10 kV配電線路避雷器防護(hù)分析

馮瑞發(fā)，肖小兵，廖民傳，劉安茳，屈路，李躍

（1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510663；2. 特高壓電力技術(shù)與新型電工裝備基礎(chǔ)國(guó)家工程研究中心，云南 昆明 651701；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002）

0 前言

配電線路分布范圍廣，耐雷水平低，易受雷害威脅[1-3]。珠三角多數(shù)區(qū)域位于強(qiáng)雷區(qū)，雷電活動(dòng)頻繁，近年來雷擊引起的配電線路跳閘占配電線路故障總數(shù)的60%以上[4]，對(duì)于配電線路，一般認(rèn)為感應(yīng)雷是導(dǎo)致線路跳閘的主要原因[3]。為提升線路耐雷性能，線路設(shè)計(jì)運(yùn)維人員采取了加強(qiáng)線路絕緣水平、降低桿塔接地電阻、安裝避雷器、架設(shè)避雷線及耦合地線等系列防護(hù)措施[5]，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，這些措施均能在不同程度上降低配電線路雷擊跳閘率，對(duì)線路形成有效防護(hù)[3]。特別是對(duì)于避雷器，由于其良好的非線性伏安特性，限制雷電過電壓效果較好，基層人員使用避雷器進(jìn)行線路雷擊防護(hù)的意愿較強(qiáng)。行標(biāo)35 kV 及以下配網(wǎng)防雷技術(shù)導(dǎo)則[6]也建議對(duì)位于多雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū)的11種典型工況安裝避雷器進(jìn)行防護(hù)，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，基層人員在安裝避雷器時(shí)，對(duì)避雷器的保護(hù)范圍、接地、安裝密度、防護(hù)效果等方面存在諸多疑問，不少運(yùn)維人員在安裝避雷器時(shí)往往憑經(jīng)驗(yàn)或主觀想法，造成避雷器安裝不合理、成本高、防護(hù)效果也不理想。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在配電線路避雷器技術(shù)參數(shù)選型應(yīng)用、避雷器配置、降低雷擊跳閘率及避雷器雷擊故障率等方面開展了一些研究。文獻(xiàn)[7]基于10 kV 架空線直擊雷過電壓瞬態(tài)過程計(jì)算模型，結(jié)合電氣幾何模型得到線路避雷器雷擊故障概率，提出了避雷器雷電耐受技術(shù)參數(shù)優(yōu)化選擇建議。文獻(xiàn)[8]結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)維實(shí)際情況，對(duì)配網(wǎng)10 kV避雷器的選擇和使用提出了有效建議。文獻(xiàn)[9]基于10 kV 配電線路EMTP 雷擊仿真模型，利用避雷器吸收能量來計(jì)算避雷器雷擊故障率，研究了避雷器通流容量、避雷線安裝數(shù)量與方式及接地電阻對(duì)降低避雷器雷擊故障率的影響。文獻(xiàn)[10] 在完整的10 kV 配電系統(tǒng)模型上，研究了避雷器接地電阻對(duì)10 kV 配電線路終端設(shè)備雷擊暫態(tài)特性的影響。但以上研究鮮有提及避雷器的具體保護(hù)范圍、桿塔接地電阻對(duì)感應(yīng)雷電壓的限制特性及避雷線和避雷器同時(shí)安裝對(duì)線路雷擊跳閘率的影響等，為提升現(xiàn)場(chǎng)避雷器安裝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，有必要對(duì)10 kV 配電線路避雷器的特性作進(jìn)一步研究。

