10 kV架空線路用氧化鋅避雷器的保護(hù)范圍研究

吳文鋒,楊 鑫,蔣凌峰,周 秀,王延夫

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114; 2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,銀川 750002)

0 引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展的環(huán)境下,人們對(duì)配電網(wǎng)供電的可靠性作出了更高的要求。10 kV配電網(wǎng)作為將電能輸送至用戶的重要部分,保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大[1-4]。

目前,10 kV架空線路防雷措施少,氧化鋅避雷器在線路防雷中的作用尤為突出[5-10]。10 kV線路避雷器的安裝密度越大,線路的防雷效果越好,但會(huì)大量增加運(yùn)維人員的工作量,需要綜合考慮其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因此,針對(duì)性研究10 kV架空線路的避雷器的保護(hù)范圍,形成合理的避雷器安裝方式具有重要意義[11-19]。

針對(duì)氧化鋅避雷器保護(hù)范圍的計(jì)算方法已有較多研究。文獻(xiàn)[20-21]通過(guò)計(jì)算配電線路下感應(yīng)雷過(guò)電壓來(lái)波時(shí)的情況,分析避雷器遭受感應(yīng)雷時(shí)的保護(hù)范圍,計(jì)算得知避雷器的保護(hù)距離隨著線路高度的增加而減小,且當(dāng)線路平均高度一定時(shí),避雷器的保護(hù)范圍隨著雷電流幅值的增大而增大;文獻(xiàn)[22]則通過(guò)仿真分析了配電線路中,直擊雷擊中安裝避雷器桿塔塔頂與安裝避雷器桿塔周圍桿塔塔頂時(shí),線路來(lái)波和高電位轉(zhuǎn)移時(shí)的保護(hù)范圍;文獻(xiàn)[23-26]使用ATP-EMTP對(duì)雷電流在輸電線路中的繞擊高電位轉(zhuǎn)移的機(jī)理進(jìn)行了分析,提出了使用多基桿塔連續(xù)安裝線路避雷器防治高電位轉(zhuǎn)移的方法,研究結(jié)果表明在易發(fā)生繞擊的桿塔及其前后桿塔應(yīng)連續(xù)安裝線路避雷器。

可見,目前對(duì)于避雷器保護(hù)范圍的研究主要有2種原理,線路來(lái)波時(shí)折反射過(guò)程和伏秒特性曲線的配合原理,及雷擊避雷器所在桿塔的高電位轉(zhuǎn)移原理。然而,針對(duì)10 kV架空線路用避雷器的保護(hù)范圍有自身的特點(diǎn),目前所得結(jié)果并不完善。1)大多針對(duì)某一種落雷形式或過(guò)電壓來(lái)波形式的影響,沒有針對(duì)10 kV架空線路的雷電過(guò)電壓形式進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究。10 kV架空線路的雷擊形式包含:感應(yīng)雷過(guò)電壓,雷擊桿塔塔頂和雷擊桿塔導(dǎo)線3種,應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算再綜合討論分析。2)對(duì)10 kV架空線路來(lái)說(shuō),線路來(lái)波時(shí)的折反射原理可以得到避雷器的最大保護(hù)范圍,高電位轉(zhuǎn)移原理則可以得到最大不能保護(hù)的范圍。目前的結(jié)果,只針對(duì)線路來(lái)波時(shí)的保護(hù)范圍進(jìn)行計(jì)算,沒有綜合2種計(jì)算原理得到系統(tǒng)的結(jié)果。3)未針對(duì)10 kV線路的跳閘機(jī)制來(lái)確定保護(hù)范圍的判據(jù)。我國(guó)配電線路中性點(diǎn)一般采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式,跳閘機(jī)制允許單相接地故障帶電運(yùn)行一段時(shí)間,只有線路發(fā)生相間短路時(shí)才會(huì)發(fā)生跳閘,該特性將使避雷器保護(hù)范圍的原理判據(jù)發(fā)生變化,而目前的研究結(jié)果并未突出該問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題,本研究為系統(tǒng)研究避雷器在10 kV架空配電線路中保護(hù)范圍,使用ATP-EMTP軟件搭建過(guò)電壓仿真計(jì)算模型,分別研究線路來(lái)波(落雷點(diǎn)在安裝MOA桿塔之外)和高電位轉(zhuǎn)移(落雷點(diǎn)在安裝MOA桿塔上)時(shí),以MOA的通流能量閾值和線路是否發(fā)生相間短路為判據(jù),分別研究在感應(yīng)雷過(guò)電壓、雷擊導(dǎo)線、雷擊桿塔塔頂3種雷擊方式下避雷器的保護(hù)范圍;并研究桿塔接地電阻對(duì)保護(hù)范圍的影響效果。為避雷器在10 kV架空配電線路中的應(yīng)用方法提供理論基礎(chǔ)和方法指導(dǎo)。

