；另一種放電路徑是從穿刺電極內(nèi)部金屬部件開(kāi)始沿著絕緣導(dǎo)線外表面對(duì)絕緣子捆線放電，然后將絕緣子擊穿。這種兩種異常放電均沒(méi)有通過(guò)避雷器泄流，實(shí)際安裝中必須避免出現(xiàn)此種情況。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，當(dāng)調(diào)節(jié)穿刺電極中軸線到絕緣子中軸線的距離大于等于300 mm 時(shí)，且間隙距離合適，則不會(huì)出現(xiàn)異常放電現(xiàn)象。

在選定的固定間隙長(zhǎng)度下對(duì)穿刺型避雷器進(jìn)行正負(fù)極性雷電沖擊伏秒特性實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合出絕緣子、避雷器正負(fù)極性雷電沖擊伏秒特性曲線。圖2 和圖3 為穿刺型避雷器用于保護(hù)兩種絕緣子時(shí)以及該絕緣子的正負(fù)極性伏秒特性曲線，由圖可見(jiàn)，穿刺型避雷器與PS-20 型絕緣子的伏秒特性曲線配合明顯優(yōu)于P-15 型絕緣子，建議在線路加裝穿刺型避雷器的同時(shí)將絕緣子更換為PS-20 絕緣子。

圖2 穿刺型避雷器與P-15絕緣子配合時(shí)正負(fù)極性伏秒特性曲線

圖3 穿刺型避雷器與PS-20絕緣子配合時(shí)正負(fù)極性伏秒特性曲線

2 仿真研究

2.1 仿真模型

10 kV 配電線路雷害主要原因?yàn)楦袘?yīng)雷[10]，本文重點(diǎn)針對(duì)不同避雷器配置方式下的感應(yīng)雷耐雷水平進(jìn)行分析。由于雷電作用下配電線路三相線路同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓波[11]，本文計(jì)算中不考慮三相導(dǎo)線之間的耦合作用，在計(jì)算時(shí)采用單相線路計(jì)算感應(yīng)雷過(guò)電壓。在電磁暫態(tài)計(jì)算軟件ATP-EMTP 中，搭建配電架空線路的結(jié)構(gòu)模型，調(diào)用MODELS 語(yǔ)言編程的MOD 感應(yīng)過(guò)電壓子模塊仿真配電架空線路的感應(yīng)雷過(guò)電壓，建立雷電作用下配電架空線路感應(yīng)產(chǎn)生過(guò)電壓的模型。圖4 為線路兩端的感應(yīng)過(guò)電壓子模塊，該模塊為與配電架空線路特性阻抗具有相同數(shù)值的波阻抗，下端采用的4 個(gè)type60 電源，分別代表配電架空線路的兩觀測(cè)位置電壓UrA和UrB。

圖4 ATP 感應(yīng)過(guò)電壓子模塊

在感應(yīng)過(guò)電壓形成之后，將沿相反的方向產(chǎn)生兩個(gè)半波[12]。這就意味著離感應(yīng)雷的中心位置不同，則感應(yīng)過(guò)電壓的最大值不同。在以下仿真計(jì)算中假設(shè)雷擊在距離線路65 m 處，則可計(jì)算不同桿塔處的感應(yīng)過(guò)電壓幅值。仿真中，假設(shè)10 kV 配電線路采用PS-20 柱式絕緣子，其50%全波沖擊閃絡(luò)電壓幅值為125 kV，用閥值為125 kV 的壓控開(kāi)關(guān)來(lái)模擬該絕緣子。避雷器用三相MOV 元件表示，并輸入相應(yīng)伏安特性曲線數(shù)據(jù)，將元件與變壓器等效入口電容連接到對(duì)應(yīng)的過(guò)電壓計(jì)算模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

10 kV 線路穿刺型避雷器伏安特性特性曲線用三段線性化表示為：

伏安特性曲線圖形表示如圖5 所示：

圖5 避雷器伏安特性曲線

根據(jù)典型10 kV 線路參數(shù)，利用ATPDraw進(jìn)行耐雷水平仿真，搭建的單相仿真模型如圖6所示。

圖6 單相仿真模型

2.2 仿真結(jié)果

當(dāng)避雷器間隔裝設(shè)時(shí)，雷擊點(diǎn)不同，線路耐雷水平也不同，假定雷電通道至導(dǎo)線的垂直距離為50 m，通過(guò)仿真計(jì)算，可以得到避雷器不同配置方式下線路耐雷水平的變化規(guī)律。

1）全線安裝

全線安裝計(jì)算模型圖如圖7 所示，每相均配置有避雷器，計(jì)算得到感應(yīng)雷耐雷水平為180 kA。

圖7 耐雷水平計(jì)算模型

2）間隔一基安裝

間隔一基安裝避雷器的仿真模型如參照?qǐng)D8所示，只是避雷器安裝數(shù)量減少。

圖8 間隔一桿安裝避雷器時(shí)的雷擊點(diǎn)

如表2 所示的仿真計(jì)算結(jié)果，當(dāng)間隔二桿安裝避雷器時(shí)：

表2 間隔一桿安裝避雷器時(shí)線路的耐雷水平

①落雷點(diǎn)在1 號(hào)位置時(shí)，線路感應(yīng)雷耐雷水平為160 kA，是常規(guī)線路感應(yīng)雷耐雷水平的7.7 倍，防雷效果顯著。

②落雷點(diǎn)在2 號(hào)位置時(shí)，線路感應(yīng)雷耐雷水平為80 kA，是常規(guī)線路感應(yīng)雷耐雷水平的3.8倍，避雷器能有效改善相鄰未安裝避雷器的桿塔的防雷水平。