雖然配電線路雷擊跳閘主要由感應(yīng)雷引起，但本文基于實(shí)際10 kV 配電線路EMTP 電磁暫態(tài)程序（Electro-Magnetic Transient Program,EMTP）雷擊暫態(tài)模型，從仿真計(jì)算和理論分析兩個(gè)角度研究了避雷器在配電線路直擊雷和感應(yīng)雷下的防護(hù)特性，分析了避雷器在兩種雷擊形式下的保護(hù)范圍及能量吸收特點(diǎn)，給出了桿塔上相避雷器安裝建議，通過計(jì)算得出較小的接地電阻對(duì)感應(yīng)雷電壓有很好的限制作用，提出避雷器隔2 基安裝密度下配合使用架空地線可取得不錯(cuò)的雷擊防護(hù)效果，研究結(jié)果可供10 kV 配電線路防雷工程參考。

1 仿真計(jì)算參數(shù)及模型

1.1 線路參數(shù)

本文仿真計(jì)算時(shí)以某10 kV 配電線路為例，線路全長(zhǎng)37.5 km，終端連接有配變，導(dǎo)線為JL/G1A-120/25 型鋼芯鋁絞線，外徑15.7 mm，直流電阻0.2346 Ω/km，線路檔距為50 m，全線未架設(shè)地線。直線水泥桿為SC-210 型瓷橫擔(dān)，桿塔高度12 m，導(dǎo)線呈三角形排列，相序排列方式如圖1 所示，由于一般配電線路電桿采用內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋自然接地，接地電阻較大，本文仿真時(shí)統(tǒng)一取20 Ω。目前，在開展線路防雷計(jì)算時(shí)，桿塔等效模型主要有：集中電感模型、單一波阻抗模型和多波阻抗模型[6]，考慮到10 kV 配電線路高度一般為12～18 m，本文仿真時(shí)電桿本體用波阻抗進(jìn)行等值，波阻抗取250 Ω，橫擔(dān)、立擔(dān)用電感進(jìn)行等值，電感取0.84 μH/m[5,7]。仿真時(shí)線路采用LCC 頻變模型，由于雷擊過程很短暫，終端處配變采用入口電容等值模擬，電容大小根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為30 pF。

圖1 10 kV電桿等值模型

1.2 雷電流模型

雷電流選用式（1）所示的Heidler 模型[11]，波頭/波尾時(shí)間為2.6/50 μs，雷電直擊導(dǎo)線時(shí)，雷電通道波阻抗取800 Ω。

式中：Ip為雷電流峰值，η為電流峰值修正系數(shù)，τ1、τ2分別雷電流上升（下降）時(shí)間常數(shù)，n為雷電流波頭陡度因子。

1.3 絕緣子串閃絡(luò)模型

考慮到先導(dǎo)發(fā)展模型[12]一般適用于1 m 及以上較長(zhǎng)空氣間隙的閃絡(luò)過程，對(duì)于絕緣水平較低的配電線路，絕緣子串閃絡(luò)采用理想壓控開關(guān)模擬，開關(guān)動(dòng)作電壓取絕緣子串50%雷電沖擊放電電壓，本文取185 kV[5]。

1.4 感應(yīng)雷電壓模型

文獻(xiàn)[13] 推薦無(wú)架空避雷線的線路雷電感應(yīng)過電壓可按下式計(jì)算：

式中：Ug為感應(yīng)雷電過電壓值，V；hd為導(dǎo)線對(duì)地高度，m；S為雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線的水平距離，m；I為雷電流，A。仿真中感應(yīng)雷電壓利用EMTP 中的TACS 模塊[14]實(shí)現(xiàn)，根據(jù)雷電流大小、桿塔高度、落雷點(diǎn)距線路的距離等參數(shù)計(jì)算出感應(yīng)雷電壓，然后直接耦合注入到線路上。

按照上述參數(shù)和模型在EMTP 中建立的雷電直擊導(dǎo)線的仿真計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 10 kV配電線路雷擊仿真模型