1 避雷器的保護(hù)范圍在10 kV架空配電線路中的計(jì)算方法

1.1 最大流通能量計(jì)算方法

為了研究避雷器在最苛刻情況下對(duì)線路的保護(hù)能力,應(yīng)以避雷器最大流通能量為指標(biāo)。因而,需要首先給出避雷器最大通流能量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器的相關(guān)規(guī)范[18],10 kV線路避雷器應(yīng)能耐受持續(xù)時(shí)間為2 ms 的方波電流沖擊18次而不擊穿、不閃絡(luò)、不損壞[27]。

10 kV架空配電線路避雷器實(shí)際吸收的能量,可以在ATP-EMTP的過(guò)電壓仿真模型中,利用積分模塊對(duì)電壓和電流進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算方法如式(1):

(1)

式(1)中,u(t)和i(t)分別為避雷器兩端電壓和放電電流瞬時(shí)值,t為短路電流持續(xù)時(shí)間,單位s。

利用式(1)可得到避雷器吸收的能量。當(dāng)避雷器吸收的能量W1低于避雷器的最大流通能量時(shí),一般不會(huì)使避雷器損壞;反之則避雷器的老化程度甚至損壞概率將大增。

以10 kV線路典型采用的(YH)HY5WS-17/50型避雷器為例,其方波流通容量為150 A,由避雷器的伏安特性可知,該避雷器中流過(guò)150 A電流時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓在41 kV左右,則單次通過(guò)2 ms方波電流150 A時(shí),避雷器的最大流通能量為12 300 J。

由公式(1)得到的結(jié)果,在仿真中以雷電波使10 kV線路典型采用的(YH)HY5WS-17/50型避雷器吸收的能量小于等于12 300 J時(shí),避雷器不損壞的前提下對(duì)其保護(hù)范圍進(jìn)行分析。

1.2 保護(hù)范圍的計(jì)算原理

由于在10 kV配電網(wǎng)中允許單相接地故障帶電運(yùn)行一段時(shí)間,只有發(fā)生兩相或三相(不一定在同一根桿塔上)雷電過(guò)電壓閃絡(luò)時(shí)線路才會(huì)跳閘。因此,需以相間短路時(shí)的最大雷電流幅值作為避雷器通流的閾值標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)2種避雷器的保護(hù)范圍計(jì)算原理,分別計(jì)算。

1.2.1 線路來(lái)波時(shí)避雷器的保護(hù)范圍

設(shè)落雷點(diǎn)(感應(yīng)點(diǎn))位于安裝避雷器的桿塔之外,過(guò)電壓波傳至安裝避雷器的桿塔,此時(shí)的保護(hù)范圍指避雷器動(dòng)作后,過(guò)電壓波最遠(yuǎn)能使距離避雷器S米遠(yuǎn)處的桿塔發(fā)生相間短路。

1)雷電波沿線路傳播的折反射過(guò)程

雷電波沿線傳播的速度為V=3×108m/s,桿塔檔距為L(zhǎng),如圖1所示,避雷器所能保護(hù)的最大范圍為n基桿塔,則雷電波第一次到達(dá)避雷器的時(shí)間為t1=nL/V;假設(shè)雷電波能使避雷器動(dòng)作,避雷器動(dòng)作后大部分雷電流經(jīng)避雷器泄入大地,避雷器在雷電波下動(dòng)作時(shí)間為t2(避雷器動(dòng)作時(shí)間很短,計(jì)算中可忽略);避雷器動(dòng)作后,雷電流的反射波從入地點(diǎn)沿線路向兩側(cè)傳播,傳回雷擊點(diǎn)所用時(shí)間設(shè)為t3,t3=t1。為使避雷器可以保護(hù)線路不發(fā)生跳閘,在這段來(lái)回傳播的時(shí)間內(nèi),將沒有絕緣子發(fā)生相間閃絡(luò)。

