10 kV配網(wǎng)線路中聚氨酯復(fù)合材料電桿耐雷水平研究

吳 雄，李德閣，聞集群，胡 虔， 董中強(qiáng)

(1.南瑞集團(tuán)有限公司，南京 210003； 2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074;3.電網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074； 4.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司， 北京 100192)

0 引 言

國(guó)內(nèi)10 kV配網(wǎng)線路基本都更換成絕緣導(dǎo)線，線路絕緣水平相比裸導(dǎo)線有明顯提高，但線路雷擊事故仍然頻頻發(fā)生，嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)供電的可靠性和安全性，因此提高配網(wǎng)線路的防雷技術(shù)已越來(lái)越被重視[1-3]。近些年，有大量文獻(xiàn)研究過(guò)配網(wǎng)線路防雷技術(shù)[4-7]，詳細(xì)論述了配網(wǎng)線路雷電感應(yīng)及過(guò)電壓閃絡(luò)，線路耐雷評(píng)估方法，線路先導(dǎo)發(fā)展繞擊等內(nèi)容。在工程現(xiàn)場(chǎng)提高配網(wǎng)線路防雷措施也有多種方案，如線路加強(qiáng)絕緣、不平衡絕緣、安裝避雷器，以及降低電桿接地裝置等[8-9]，其中配網(wǎng)采用復(fù)合材料電桿(如聚氨酯復(fù)合材料電桿)相比傳統(tǒng)水泥電桿，具備良好的穩(wěn)定性和絕緣性，可利用其對(duì)地絕緣的特點(diǎn)，提升該電桿段線路絕緣強(qiáng)度，顯著提高其雷電沖擊電壓，增強(qiáng)帶電作業(yè)的安全性[10-12]。該文通過(guò)仿真建模，系統(tǒng)研究配網(wǎng)復(fù)合材料電桿和傳統(tǒng)電桿的配合使用后線路絕緣水平特點(diǎn)，提出10 kV復(fù)合材料電桿線路的防雷方法及措施，增強(qiáng)線路的安全性和穩(wěn)定性。

1 10 kV復(fù)合材料電桿線路系統(tǒng)建模

10 kV聚氨酯復(fù)合材料電桿線路的防雷技術(shù)研究以ATP仿真計(jì)算為主，該文以滄州10 kV刑成5611線改造工程為例進(jìn)行系統(tǒng)建模，通過(guò)計(jì)算復(fù)合材料電桿代替原線路傳統(tǒng)電桿后，復(fù)合材料電桿的耐雷水平與雷擊跳閘率，來(lái)獲得復(fù)合材料電桿線路的防雷特性。

1.1 電桿

普通電桿根據(jù)電桿結(jié)構(gòu)，把電桿看作一個(gè)均勻參數(shù)，用波阻抗來(lái)模擬。滄州直線桿和終端桿均為同桿雙回線電桿，桿身為水泥桿，上橫擔(dān)掛載兩相導(dǎo)線、下橫擔(dān)掛載四相導(dǎo)線，左右對(duì)稱各分布一回線路，導(dǎo)線布置如圖1。對(duì)于普通電桿，鐵橫擔(dān)桿用多段波阻抗模擬，波阻抗取150 Ω，桿身則用300 Ω波阻抗模擬；對(duì)于復(fù)合電桿，桿身與普通桿無(wú)異，橫擔(dān)采用復(fù)合材料，用壓控開(kāi)關(guān)模擬。鐵橫擔(dān)桿和復(fù)合材料桿均使用FRP-10/1.0型復(fù)合針式絕緣子串，絕緣子串50%沖擊耐壓取為75 kV。10 kV水泥電桿由于自然接地，接地電阻較大，取為35 Ω。圖1中編號(hào)為1、2、3的導(dǎo)線分別對(duì)應(yīng)A1、B1、C1相，編號(hào)為4、5、6的導(dǎo)線分別對(duì)應(yīng)A2、B2、C2相。在ATP仿真中雷電流采用的是Slope-Ramp type13模型，波形采用2.6/50 μs，輸入波頭時(shí)間、波尾時(shí)間和雷電壓峰值，可得到雷電流波形如圖2所示。

圖1 滄州10 kV雙回線路導(dǎo)線布置(左)及桿頭結(jié)構(gòu)圖(右)Fig.1 Conductor layout (left) and pole head structure (right) of Cangzhou 10 kV double circuit line

