10 kV配電線路避雷器優(yōu)化布置研究

雷 瀟，許安玖，劉 強(qiáng)，崔 濤，廖文龍

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司廣元供電公司，四川 廣元 628000)

0 引 言

10 kV配電線路因絕緣強(qiáng)度較低而極易發(fā)生雷擊跳閘和設(shè)備損壞等故障[1-3]。部分多雷地區(qū)的10 kV配電線路雷擊跳閘比例超過50%[4-6]。而在雷擊故障中，由雷擊線路附近大地或構(gòu)筑物產(chǎn)生的雷電感應(yīng)過電壓造成的比例占90%以上[7]。因此，亟需開展雷電感應(yīng)過電壓抑制方法的研究，以大幅改進(jìn)雷電防護(hù)性能。

雷電感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生機(jī)理已較為明確，并由Agrawal、Chowdburi和Rusck等人提出了若干理論計(jì)算模型[8-10]。其中，Agrawal模型是一種以散射電壓表示的外界電磁場機(jī)理多導(dǎo)體傳輸線模型，在理論上較其他模型更合理，并且得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者開展了模型改進(jìn)完善工作，建立了雷電感應(yīng)過電壓的仿真計(jì)算基礎(chǔ)[11]。

雷電感應(yīng)過電壓的特征與直擊過電壓有明顯的區(qū)別，文獻(xiàn)[12-13]對此開展了仿真分析，但沒有涉及避雷器等防雷措施對過電壓的抑制作用。文獻(xiàn)[14]開展了雷電過電壓閃絡(luò)率的研究，但忽略了多相閃絡(luò)問題。對于10 kV配電線路，通常為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)或諧振接地系統(tǒng)，只有兩相或三相同時(shí)閃絡(luò)才會觸發(fā)保護(hù)跳閘。部分文獻(xiàn)[15-18]研究了避雷器安裝密度對雷電感應(yīng)過電壓閃絡(luò)率的影響，并提出了安裝密度優(yōu)化建議，但研究過程未考慮多相閃絡(luò)和分支線路的問題。文獻(xiàn)[11]提及了分支線路臺區(qū)避雷器對過電壓的影響，但沒有開展線路避雷器優(yōu)化配置的研究。實(shí)際上，配電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，潛在雷擊范圍廣，在計(jì)及經(jīng)濟(jì)投入和后期運(yùn)維的情況下，必然面臨避雷器優(yōu)化配置的問題。

針對雷電感應(yīng)過電壓造成的雷擊跳閘問題，下面以Agrawal模型為基礎(chǔ)，在ATP/EMTP中建立了三相導(dǎo)線的雷電感應(yīng)過電壓仿真模型，開展了兩相閃絡(luò)概率和避雷器配置方式的研究。

1 雷電感應(yīng)過電壓

根據(jù)Agrawal模型[10]，線路上的電壓U(x,t)為入射電壓Ui(x,t)和散射電壓Us(x,t)之和。入射電壓Ui(x,t)為雷電流在線路垂直方向上電場的積分，如式(1)所示。

(1)

式中:h為線路高度;Ez(x,y,z,t)為坐標(biāo)(x,y,z)處沿地面垂直方向的電場。散射電壓Us(x,t)是由雷電流i(x,t)切向電場分量所激發(fā)的，且受自身及鄰近導(dǎo)體電流影響的電壓分量，其多導(dǎo)體傳輸線電報(bào)方程如式(2)所示。

(2)

式中：R、L和C分別為多導(dǎo)體傳輸線單位長度的電阻矩陣、電感矩陣和電容矩陣；Ex(x,y,z,t)為雷電流在沿導(dǎo)線方向上產(chǎn)生的電場。

由上述公式可以推導(dǎo)出，導(dǎo)線上的過電壓不僅取決于雷電流在其水平和垂直方向上的電場強(qiáng)度，同時(shí)也受到自身及鄰近導(dǎo)線上瞬時(shí)電流的影響。文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)架空地線對雷電感應(yīng)過電壓有較明顯的抑制作用，即驗(yàn)證了鄰近接地導(dǎo)體上流過的瞬時(shí)電流對散射電壓的改變。進(jìn)一步可知，當(dāng)一相導(dǎo)體絕緣閃絡(luò)后，勢必會對其他兩相導(dǎo)體上的感應(yīng)過電壓產(chǎn)生影響，而這一機(jī)制與雷電直擊造成多相同時(shí)跳閘明顯不同。同時(shí)，一相導(dǎo)線的雷電流經(jīng)桿塔入地后，橫擔(dān)電位抬升，也會改變另兩相絕緣子上承受的電壓。因此，可通過Agrawal模型對10 kV配電線路多相閃絡(luò)的現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2 仿真建模