圖1 雷電來(lái)波時(shí)的保護(hù)范圍Fig.1 Protection range of lightning incoming wave

2)避雷器和絕緣子伏秒特性曲線的配合

為了計(jì)算氧化鋅避雷器在最苛刻情況下的保護(hù)范圍,本文以避雷器最大流通能量為指標(biāo),當(dāng)改變雷電流大小為某一值使MOA達(dá)到最大流通能量時(shí),導(dǎo)出此時(shí)的過(guò)電壓波形。

將標(biāo)準(zhǔn)雷電波形曲線與絕緣子和氧化鋅避雷器伏秒特性曲線繪制在同一幅圖上,示意圖如圖2所示。運(yùn)用相交法[28]分別得到絕緣子與氧化鋅避雷器的相交時(shí)間tj和tb。若相交,第一次相交時(shí)刻即為閃絡(luò)時(shí)刻。tj和tb的差即1.2節(jié)中的t1與t3的和。

圖2 絕緣子與避雷器伏秒特性圖Fig.2 Volt-second characteristic diagram of insulator and arrester

由圖2可知,絕緣子與避雷器的伏秒特性是兩條固定不變的曲線,雷電波的幅值越高,陡度越大,時(shí)間差(tj-tb)越小,保護(hù)范圍S就越小。

由上述分析可知要計(jì)算來(lái)波時(shí)的保護(hù)范圍需要:1)以避雷器的最大通流能量為指標(biāo),確定雷電波的幅值;2)繪制避雷器和絕緣子伏秒特性曲線,通過(guò)與雷電波曲線的交叉點(diǎn),確定tj和tb;3)結(jié)合式(2),計(jì)算來(lái)波情況下避雷器的保護(hù)范圍S。

(2)

雷電波經(jīng)由未安裝MOA的桿塔傳至安裝MOA的桿塔時(shí),避雷器先于遭受雷擊桿塔絕緣子動(dòng)作從而保護(hù)周圍桿塔,因此該情況下的保護(hù)范圍同時(shí)也是MOA能保護(hù)雷電波不入侵的距離,設(shè)來(lái)波所能入侵到距離MOA最近的點(diǎn)為d1,以安裝MOA桿塔為原點(diǎn),[0,d1]m即為保護(hù)范圍S。

1.2.2 雷擊避雷器桿塔時(shí)避雷器的保護(hù)范圍

當(dāng)落雷點(diǎn)(感應(yīng)點(diǎn))位于安裝避雷器的桿塔時(shí),避雷器動(dòng)作。此時(shí),雷電流主要由:1)避雷器導(dǎo)通后通過(guò)桿塔然后泄放至大地;2)經(jīng)線路傳播后擊穿下一桿塔絕緣子經(jīng)過(guò)桿塔泄放至大地。過(guò)電壓傳至周圍的桿塔使之發(fā)生跳閘的現(xiàn)象稱之為高電位轉(zhuǎn)移。

設(shè)遭受雷擊桿塔為1號(hào)桿塔,使用避雷器最大流通能量作為判據(jù)。當(dāng)雷電流使MOA達(dá)到最大流通能量時(shí),調(diào)整1號(hào)與2號(hào)桿塔間的檔距。若鄰近的2號(hào)桿塔在檔距為d2時(shí)恰好發(fā)生相間閃絡(luò)時(shí),以1號(hào)桿塔為原點(diǎn),[0,d2]范圍即高電位傳播的距離,則此時(shí)的保護(hù)范圍為[d2,∞)m。

在仿真中導(dǎo)致配電線路MOA能量超限的主要因素為雷電流傳播分量。示意圖如圖3。圖4為安裝避雷器后發(fā)生高電位轉(zhuǎn)移時(shí)的等值電路。

圖3 雷擊安裝MOA桿塔處示意圖Fig.3 Diagram of installing MOA Tower in lightning strike

圖4 高電位轉(zhuǎn)移的等值電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of high potential transfer

圖4中,i1為雷電流在高電位轉(zhuǎn)移時(shí),從落雷桿塔傳播至鄰近桿塔擊穿絕緣子時(shí)的過(guò)電流分量;i2為雷電流經(jīng)安裝避雷器桿塔泄放至大地時(shí)的過(guò)電流分量;Lg為塔頂下方桿塔等值電感;Rg為桿塔接地電阻;Lx表示i1經(jīng)過(guò)的架空線路的等值電感,MOA用一個(gè)可變電阻表示。

由圖4,在ATP-EMTP中,以i2使MOA達(dá)到最大能量允許值為依據(jù),可以確定雷電流i的大小;通過(guò)調(diào)整檔距,以臨近桿塔發(fā)現(xiàn)相間短路為依據(jù),可以確定d2。