圖2 ATP仿真中雷電流波形Fig.2 Lightning current waveform in ATP simulation

1.2 架空導(dǎo)線

10 kV線路不架設(shè)避雷線，直線桿呼高9.292 m、終端桿呼高11.196 m。導(dǎo)線型號(hào)為JKLGYJ-240/30，外徑28.52 mm，直流電阻為0.65 Ω/km，水平檔距60 m。橫擔(dān)上安裝FPQ-10/1.0型復(fù)合針式絕緣子，長(zhǎng)度210 mm，雷擊沖擊閃絡(luò)電壓75 kV。仿真系統(tǒng)中架空導(dǎo)線采用PI型模型。

1.3 絕緣閃絡(luò)

雷擊電桿或輸電線路時(shí)，當(dāng)絕緣子串兩端電壓超過(guò)絕緣子串的雷電沖擊耐受電壓時(shí)，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，此時(shí)輸電線路將由閃絡(luò)電弧通道經(jīng)電桿接地，并在線路上形成雷電侵入波。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，空氣間隙雷電沖擊50%閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)取500 kV/m，復(fù)合材料50%沖擊閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)為407 kV/m。

在ATP-EMTP中，利用壓控開(kāi)關(guān)模型來(lái)模擬絕緣子串和空氣間隙的閃絡(luò)。配電網(wǎng)為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，在單向故障的情況下運(yùn)行2 h，但考慮到雙回線路導(dǎo)線對(duì)稱布置，一回相導(dǎo)線對(duì)水泥電桿雷擊閃絡(luò)時(shí)，假定另一回亦同時(shí)對(duì)水泥電桿閃絡(luò)，于是引起雙回線的兩相閃絡(luò)，引起跳閘。

在鐵橫擔(dān)普通桿中，需考慮發(fā)生雷擊閃絡(luò)路徑包括：A1/A2相經(jīng)由空氣或絕緣子串對(duì)電桿閃絡(luò)(二者對(duì)稱)、C1/C2相經(jīng)由空氣或絕緣子串對(duì)電桿閃絡(luò)(二者對(duì)稱)、B1/B2相經(jīng)由空氣或絕緣子串對(duì)C1/C2相閃絡(luò)(二者對(duì)稱)、A1/A2相經(jīng)由空氣對(duì)B1/B2相閃絡(luò)(二者對(duì)稱)、A1/A2相經(jīng)由空氣對(duì)C1/C2相閃絡(luò)(二者對(duì)稱)。在復(fù)合材料橫擔(dān)中，以壓控開(kāi)關(guān)模擬經(jīng)由橫擔(dān)的閃絡(luò)過(guò)程，復(fù)合材料電桿需考慮發(fā)生的雷擊閃絡(luò)路徑包括：A1/A2相經(jīng)由空氣或絕緣子串及橫擔(dān)對(duì)電桿閃絡(luò)(二者對(duì)稱)、C1/C2相經(jīng)由空氣或絕緣子串及橫擔(dān)對(duì)電桿閃絡(luò)(二者對(duì)稱)、B1/B2相經(jīng)由空氣或絕緣子串及橫擔(dān)對(duì)C1/C2相閃絡(luò)(二者對(duì)稱)、A1/A2相經(jīng)由空氣對(duì)B1/B2相閃絡(luò)(二者對(duì)稱)、A1/A2相經(jīng)由空氣對(duì)C1/C2相閃絡(luò)(二者對(duì)稱)。對(duì)以上對(duì)稱的情況，在仿真模型中，只需觀察其中之一是否發(fā)生閃絡(luò)即可；在閃絡(luò)路徑中包含兩種的，需根據(jù)空氣間隙、絕緣子串閃絡(luò)電壓、橫擔(dān)長(zhǎng)度等計(jì)算兩個(gè)閃絡(luò)電壓，壓控開(kāi)關(guān)的閃絡(luò)電壓就取其最小者。

經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)算，普通桿和復(fù)合桿中C1/C2相對(duì)電桿閃絡(luò)的電壓明顯偏低，因此在仿真計(jì)算過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注。

2 10 kV復(fù)合材料電桿線路防雷計(jì)算

滄州線待改造的電桿包括2基直線電桿和2基終端桿，為探究復(fù)合材料電桿對(duì)線路耐雷水平的影響，對(duì)比普通桿和復(fù)合材料電桿的耐雷水平，分別建立模型進(jìn)行計(jì)算。下面分別建立6基全普通桿直線桿、2基復(fù)合材料直線桿+4基普通直線桿、2基復(fù)合材料終端桿+4基普通直線桿的模型。直線桿和終端桿的橫擔(dān)及導(dǎo)線布置相似。10 kV線路未架設(shè)避雷線，故只考慮雷擊電桿或?qū)Ь€，雷電流從A1/A2相注入。