2 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 直擊雷下的避雷器防護(hù)性能

由于10 kV 配電線路導(dǎo)線對(duì)地高度和相間距離較小，且無(wú)避雷線，根據(jù)擊距理論[15-16]，桿塔上相導(dǎo)線將對(duì)邊相導(dǎo)線形成完全電磁屏蔽，可近似認(rèn)為直擊雷全部落在上相導(dǎo)線上[7]，因此本文在仿真分析時(shí)未作特別說明均指雷擊上相導(dǎo)線的情形，需要指出的是，對(duì)于配電線路，其直擊雷耐雷水平很低，基本上對(duì)于＞1 kA 的落雷，均會(huì)造成線路閃絡(luò)。雖然實(shí)際落雷時(shí)大幅值雷電流可能導(dǎo)致避雷器損壞，但本文主要在于說明避雷器的防護(hù)特性，仿真計(jì)算時(shí)認(rèn)為避雷器均在正常工作的范圍內(nèi)。

仿真中配電線路避雷器采用YH5WS-17/50型復(fù)合外套避雷器，設(shè)T0-T5分別為沿線依次相鄰的6 基桿塔，避雷器安裝在T0塔上，安裝方式包括僅B 相安裝、僅C 相安裝（A 相與C相對(duì)稱）、B 相和C 相均安裝、C 相和A 相均安裝及A、B、C 三相均安裝5 種安裝方式，相序排列見圖1。不同避雷器安裝方式下，雷擊T0-T5塔上相導(dǎo)線時(shí)，各基桿塔的直擊雷耐雷水平，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同避雷器配置方式下桿塔直擊雷耐雷水平

表中，當(dāng)雷擊塔T0塔A、B、C 三相均安裝避雷器時(shí)，在避雷器正常動(dòng)作范圍內(nèi)，可認(rèn)為桿塔不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，為便于下文分析，假設(shè)此時(shí)T0塔耐雷水平為5 kA。可以看到，10 kV 配電線路雷擊導(dǎo)線時(shí)，線路耐雷水平很低，未安裝避雷器時(shí)，桿塔耐雷水平為0.89 kA，安裝避雷器后，沿線與安裝避雷器桿塔相鄰的桿塔的耐雷水平有一定的提升，如上相（B 相）安裝時(shí)，T0塔耐雷水平升高為1 kA，提升12.4%，與T0塔相距250 m 的T5塔耐雷水平較安裝前也提升了2.3%，三相均安裝時(shí)，相鄰桿塔耐雷水平提升最大。可見，雷擊導(dǎo)線時(shí)，避雷器的保護(hù)范圍可以外延，經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)最大可外延至350～400 m 處的桿塔。分析認(rèn)為，避雷器的保護(hù)范圍可利用圖3 進(jìn)行解釋，圖中T0塔安裝有避雷器S，當(dāng)雷擊T2塔上相導(dǎo)線時(shí)，雷電流產(chǎn)生的過電壓波Wf向線路兩側(cè)傳播，當(dāng)過電壓波經(jīng)過T0塔時(shí)，避雷器動(dòng)作，雷電流通過避雷器經(jīng)桿塔入地，由于接地電阻較小，在塔底產(chǎn)上向上的負(fù)反射波Wr，由于T0塔和T2塔距離較短，波在線路上的傳播速度很快，因此，雷擊T2塔后，經(jīng)很短時(shí)間，向前傳播的過電壓波Wf與從安裝避雷器桿塔傳播回來的負(fù)反射波Wr相遇，線路過電壓被抵消一部分，導(dǎo)致T2塔耐雷水平得到提升。設(shè)T0塔與T2塔之間的檔距長(zhǎng)度為l，過電壓波在線路上的傳播速度為v，忽略避雷器的動(dòng)作放電時(shí)間，欲使避雷器對(duì)鄰塔的保護(hù)作用體現(xiàn)出來，需滿足式（4）：