綜上,因?yàn)楸芾灼髟谏鲜鰞煞N過(guò)電壓波傳播方式時(shí)所具有的保護(hù)范圍特點(diǎn)(以安裝避雷器桿塔為原點(diǎn)計(jì)算保護(hù)范圍時(shí)):過(guò)電壓來(lái)波時(shí)指避雷器到其周圍一定距離的線路為保護(hù)范圍[0,d1]m;在高電位轉(zhuǎn)移時(shí)指避雷器到其相鄰一定距離之外的線路為保護(hù)范圍[d2,∞)m。通過(guò)避雷器最大流通能量和絕緣子發(fā)生相間閃絡(luò)的保護(hù)范圍判斷方法,在兩種不同的過(guò)電壓波傳播方式的情況下取這兩種保護(hù)范圍[0,d1]和[d2,∞)的交集,可得到MOA在10 kV配電線路中的綜合保護(hù)范圍。

2 10 kV架空配電線路仿真計(jì)算方法

通過(guò)上述理論方法,建立MOA應(yīng)用在10 kV線路中來(lái)波和高電位轉(zhuǎn)移兩種情況的仿真模型。由于配電線路的檔距、塔高及其他參數(shù)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況略有不同,通過(guò)ATP-EMTP進(jìn)行計(jì)算,可更準(zhǔn)確、便捷地設(shè)置不同環(huán)境下的線路參數(shù)。由軟件中導(dǎo)出的MOA和絕緣子的電流波形圖可直觀地觀察線路實(shí)際閃絡(luò)情況,得到所需結(jié)果。

2.1 桿塔模型

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)工程典型設(shè)計(jì)—10 kV 架空線路分冊(cè)》(2016年版)[29]規(guī)定,在本研究中搭建了典型的“品”字形單回桿頭結(jié)構(gòu)的桿塔。對(duì)10 kV架空線路桿塔建模采用了集中電感模型,并忽略橫擔(dān)的影響。桿塔等值電感取0.84 μH/m,接地電阻用工頻電阻模擬。

由于10 kV架空配電線路中工頻接地電阻一般不超過(guò)30 Ω。本研究中為了探究不同接地電阻值對(duì)10 kV架空配電線路保護(hù)范圍的影響效果,仿真中接地電阻分別取10 Ω、20 Ω和30 Ω。

2.2 絕緣子及線路模型

在仿真中使用ATP中的壓控開關(guān)模擬P-15絕緣子,開關(guān)閉合時(shí)表示絕緣子閃絡(luò)。設(shè)置中,選擇P-15絕緣子0.1%閃絡(luò)概率的放電電壓U0.1%作為開關(guān)的放電電壓。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果,P-15絕緣子的U0.1%=139 kV。導(dǎo)線參數(shù)按照J(rèn)L/G1A-70/10鋼芯鋁絞線的參數(shù)設(shè)定。

2.3 避雷器模型

氧化鋅避雷器本體使用ATP-EMTP中MOV Type92避雷器模塊進(jìn)行仿真。以(YH)HY5WS-17/50型避雷器為實(shí)例,額定電壓取17 kV,伏安特性如表1所示。

表1 (YH)HY5WS-17/50型避雷器的伏安特性Table 1 1 Volt-ammetric characteristics of (YH)HY5WS-17/50 arrester

2.4 直擊雷和感應(yīng)雷電源模型

直擊雷電流模型選用IEC1312-1中提出Heilder模型,波頭時(shí)間取2.6 μs,波尾時(shí)間取50 μs,雷電通道波阻抗取300 Ω。其模型圖如圖5所示。

圖5 直擊雷模型圖Fig.5 Model diagram of direct lightning strike

感應(yīng)雷模型由文獻(xiàn)[30]提供的模型搭建,表達(dá)式見式(3):

(3)

公式(3)中,I為雷電流幅值,單位kA;H為導(dǎo)線平均高度,取15 m;S為導(dǎo)線任意點(diǎn)距雷擊點(diǎn)水平距離最近處導(dǎo)線的長(zhǎng)度(S>65 m),Ug表示感應(yīng)電壓幅值(kV),以雷電流幅值為20 kA時(shí)感應(yīng)雷過(guò)電壓的波形為例,示例圖如圖6。其電源模型由波阻抗通道、RLC線路元件以及雷電流中Heidler模型構(gòu)成,模型如圖7所示。此感應(yīng)雷模型僅用于計(jì)算線路的雷電感應(yīng)過(guò)電壓。