為明顯看到仿真過(guò)程中的波形變化，將仿真時(shí)長(zhǎng)的前5 μs設(shè)置為空閑，即前5 μs雷擊電流輸出為0，整個(gè)仿真時(shí)長(zhǎng)取80 μs。

2.1 6基全普通直線桿

考慮上一節(jié)所述閃絡(luò)路徑，計(jì)算普通直線桿閃絡(luò)路徑上可能的最低閃絡(luò)電壓，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 普通直線桿可能閃絡(luò)路徑及最低電壓

6基全普通桿仿真模型如圖3所示。雷電流從A1相注入，由于全線電桿皆相同，故雷擊位置不會(huì)對(duì)耐雷水平造成影響，仿真的耐雷水平為0.59 kA，閃絡(luò)路徑是A相經(jīng)絕緣子串對(duì)鐵橫擔(dān)閃絡(luò)，得到的絕緣擊穿前后的波形對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖3 6基全普通電桿仿真模型Fig.3 Simulation model of 6-base all ordinary electric poles

圖4 6基全普通桿模型雷擊閃絡(luò)前后波形對(duì)比Fig.4 Comparison of waveforms before and after lightning flashover of 6-base all ordinary pole model

2.2 2基復(fù)合材料直線桿+ 4基普通直線桿

考慮上一節(jié)所述閃絡(luò)路徑，計(jì)算復(fù)合直線桿閃絡(luò)路徑上可能的最低閃絡(luò)電壓，結(jié)果見(jiàn)表2，閃絡(luò)最低電壓發(fā)生在C相和電桿之間，最低閃絡(luò)電壓275 kV相比全部是普通電桿的最低閃絡(luò)電壓75 kV，顯著提高。

表2 復(fù)合直線桿可能閃絡(luò)路徑及最低電壓

依此設(shè)定壓控開(kāi)關(guān)閃絡(luò)電壓，2基復(fù)合直線桿+4基普通桿混合仿真模型如圖5所示。復(fù)合材料電桿的存在使得線路均一性被打破，各電桿所能承受的最大雷電流將與雷擊位置有關(guān)。因此在仿真計(jì)算時(shí)，分別考慮雷擊T1、T2、和T3(T表示電桿，T3和T4為復(fù)合材料電桿)電桿的情況。仿真計(jì)算的雷電流從A項(xiàng)注入，得到雷擊不同電桿時(shí)線路的耐雷水平及最先發(fā)生的閃絡(luò)位置，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 2基復(fù)合直線桿+ 4基普通桿仿真模型

表3 混合直線桿中雷擊不同電桿時(shí)的耐雷水平

雷擊T3時(shí)，若只考慮T3自身耐受雷電流的強(qiáng)度，仿真計(jì)算得到T3最大可耐受4.43 kA雷電流，遠(yuǎn)大于普通直線桿的耐雷水平，雷擊T3閃絡(luò)時(shí)三相均對(duì)電桿閃絡(luò)。對(duì)比上表和6基普通直線桿的情況，可以看出：復(fù)合材料直線桿的存在使得線路整體耐雷水平有較大提升，其最小閃絡(luò)電流0.72 kA，全是傳統(tǒng)電桿的最小閃絡(luò)電流0.59 kA，提升了22%，復(fù)合直線桿本身絕緣性能足夠強(qiáng)使得周圍鄰近桿成為線路防雷的薄弱部分，雷擊復(fù)合直線桿時(shí)由于雷電波的傳播使鄰近普通直線桿最易發(fā)生雷擊閃絡(luò)；雷擊普通直線桿時(shí)，仍是普通桿直線最易閃絡(luò)，但耐雷水平比全普通直線桿的線路情況有較大提升。

2.3 2基普通終端桿+ 4基普通直線桿

考慮上一節(jié)所述閃絡(luò)路徑，計(jì)算普通終端桿閃絡(luò)路徑上可能的最低閃絡(luò)電壓，結(jié)果見(jiàn)表4，最低閃絡(luò)通道處于A、B、C相與橫擔(dān)間，閃絡(luò)最低電壓75 kV。