圖3 避雷器對(duì)鄰塔進(jìn)行保護(hù)的示意圖

式中：τ為雷電波波頭時(shí)間，μs，取為2.6 μs，波速取0.9c（c=3×108m/s），計(jì)算得到T0塔與T2塔之間的檔距長(zhǎng)度l＜351 m，也就是說，當(dāng)T0塔與T2塔之間的距離小于351 m（≈7 個(gè)檔距）時(shí)，在T0塔上安裝避雷器可對(duì)T2塔進(jìn)行一定程度的保護(hù)，該計(jì)算結(jié)果與表1 的仿真結(jié)果是一致的。

圖4為T0塔在不同避雷器配置方式下，不同大小雷電流落在上相導(dǎo)線時(shí)，避雷器最大吸收能量變化趨勢(shì)。可以看到，隨著雷電流增大，避雷器的最大吸收能量基本都是先增大，然后在中間某個(gè)雷電流下由于相鄰桿塔發(fā)生閃絡(luò)，雷電流泄放通道變多，造成雷擊桿塔避雷器吸收能量下降，隨著雷電流在一定范圍內(nèi)繼續(xù)增大，相鄰桿塔閃絡(luò)相不再增加，此時(shí)避雷器吸收能量又逐漸增大，呈曲折上升特點(diǎn)。

圖4 不同避雷器配置方式下避雷器最大吸收能量

考慮到雷擊線路時(shí)，避雷器具有一定的保護(hù)范圍，現(xiàn)分析沿線避雷器安裝密度對(duì)未安裝避雷器桿塔直擊雷耐雷水平的影響。分析時(shí)單基桿塔A、B、C 三相均安裝避雷器，考慮避雷器每隔1 基安裝、每隔2 基安裝、每隔3 基安裝、每隔4 基安裝和每隔5 基安裝等5 種不同安裝密度，為便于說明，雷擊避雷器安裝桿塔時(shí)，其耐雷水平統(tǒng)一取為5 kA，圖5 為不同安裝密度下沿線桿塔直擊雷耐雷水平變化情況。

由仿真結(jié)果可知，隨著避雷器安裝密度的減小，避雷器對(duì)相鄰桿塔的保護(hù)作用越來越弱，如每隔2 基安裝時(shí)，T1塔的耐雷水平比每隔1基安裝時(shí)下降18.2%。容易看到，對(duì)于分布在首尾安裝避雷器的桿塔之間的未安裝桿塔，其耐雷水平以中間桿塔為較低中心點(diǎn)，近似呈兩端對(duì)稱的“U 型”分布規(guī)律。

2.2 感應(yīng)雷下的避雷器防護(hù)性能

表2 為配電線路未安裝避雷器時(shí)，距線路不同距離下的感應(yīng)雷電壓對(duì)應(yīng)的桿塔耐雷水平，可以看到落雷點(diǎn)距離桿塔越遠(yuǎn)，線路耐雷水平越大，兩者基本呈線性關(guān)系。

表2 距線路不同距離下桿塔感應(yīng)雷耐雷水平

仿真發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)雷下桿塔上相（B 相）的感應(yīng)雷電壓最大。在T0塔上采用不同方式配置避雷器時(shí)，避雷器動(dòng)作后，線路電壓被鉗住，未安裝避雷器的相絕緣子串兩端電壓得到限制，桿塔耐雷水平得到提升。但若離雷擊點(diǎn)最近的桿塔（如T1塔）未安裝避雷器，雷擊時(shí)該桿塔上的過電壓水平仍然很高，此時(shí)該塔容易發(fā)生閃絡(luò)，也就是說安裝避雷器后，感應(yīng)雷下雷擊閃絡(luò)發(fā)生在沒有安裝避雷器的桿塔上，下圖6為30 kA 感應(yīng)雷落在距離T0塔40 m 處，造成與其相鄰的T1塔上相（B 相）發(fā)生閃絡(luò)的絕緣子串兩端電壓波形，隨著雷電流增大，將造成T1塔更多相及其它相鄰塔發(fā)生閃絡(luò)。