圖6 感應(yīng)雷過(guò)電壓波形圖Fig.6 Inductive lightning overvoltage waveform diagram

圖7 感應(yīng)雷模型圖Fig.7 Model diagram of inductive lightning

當(dāng)落雷點(diǎn)距線路為65 m時(shí),雷電流在線路上產(chǎn)生的過(guò)電壓理論值與模型測(cè)量值比較如表2所示。

表2 雷電流在線路上產(chǎn)生的理過(guò)電壓理論值與模型測(cè)量值比較Table 2 Comparison between theoretical value and model measurement value of rational overvoltage caused by lightning current on line

通過(guò)感應(yīng)雷過(guò)電壓的理論值與模型測(cè)量值的比較,在建立的感應(yīng)雷模型中,輸出的感應(yīng)雷過(guò)電壓在波形特征和幅值方面均與理論值接近,因此采用此模型作為仿真中的感應(yīng)雷模型。

2.5 整體仿真結(jié)構(gòu)

結(jié)合上述給出的各模塊的模型及參數(shù),在ATP-EMTP中建立上述10 kV配電線路仿真模型,仿真考慮了桿塔的檔距、接地電阻大小等因素。模型包括13基桿塔,線路檔距為50 m,最左側(cè)為10 kV三相交流電源、中間的桿塔設(shè)為安裝了氧化鋅避雷器的1號(hào)桿塔,1號(hào)桿塔右側(cè)依次為2號(hào)、3號(hào)桿塔。整體仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 10 kV配電線路氧化鋅避雷器保護(hù)范圍模型圖Fig.8 Diagram of 10 kV distribution line zinc oxide arrester protection range model

2.6 仿真原理及保護(hù)范圍評(píng)判依據(jù)

針對(duì)10 kV架空線路的雷擊形式:1)感應(yīng)雷落雷;2)雷擊塔頂;3)雷擊導(dǎo)線。分別采用ATP仿真模型中的直擊雷和感應(yīng)雷電源模塊。

測(cè)量線路來(lái)波的保護(hù)范圍:1)將落雷點(diǎn)設(shè)置在2號(hào)桿塔右側(cè)某一點(diǎn);2)調(diào)整雷電流大小,當(dāng)傳播至MOA的雷電流使之達(dá)到最大能量允許值時(shí),導(dǎo)出此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)電壓波形圖;3)最后,通過(guò)1.2.1節(jié)中所述的來(lái)波時(shí)的保護(hù)范圍計(jì)算方法得到保護(hù)范圍。

測(cè)量高電位轉(zhuǎn)移時(shí)的保護(hù)范圍:1)設(shè)置落雷點(diǎn)為安裝MOA桿塔;2)逐漸改變雷電流幅值,觀察當(dāng)MOA吸收能量達(dá)到最大能量允許值時(shí)2號(hào)桿塔的閃絡(luò)情況。若2號(hào)桿塔發(fā)生相間短路,則適當(dāng)增大1、2號(hào)桿塔間檔距,當(dāng)檔距為某一值使2號(hào)桿塔正好不發(fā)生相間短路時(shí),此時(shí)檔距視為保護(hù)距離。

3 避雷器保護(hù)范圍的計(jì)算實(shí)例及接地電阻的影響

為了計(jì)算過(guò)電壓來(lái)波時(shí)MOA的最佳安裝方式,本研究基于ATP-EMTP仿真軟件對(duì)上述3種雷擊場(chǎng)景探究避雷器的保護(hù)范圍。仿真模型以安裝MOA的桿塔為中心,由于桿塔兩側(cè)線路參數(shù)相同,因而只需考慮一側(cè)的保護(hù)距離情況即可。以安裝MOA的桿塔作為1號(hào)桿塔(1號(hào)桿塔右側(cè)桿塔分別為2號(hào)、3號(hào)桿塔…以此類推),描述保護(hù)范圍時(shí)均以1號(hào)桿塔為原點(diǎn)。

3.1 線路來(lái)波時(shí)MOA的保護(hù)范圍計(jì)算

由于10 kV架空線路沒有避雷線,當(dāng)雷擊桿塔時(shí),需要先經(jīng)過(guò)絕緣子或避雷器放電,過(guò)電壓波才能傳到下一基桿塔。因而,該雷擊形勢(shì)下,避雷器只能保護(hù)本基桿塔。

運(yùn)用2.6節(jié)中仿真原理及保護(hù)范圍評(píng)判依據(jù)對(duì)感應(yīng)雷和雷擊導(dǎo)線2中雷擊形式下,線路來(lái)波時(shí)的保護(hù)范圍進(jìn)行分析。