文獻(xiàn)[12-13]結(jié)合Agrawal模型和雷電流Heidler模型和Bergeron模型，在ATP/EMTP中建立了單相導(dǎo)線雷電感應(yīng)過電壓計(jì)算模塊。在其基礎(chǔ)上建立了三相導(dǎo)線的計(jì)算模塊，如圖1所示。模塊兩邊的RL線路模型中只包含R分量，用于表征導(dǎo)線波阻抗及互阻抗。該計(jì)算模塊只能監(jiān)測線路兩端的電壓，如要觀測線路任意點(diǎn)電壓則需級聯(lián)多個計(jì)算模塊。大地電導(dǎo)率為0.01 S/m。

圖1 感應(yīng)過電壓計(jì)算模塊

雷電流波前時(shí)間為2.6 μs，半波時(shí)間為50 μs。雷電流幅值和位置可根據(jù)計(jì)算需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。10 kV線路平均高度一般不超過10 m，在城鄉(xiāng)居民區(qū)、山地和丘陵地區(qū)的引雷作用不強(qiáng)，一般認(rèn)為線路附近65 m以內(nèi)為直擊。然而，當(dāng)線路附近65 m內(nèi)有微波塔、輸電線路桿塔等引雷構(gòu)筑物時(shí)，由于線路被屏蔽，雷擊點(diǎn)與線路的最短水平距離可能不超過50 m。這里將雷擊點(diǎn)距離設(shè)置為50 m，以體現(xiàn)雷電感應(yīng)過電壓計(jì)算的最嚴(yán)苛情況。通過仿真計(jì)算可獲取不發(fā)生兩相閃絡(luò)的最大可承受雷電流，結(jié)合雷電流幅值概率分布即可評估其雷電感應(yīng)過電壓承受能力。中國多雷地區(qū)的雷電流幅值概率函數(shù)如式(3)所示。

(3)

式中：I為雷電流幅值的變量；i0為給定的雷電流幅值;P(I≥i0)為雷電流幅值超過i0的概率。

研究主要考慮配電線路在無分支處和有分支處的兩種基本結(jié)構(gòu)。對于無分支處，可以長直線路為計(jì)算對象。為了防止線路末端的反射影響，將線路總長設(shè)置為11 km，雷電點(diǎn)發(fā)生在線路中點(diǎn)附近，并將線路兩端經(jīng)與導(dǎo)線波阻抗等值的電阻接地。對于分支線路，在長直線路的中點(diǎn)處垂直引出支線，長度為5.5 km，終端經(jīng)與導(dǎo)線波阻抗等值的電阻接地。

10 kV桿塔為典型的三角形塔頭布置，中相線路高為11 m，邊相線路高為10 m，相間水平距離為1 m。桿塔采用8 μH的電感模擬，接地電阻取10 Ω。絕緣子簡化為常開的理想開關(guān)，當(dāng)電壓超過絕緣子50%閃絡(luò)電壓時(shí)閉合。10 kV避雷器采用文獻(xiàn)[17]給出的伏安特性。典型的桿塔節(jié)點(diǎn)處模型如圖2所示。

圖2 桿塔節(jié)點(diǎn)模型

為了驗(yàn)證模型的有效性，對文獻(xiàn)[11]的算例進(jìn)行仿真。雷電流為30 kA，落雷點(diǎn)距離線路中相為50 m，到兩端線路距離相等。各觀測點(diǎn)至落雷最近位置的水平距離為0、250 m、750 m和1500 m。仿真結(jié)果如圖3所示，與原文基本一致。

圖3 文獻(xiàn)[11]參數(shù)下的仿真結(jié)果

3 感應(yīng)雷過電壓跳閘概率

3.1 無分支處

在雷電流幅值較小時(shí)，雷電感應(yīng)過電壓小于絕緣子閃絡(luò)電壓，不會造成絕緣閃絡(luò)。雷電流幅值增大到一定值會造成單相絕緣子閃絡(luò)，但不能造成兩相閃絡(luò)。雷電流幅值繼續(xù)增大將會造成兩相閃絡(luò)，形成兩相短路導(dǎo)致跳閘。

當(dāng)落雷點(diǎn)在線路附近50 m處時(shí)，各種絕緣強(qiáng)度下的跳閘概率如表1所示。所需最小雷電流幅值均隨絕緣子50%閃絡(luò)電壓的增大而呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律。對于目前應(yīng)用最廣的絕緣配置，絕緣子50%閃絡(luò)電壓接近200 kV，其兩相閃絡(luò)所需雷電流為51.9 kA，發(fā)生概率為25.7%。

表1 不同絕緣強(qiáng)度下的跳閘概率

3.2 有分支處

分支處距離線路50 m的可能落雷點(diǎn)位置如圖4所示。過電壓幅值最高的位置如表2所示。可見，當(dāng)落雷點(diǎn)為3，即雷擊發(fā)生在干線和支線交叉處50 m時(shí)，線路過電壓幅值最高，最易發(fā)生閃絡(luò)。為更好地防治雷電感應(yīng)過電壓，應(yīng)針對該落雷點(diǎn)進(jìn)行研究。