表4 普通終端桿可能閃絡(luò)路徑及最低電壓

依此設(shè)定壓控開(kāi)關(guān)閃絡(luò)電壓，終端桿一般只在線路最后幾基，故在模型中，2基普通終端桿位于最后，整體仿真模型如圖6所示。

圖6 4基普通終端桿+ 2基普通終端桿仿真模型Fig.6 Simulation model of 4-base ordinary terminal poles + 2-base ordinary terminal poles

混合桿型使得線路防雷性能不均一，電桿耐雷水平與雷擊位置相關(guān)。因此在仿真計(jì)算時(shí)，分別考慮雷擊T5、T4、和T3電桿的情況。得到雷擊不同電桿時(shí)線路的耐雷水平及最先發(fā)生的閃絡(luò)位置，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 普通直線桿與終端桿中雷擊不同桿時(shí)的耐雷水平

2.4 2基復(fù)合材料終端桿+ 4基普通直線桿

考慮上一節(jié)所述閃絡(luò)路徑，計(jì)算復(fù)合終端桿閃絡(luò)路徑上可能的最低閃絡(luò)電壓，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 復(fù)合終端桿可能閃絡(luò)路徑及最低電壓

依此設(shè)定壓控開(kāi)關(guān)閃絡(luò)電壓。將上一節(jié)模型中的2基普通終端桿換成復(fù)合材料桿，得到混合桿仿真模型如圖7所示。

圖7 4基普通直線桿+ 2基復(fù)合材料終端桿混合仿真模型Fig.7 Hybrid simulation model of 4-base ordinary linear poles+2-base composite material terminal poles

復(fù)合材料終端桿的存在使得線路均一性被打破，各電桿所能承受的最大雷電流將與雷擊位置有關(guān)。因此在仿真計(jì)算時(shí)，分別考慮雷擊T3、T4、和T5(T5和T6為復(fù)合材料終端桿)電桿的情況。得到雷擊不同電桿時(shí)線路的耐雷水平及最先發(fā)生的閃絡(luò)位置，結(jié)果如表7。

表7 混合桿中雷擊不同電桿時(shí)的耐雷水平

雷擊T5時(shí)，若只考慮T5自身耐受雷電流的強(qiáng)度，T5仿真計(jì)算最大可耐受10.09 kA雷電流，遠(yuǎn)大于普通直線桿和普通終端桿的耐雷水平，雷擊T5閃絡(luò)時(shí)A相對(duì)電桿閃絡(luò)。對(duì)比上表和6基普通直線桿的情況，可以看出,利用復(fù)合材料桿塔的絕緣性，復(fù)合材料終端桿的存在使得線路整體耐雷水平有較大提升，其最小閃絡(luò)電壓400 kV，相比全部傳統(tǒng)電桿最低閃絡(luò)電壓75 kV，提升顯著；其次線路中最小閃絡(luò)電流0.64 kA，也較傳統(tǒng)電桿線路最小閃絡(luò)電流0.60 kA，而復(fù)合材料桿塔的閃絡(luò)電流0.81 kA，顯然高于普通電桿，復(fù)合材料終端桿本身絕緣性能足夠強(qiáng)使得周圍鄰近桿成為線路防雷的薄弱部分，雷擊復(fù)合材料終端桿時(shí)由于雷電波的傳播使鄰近普通終桿最易發(fā)生雷擊閃絡(luò)；雷擊普通終端桿時(shí)，仍是普通終端桿最易閃絡(luò)，但耐雷水平比全普通終端桿的線路的情況有較大提升。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)復(fù)合材料電桿的存在使得線路整體防雷性能的均一性被打破，復(fù)合材料桿本身絕緣性能足夠強(qiáng),使其耐受雷擊水平高，而普通桿成為線路防雷的薄弱部分；盡管如此，混合桿線路的耐雷水平比全普通桿線路的耐雷水平仍有較大提升；

2)雷擊復(fù)合材料桿時(shí)，由于雷電波的傳播使鄰近普通直線桿最易發(fā)生雷擊閃絡(luò)；雷擊普通直線桿時(shí)，雖仍是普通桿最易閃絡(luò)，但雷擊復(fù)合材料桿耐雷水平比全普通直線桿的線路時(shí)高；

3)復(fù)合材料電桿在配置與普通桿相同的橫擔(dān)和絕緣子串時(shí)，其耐雷水平明顯過(guò)高，即防雷配置顯得過(guò)高，為降低成本，可考慮適當(dāng)減小橫擔(dān)長(zhǎng)度和絕緣子串長(zhǎng)。