3.1.1 感應(yīng)雷

感應(yīng)雷在三相導(dǎo)線中同時(shí)存在。仿真中,桿塔接地電阻設(shè)為30 Ω,由圖7的仿真模型中,選取2號(hào)桿塔右側(cè)線路為落雷點(diǎn)。當(dāng)改變雷電流幅值至52.5 kA時(shí),仿真得到此時(shí)MOA吸收能量達(dá)到12 300 J,此時(shí)感應(yīng)到1號(hào)桿塔上的過(guò)電壓幅值為189 kV,1號(hào)桿塔三相線路上的過(guò)電壓波形如圖9。

圖9 感應(yīng)雷電流為52.5 kA時(shí)1號(hào)桿塔上的過(guò)電壓波形Fig.9 Overvoltage waveform on tower No.1 when inductive lightning current is 52.5 kA

通過(guò)圖9的過(guò)電壓波形,由相交法得到tb=3.09×10-7s、tj=1.46×10-6s,結(jié)合(2)式可得到此時(shí)保護(hù)范圍為172 m,相交法示意圖如圖10所示。

圖10 感應(yīng)雷下189 kV過(guò)電壓時(shí)相交法求解保護(hù)范圍Fig.10 Solution of protection range by intersection method of 189 kV overvoltage in inductive lightning

同理,將安裝1號(hào)桿塔接地電阻分別設(shè)置為20 Ω和10 Ω,落雷點(diǎn)和檔距等設(shè)置不變,可得到MOA在12 300 J的過(guò)電壓分別為175 kV和156 kV。運(yùn)用相交法,可得接地電阻分別為20 Ω和10 Ω時(shí)的保護(hù)范圍分別為188 m和214 m。

3.1.2 雷擊導(dǎo)線

1號(hào)桿塔接地電阻設(shè)為30 Ω,落雷點(diǎn)為2號(hào)桿塔右側(cè)B相導(dǎo)線上。當(dāng)逐漸調(diào)整雷電流大小為37.1 kA時(shí),位于1號(hào)桿塔的避雷器吸收能量達(dá)到12 300 J,線路上過(guò)電壓大小為210 kV,電壓波形如圖11所示。

圖11 雷擊導(dǎo)線電流為37.1 kA時(shí)1號(hào)桿塔上的過(guò)電壓波形Fig.11 Overvoltage waveform on tower No.1 when lightning conductor current is 37.1 kA

將此時(shí)的電壓波形結(jié)合相交法得到tb=1.5×10-7s、tj=7.92×10-7s,相交法示意圖如圖12所示,由公式(2)得此時(shí)保護(hù)范圍為96.3 m。

圖12 雷擊導(dǎo)線時(shí)210 kV過(guò)電壓時(shí)相交法求解保護(hù)范圍Fig.12 Solution of protection range by intersection method of 210 kV overvoltage in lightning stroke conducter

同理,將1號(hào)桿塔接地電阻設(shè)為20 Ω和10 Ω,落雷點(diǎn)設(shè)檔距設(shè)置不變。MOA流通能量達(dá)到12 300 J時(shí)過(guò)電壓值分別為198 kV和180 kV,由相交法和公式(2)可分別得此時(shí)保護(hù)范圍為102.8 m和115.4 m。

3.2 雷擊安裝MOA桿塔時(shí)的保護(hù)范圍計(jì)算

發(fā)生高電位轉(zhuǎn)移的落雷點(diǎn)都為1號(hào)桿塔,因此只需研究位于1號(hào)桿塔的MOA在吸收能量達(dá)到最大能量允許值12 300 J時(shí)周圍桿塔發(fā)生閃絡(luò)的情況。計(jì)算原理采用高電位轉(zhuǎn)移原理。

3.2.1 感應(yīng)雷

設(shè)置1號(hào)桿塔接地電阻為30 Ω,當(dāng)感應(yīng)雷電流的幅值為41.3 kA時(shí),仿真顯示1號(hào)桿塔上的MOA吸收能量達(dá)到12 300 J,MOA上的過(guò)電壓波形如圖13所示,此時(shí)2號(hào)桿塔發(fā)生B、C相絕緣子閃絡(luò)。

圖13 感應(yīng)雷電流為41.3 kA時(shí)MOA上的電壓波形Fig.13 Voltage waveform on MOA when inductive lightning current is 41.3 kA