圖4 分支處的落雷位置

表2 不同雷擊位置對應(yīng)的最大過電壓位置

當(dāng)落雷點(diǎn)為3時(shí)，各種絕緣強(qiáng)度下的閃絡(luò)概率如表3所示，所需最小雷電流幅值均隨絕緣子50%閃絡(luò)電壓的增大而呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律。與無分支的情況相比，閃絡(luò)明顯更易發(fā)生。如絕緣子50%閃絡(luò)電壓為200 kV時(shí)，跳閘所需雷電流幅值為28 kA，僅為無分支情況的0.54倍。這是雷擊同時(shí)在主線和分支線感應(yīng)出極性相同的過電壓所致。

表3 不同絕緣強(qiáng)度下的閃絡(luò)概率

4 避雷器配置方式

4.1 無分支處

主要對比研究6種避雷器配置方式下的防雷效果。6種配置方式分別如圖5所示。配置方式1、3、5是在一基桿塔上同時(shí)安裝三相避雷器，安裝間隔距離分別為150 m、300 m和450 m；配置方式2、4、6是在不同桿塔的各相上分散安裝避雷器，安裝桿塔間隔距離分別為50 m、100 m和150 m。配置方式1和方式2、方式3和方式4、方式5和方式6的安裝密度分別相同。

圖5 無分支情況下避雷器配置方式

對于每種配置方式，兩相閃絡(luò)所需雷電流幅值與雷擊位置密切相關(guān)。這里選擇雷擊點(diǎn)在線路附近50 m處，以最嚴(yán)苛情況進(jìn)行比較。各配置方式下兩相閃絡(luò)所需雷電流幅值見表4所示。在相同配置密度下，各相避雷器分散布置方式的防雷效果更好。如絕緣子50%閃絡(luò)電壓為200 kV時(shí)，配置方式3兩相閃絡(luò)需雷電流77 kA，而方式4需雷電流93 kA。為更清晰地反映三相集中配置和分散配置的防雷效果，計(jì)算了兩相閃絡(luò)概率，如圖6所示。

表4 無分支情況下兩相閃絡(luò)所需雷電流幅值

圖6 各配置方式下兩相閃絡(luò)概率

避雷器動作后，一方面降低了本相導(dǎo)線在相鄰桿塔的過電壓；另一方面也降低了本基桿塔其他兩相絕緣子承受的過電壓。對于三相避雷器集中布置于一基桿塔的情況，若雷擊點(diǎn)距避雷器安裝桿塔較遠(yuǎn)，避雷器對雷擊點(diǎn)附近三相導(dǎo)線的過電壓限制能力弱。而對于分散安裝的情況，雷擊點(diǎn)附近且離避雷器最遠(yuǎn)的相導(dǎo)線首先閃絡(luò)，而此時(shí)其他兩相的過電壓又受近距離避雷器的限制，因此兩相閃絡(luò)的難度更高。

4.2 有分支處

無避雷器時(shí)，分支處的兩相閃絡(luò)概率比無分支情況高，分支處為絕緣薄弱點(diǎn)。以干線和支線均按照第4.1節(jié)中配置方式4為例進(jìn)行研究，各相避雷器分散安裝在不同桿塔上，安裝桿塔間隔距離為100 m。選擇雷擊點(diǎn)在干線和支線交叉處50 m處，此時(shí)過電壓幅值最高。由第2.2節(jié)可知，離雷擊點(diǎn)最近的干線和支線處過電壓最高，因此避雷器配置的典型方式可有兩種，即雷擊點(diǎn)最近處桿塔有避雷器和無避雷器，如圖7所示。

圖7 有分支情況下避雷器配置方式

將上述兩種方式和無分支情況下兩相閃絡(luò)所需雷電流進(jìn)行對比，如表5所示。離雷擊點(diǎn)最近的干線和支線桿塔處安裝有避雷器時(shí)，兩相閃絡(luò)所需雷電流最高。在實(shí)際改造中，干線和支線按照各相分散配置后，方式7和方式8會隨機(jī)出現(xiàn)。對于方式8則應(yīng)在距離分支處最近的干線、支線桿塔上增加避雷器。

表5 有分支情況下兩相閃絡(luò)所需雷電流幅值

5 結(jié) 論

上面研究了10 kV配電線路避雷器配置方式，得出如下結(jié)論：

1)雷電感應(yīng)過電壓閃絡(luò)所需雷電流幅值隨絕緣強(qiáng)度的提升而線性增加。在相同雷擊距離下，分支桿塔的閃絡(luò)概率明顯高于普通桿塔。

2)對于雷電感應(yīng)過電壓的防治，三相避雷器分散布置的防治效果優(yōu)于集中布置。對于分支處，應(yīng)在最近的干線和支線桿塔上安裝避雷器。