圖6 感應(yīng)雷下桿塔絕緣子串兩端電壓波形

考慮到感應(yīng)雷下上相避雷器通過的電流最大，感應(yīng)雷電壓也最大，因此在沿線每基塔上相均安裝避雷器，感應(yīng)落雷點(diǎn)距離T0塔最近，圖7 為落雷點(diǎn)距T0塔不同距離下，雷電流大小為50 kA 時(shí)沿線桿塔避雷器最大吸收能量分布情況?？梢钥吹?，沿線避雷器的最大吸收能量隨著與T0塔距離的增大而逐漸減小。

圖7 感應(yīng)雷下沿線桿塔避雷器最大吸收能量

由于避雷器一般與桿塔共用接地，仿真發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)雷下桿塔接地電阻Rg對(duì)線路感應(yīng)雷電壓影響較大，當(dāng)接地電阻非常大時(shí)，線路上的感應(yīng)雷電壓接近未安裝避雷器時(shí)的水平，當(dāng)接地電阻很小時(shí)，線路上的感應(yīng)雷電壓接近避雷器殘壓水平。配電線路安裝避雷器后，根據(jù)戴維南定理，可用圖8 所示的等值電路[17-19]進(jìn)行表述，圖中U0為安裝避雷器之前線路外施感應(yīng)雷電壓，Z0為線路波阻抗，R(i)為非線性電阻，UR為避雷器殘壓，I為避雷器流過雷電流，K為模擬安裝避雷器前后的控制開關(guān)，實(shí)線框內(nèi)表示未安裝避雷器時(shí)的狀態(tài)，右側(cè)虛線框內(nèi)表示安裝避雷器后，避雷器動(dòng)作K 閉合時(shí)的狀態(tài)。

圖8 配電線路安裝避雷器后的等值電路

根據(jù)圖8 所示電路，可計(jì)算得到安裝避雷器后，線路感應(yīng)雷電壓可用下式（5）表示：

于是有：

式中：為安裝避雷器后線路感應(yīng)雷電壓，kV；避雷器殘壓取50 kV；線路波阻抗取450 Ω，得到安裝避雷器后線路感應(yīng)雷電壓隨桿塔接地電阻的變化趨勢(shì)如圖9 所示。

圖9 桿塔接地電阻對(duì)線路感應(yīng)雷電壓的影響

從圖中可以看到，在外施感應(yīng)雷電壓大小為500 kV 下，當(dāng)桿塔接地電阻分別為5 Ω、10 Ω、20 Ω、50 Ω、100 Ω、200 Ω、500 Ω及1000 Ω 時(shí)，安裝避雷器后感應(yīng)雷電壓水平分別降為60 kV、69 kV、87 kV、132 kV、188 kV、262 kV、360 kV 及417 kV，可以看到當(dāng)桿塔接地電阻≤20 Ω 時(shí)，即使外施感應(yīng)雷電壓較大，避雷器都可將線路電壓限制在殘壓水平附近，線路閃絡(luò)可能性較低；隨著接地電阻的增大，避雷器對(duì)線路感應(yīng)雷電壓的限制效果越來越弱。因此，配電線路安裝避雷器后，應(yīng)確保避雷器的接地電阻盡可能小，可采取單獨(dú)設(shè)置人工接地的方式來確保桿塔接地電阻滿足要求，并在后期運(yùn)維中加強(qiáng)對(duì)避雷器接地電阻的監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)接地電阻不滿足要求可及時(shí)整改。

2.3 避雷器降低雷擊跳閘率的效果

現(xiàn)從降低雷擊跳閘率的角度分析避雷器的防護(hù)效果。采用行標(biāo)[6]中的雷擊跳閘率計(jì)算方法，雷擊跳閘率包括直擊雷跳閘率和感應(yīng)雷跳閘率，其中直擊跳閘率可按式（7）計(jì)算：