調(diào)整此時(shí)檔距,仿真測(cè)得當(dāng)2號(hào)桿塔距離1號(hào)桿塔55 m時(shí),桿塔只發(fā)生B相閃絡(luò),電流波形如圖14所示。因此當(dāng)桿塔接地電阻為30 Ω時(shí),MOA的保護(hù)范圍為[55, ∞)m。

圖14 2號(hào)桿塔距1號(hào)桿塔55 m時(shí)的電流波形Fig.14 Current waveform of tower No.2 over 55 m from tower No.1

圖15 雷擊塔頂雷電流為20.4 kA時(shí)MOA上的電壓波形Fig.15 Voltage waveform on MOA when lightning striking the tower top current is 20.4 kA

同理,將1號(hào)桿塔接地電阻設(shè)為20 Ω和10 Ω,仿真測(cè)得當(dāng)雷電流大小為37.9 kA和32 kA時(shí)MOA吸收能量達(dá)到最大能量允許值。在這兩種阻值下,測(cè)得2號(hào)桿塔距離1號(hào)桿塔小于50 m和47 m時(shí)發(fā)生相間短路,因此此時(shí)MOA在桿塔接地電阻為20 Ω和10 Ω時(shí)的保護(hù)范圍為 [50,∞)m和 [47,∞)m。

3.2.2 雷擊塔頂

落雷點(diǎn)設(shè)為1號(hào)桿塔塔頂,1號(hào)桿塔接地電阻設(shè)為30 Ω,雷電流大小逐漸調(diào)整為為20.4 kA時(shí),1號(hào) 桿塔MOA電壓波形如圖17所示,此時(shí)MOA吸收能量達(dá)到最大能量允許值12 300 J,2號(hào)桿塔未發(fā)生絕緣子相間閃絡(luò)。

調(diào)整線路檔距,當(dāng)2號(hào)桿塔距離1號(hào)桿塔48 m時(shí)恰好發(fā)生B、C相間閃絡(luò),而檔距調(diào)整為49 m時(shí),2號(hào)桿塔只發(fā)生B相閃絡(luò),電流波形圖如圖16所示。因此該情況下MOA的保護(hù)范圍為[49,∞)m。

圖16 2號(hào)桿塔距離1號(hào)桿塔49 m時(shí)的電流波形Fig.16 Current waveform of tower No.2 over 49 m from tower No.1

同理,將1號(hào)桿塔接地電阻設(shè)為20 Ω和10 Ω,仿真測(cè)得當(dāng)雷電流大小為22.9 kA和26.5 kA時(shí)MOA吸收能量達(dá)到最大能量允許值。在這兩種阻值下,測(cè)得2號(hào)桿塔距離1號(hào)桿塔小于45 m和43 m 時(shí)發(fā)生相間短路,因此此時(shí)MOA在桿塔接地電阻為20 Ω和10 Ω時(shí)的保護(hù)范圍為 [45,∞)m和 [43,∞)m。

3.2.3 雷擊導(dǎo)線

設(shè)落雷點(diǎn)設(shè)為1號(hào)桿塔B相導(dǎo)線上,設(shè)安裝了避雷器的1號(hào)桿塔接地電阻為30 Ω,當(dāng)雷電流大小為23.8 kA時(shí),MOA吸收能量達(dá)到最大允許值12 300 J,此時(shí)1號(hào)桿塔上MOA電壓波形如圖17所示。

圖17 雷電流為23.8 kA時(shí)MOA上的電壓波形Fig.17 Voltage waveform on MOA when lightning conductor current is 23.8 kA

仿真測(cè)得在初始檔距為50 m時(shí),2號(hào)桿塔只發(fā)生B相閃絡(luò),電流波形如圖18所示。調(diào)整此時(shí)檔距,發(fā)現(xiàn)當(dāng)2號(hào)桿塔距離1號(hào)桿塔距離小于50 m時(shí),2號(hào)桿塔發(fā)生相間閃絡(luò)。因此當(dāng)桿塔接地電阻為30 Ω時(shí),因此該情況下MOA的保護(hù)范圍為[50,∞)m。

圖18 2號(hào)桿塔距離1號(hào)桿塔50 m時(shí)的電流波形圖Fig.18 Current waveform of tower No.2 over 50 m from tower No.1