3）間隔二基安裝避雷器

間隔二桿安裝避雷器，雷擊點(diǎn)主要考慮如圖9 所示的兩種情況。

圖9 間隔二桿安裝避雷器時(shí)的雷擊點(diǎn)

如表3 所示的仿真計(jì)算結(jié)果，當(dāng)間隔二桿安裝避雷器時(shí)：

表3 間隔二桿安裝避雷器時(shí)線路的耐雷水平

①避雷器安裝間隔增大時(shí)，避雷器對(duì)相鄰未安裝避雷桿塔防雷效果的改善作用有所降低；

②落雷點(diǎn)在1 號(hào)位置時(shí)，線路耐雷水平仍為160 kA，和間隔一桿安裝避雷器耐雷水平一致。

4）間隔四基安裝避雷器

間隔四桿安裝避雷器，雷擊點(diǎn)主要考慮如圖10 所示的3 種情況。

圖10 間隔四桿安裝避雷器時(shí)的雷擊點(diǎn)

如表4 所示的仿真計(jì)算結(jié)果，當(dāng)間隔二桿安裝避雷器時(shí)：

表4 間隔四桿安裝避雷器時(shí)線路的耐雷水平

①落雷點(diǎn)距離避雷器安裝桿越遠(yuǎn)，線路的耐雷水平越低。

②隨著避雷器安裝間隔的加大，線路平均耐雷水平越低，防雷效果越差。

由上述分析可得，雷擊安裝有避雷器的桿塔時(shí)，該基桿塔的感應(yīng)雷耐雷水平與避雷器安裝密度無(wú)關(guān)，但臨近未安裝避雷器的桿塔的感應(yīng)雷耐雷水平與安裝密度關(guān)系密切相關(guān)。綜合比較幾種安裝方式，建議以隔基安裝避雷器為宜，全線最低的感應(yīng)雷耐雷水平可達(dá)到80 kA，是常規(guī)未安裝避雷器的線路感應(yīng)雷耐雷水平的3.8 倍，可防范大部分感應(yīng)雷造成的危害。

3 典型應(yīng)用

云南昭通10 kV 水泥線，線路投運(yùn)于2007年，平均海拔高度約1700 m，地形分布多為山頂或山坡，線路容易遭受雷擊。主線段全長(zhǎng)約20 km，共310 基電桿，導(dǎo)線全線采用JLG1A-150-20 型導(dǎo)線，絕緣子主要采用R5ET105L 型柱式絕緣子，2018 年前每年平均雷擊跳閘4 次左右，2018 年底進(jìn)行防雷專項(xiàng)治理，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，治理方案采取隔一基三相加裝穿刺型避雷器的方式。根據(jù)第2 章圖7 計(jì)算模型，可以擬合得到不同雷擊距離下線路耐雷水平，如圖11 所示。

圖11 不同雷擊距離下線路感應(yīng)雷耐雷水平

參考IEEE 標(biāo)準(zhǔn)[13]，可進(jìn)一步計(jì)算線路感應(yīng)雷跳閘率，在沿導(dǎo)線垂直方向?qū)λ械孛媛淅仔^(qū)間進(jìn)行積分，線路感應(yīng)雷跳閘率為：

式中，η為建弧率，一般取0.8；Ng為線路走廊地閃密度，在雷電定位系統(tǒng)中統(tǒng)計(jì)得到該條線路2019 年雷電地閃密度圖，如圖12 所示，地閃密度值為1.1873 次/（km2·A）。

圖12 2019年線路走廊地閃密度分布

根據(jù)上述參數(shù)，計(jì)算得到該線路加裝避雷器后2019 年理論雷擊跳閘率為4.72 次/（100 km·A），當(dāng)年實(shí)際雷擊跳閘1 次，同改造前的4 次相比下降了75%，換算為標(biāo)準(zhǔn)雷擊跳閘率為5 次/（100 km·A），實(shí)際運(yùn)行值與理論值較為吻合，印證了本方案的改造效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真研究，對(duì)10 kV 線路穿刺型避雷器安裝配置方式進(jìn)行了分析，獲得結(jié)論如下：

1）為避免出現(xiàn)雷擊異常放電現(xiàn)象，導(dǎo)致穿刺型避雷器本體沒(méi)有有效動(dòng)作，建議避雷器的穿刺電極中軸線到絕緣子中軸線的距離不得低于300 mm，對(duì)應(yīng)的避雷器外串聯(lián)空氣間隙跳閘宜調(diào)整為120 mm；

2）穿刺型避雷器與PS-20 型絕緣子的伏秒特性曲線配合優(yōu)于P-15 型絕緣子，同時(shí)PS-20型絕緣子的放電電壓高于P-15 型絕緣子，建議在安裝避雷器同時(shí)將絕緣子更換為PS-20 型絕緣子，既提高了線路絕緣水平，也提高了避雷器動(dòng)作準(zhǔn)確性；

3）落雷點(diǎn)在安裝有避雷器的桿塔附近時(shí)，該基桿塔耐雷水平穩(wěn)定在160 kA，與全線安裝密度無(wú)關(guān)，當(dāng)安裝密度越小，安裝的避雷器對(duì)臨近桿塔防雷作用改善效果越不明顯，隔基安裝避雷器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，全線所有桿塔最低耐雷水平也可達(dá)到80 kA，云南實(shí)際防雷改造線路理論計(jì)算結(jié)果及實(shí)際運(yùn)行效果印證了本文研究的避雷器安裝配置方式有效性。