式中，NL為引雷次數(shù)，采用下式（8）計(jì)算，P1,2、P1,2,3分別對(duì)應(yīng)雷擊導(dǎo)線時(shí)兩相和三相閃絡(luò)的雷電流幅值概率，采用式（9）計(jì)算[20]，η為沖擊閃絡(luò)過渡到兩相工頻電弧的概率，采用式（10）計(jì)算：

式中Ng為地閃密度，40 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雷電日下的值為2.78 次/（km2·a），ht為桿塔高度，m，b為桿塔結(jié)構(gòu)寬度，m，對(duì)于配電線路計(jì)算時(shí)可取0，Un為系統(tǒng)標(biāo)稱線電壓，kV，l為導(dǎo)線之間的放電路徑總長(zhǎng)度，m。

感應(yīng)雷跳閘率根據(jù)IEEE 導(dǎo)則[21]推薦的公式（11）計(jì)算：

式中ymax,i為可發(fā)生感應(yīng)雷閃絡(luò)的最大落雷距離，m；ymin,i為雷擊導(dǎo)線的臨界距離，m；小于該距離雷電將擊中導(dǎo)線，大于該距離雷電將擊中大地；Ng為地閃密度，Pi為雷電流幅值概率。

基于上述建立的仿真模型，計(jì)算得到的結(jié)果如表3 所示。表中加強(qiáng)絕緣指將全線當(dāng)前2片玻璃絕緣子換成3 片同型號(hào)玻璃絕緣子；架設(shè)地線指全線在桿塔上方通過支架形式架設(shè)單根地線；考慮到全線逐塔逐相安裝避雷器時(shí)，在避雷器正常工作范圍內(nèi)，線路理論上不會(huì)跳閘，因此表中提到的雷擊跳閘率是指全線每隔2基塔安裝1 組避雷器，雷擊安裝避雷器桿塔，并導(dǎo)致相鄰桿塔發(fā)生閃絡(luò)的雷擊跳閘率。

表3 避雷器防護(hù)效果

從表中可看到，由于采用每隔2 基塔安裝一組避雷器，耐雷水平提升較小，因此其保護(hù)效果有限，不如全線加強(qiáng)絕緣及架設(shè)地線的情形，但若與架設(shè)地線配合使用，綜合雷擊防護(hù)效果最好，對(duì)于雷害嚴(yán)重的線路可考慮采取此種組合式防護(hù)措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了10 kV 配電線路避雷器的防護(hù)特性，主要結(jié)論如下：

1）雷擊導(dǎo)線時(shí)，避雷器對(duì)相鄰桿塔具有一定的防護(hù)效果，其保護(hù)范圍與雷電流波頭、波在線路上的傳播速度等因素有關(guān)。避雷器最大吸收能量呈折線上升趨勢(shì)，對(duì)位于首尾安裝有避雷器的桿塔之間的桿塔，其耐雷水平近似呈“U型”分布規(guī)律，考慮到雷擊時(shí)桿塔上相避雷器承受的電壓最大，相比其它相避雷器，上相宜采用通流容量更大的避雷器。

2）感應(yīng)雷下閃絡(luò)點(diǎn)發(fā)生在未安裝避雷器的桿塔，沿線桿塔避雷器最大吸收能量隨著與感應(yīng)落雷點(diǎn)距離的增大依次減小。避雷器接地電阻直接影響線路感應(yīng)雷電壓大小，實(shí)際對(duì)于安裝避雷器的桿塔，宜通過增設(shè)人工接地的方式盡量控制接地電阻≤20 Ω，確保能較好地限制感應(yīng)雷電壓。

3）雷擊導(dǎo)線時(shí)，僅每隔2 基桿塔安裝一組避雷器防護(hù)效果一般，實(shí)際應(yīng)用時(shí)配合使用架空地線可有效降低配電線路雷擊跳閘率，提升防護(hù)性能。