同理,將1號(hào)桿塔接地電阻設(shè)為20 Ω和10 Ω,仿真測(cè)得當(dāng)雷電流大小為18.8 kA和17.5 kA時(shí)MOA吸收能量達(dá)到最大能量允許值。在這兩種阻值下,測(cè)得2號(hào)桿塔距離1號(hào)桿塔小于47 m和44 m 時(shí)發(fā)生相間短路,因此此時(shí)MOA在桿塔接地電阻為20 Ω和10 Ω時(shí)的保護(hù)范圍為 [47,∞)m和 [44,∞)m。

4 避雷器的保護(hù)范圍和安裝密度

由上述仿真及計(jì)算可知,雷擊形式、接地電阻的大小是配電線路中MOA保護(hù)范圍的重要影響因素。在感應(yīng)雷、雷擊塔頂(僅高電位轉(zhuǎn)移情況)、雷擊導(dǎo)線時(shí),綜合2種原理的保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果,將接地電阻值依次設(shè)為10 Ω、20 Ω和30 Ω,分別得到MOA在不同接地電阻大小、不同雷擊形式下的保護(hù)范圍如表3所示。

表3 MOA的綜合保護(hù)范圍Table 3 Comprehensive protection range of MOA m

通過(guò)在10 kV架空配電線路中對(duì)過(guò)電壓來(lái)波與高電位轉(zhuǎn)移情況下氧化鋅避雷器的保護(hù)范圍計(jì)算,由表3可知:

1)在感應(yīng)雷、雷擊導(dǎo)線2種情況下,氧化鋅避雷器在過(guò)電壓來(lái)波時(shí)的保護(hù)范圍隨著安裝MOA桿塔接地電阻的減小而增大。而在高電位轉(zhuǎn)移下MOA保護(hù)范圍受桿塔接地電阻的影響不明顯。

2)在感應(yīng)雷過(guò)電壓來(lái)波情況時(shí),安裝MOA桿塔接地電阻的減小可顯著增大MOA的保護(hù)范圍。由感應(yīng)雷時(shí)的保護(hù)范圍數(shù)據(jù)可知,桿塔接地電阻大小為10 Ω時(shí)比接地電阻為30 Ω時(shí)的保護(hù)范圍增加24%。但在雷擊導(dǎo)線過(guò)電壓來(lái)波情況下接地電阻的減小對(duì)于MOA的保護(hù)范圍影響甚微。

3)落雷形式是影響MOA保護(hù)范圍的主要因素,接地電阻對(duì)MOA保護(hù)范圍的影響次之。

5 避雷器安裝方式的選擇

根據(jù)《10 kV配電線路典型設(shè)計(jì)手冊(cè)》,一般情況下配電線路桿塔接地電阻不大于30 Ω,桿塔檔距長(zhǎng)度一般為50～80 m。

為統(tǒng)一計(jì)算,以平均70 m檔距,桿塔接地電阻取30 Ω為例,根據(jù)上節(jié)中對(duì)于MOA在10 kV線路中保護(hù)范圍的計(jì)算結(jié)果。為使避雷器可以全面保護(hù)線路,各種情況下保護(hù)范圍最小為[50,96]m。因此,避雷器的最佳安裝方式是隔一基桿塔安裝一組氧化鋅避雷器。

對(duì)于直擊雷危害較少的地區(qū),若主要考慮感應(yīng)雷危害。由于感應(yīng)雷落雷下MOA最小保護(hù)范圍分別為[55,172]m。當(dāng)使用隔兩基桿塔安裝一組氧化鋅避雷器時(shí),可保護(hù)全線免遭大部分感應(yīng)雷危害。若對(duì)安裝避雷器桿塔接地電阻進(jìn)行降阻,則可有效擴(kuò)大MOA的保護(hù)范圍,例如接地電阻為10 Ω時(shí),可每隔三基桿塔安裝一組MOA,即可保護(hù)全線免遭雷擊災(zāi)害。

6 結(jié)論

1)基于提高10 kV架空配電線路防雷配置可靠性與經(jīng)濟(jì)性的理念,降低人工維護(hù)避雷器的成本,本研究在避雷器安裝方式上進(jìn)行了探究,給出了其適用性核算方法和具體的安裝方法。

2)以10 kV架空線路典型設(shè)計(jì)中的品字形桿塔和檔距為計(jì)算實(shí)例,得到了不同雷擊形式和不同雷電波傳播方式下的保護(hù)范圍的測(cè)算。當(dāng)安裝避雷器桿塔的接地電阻為30 Ω時(shí),得到了感應(yīng)雷、雷擊塔頂、雷擊導(dǎo)線情況下MOA對(duì)線路的保護(hù)范圍分別為[55,172] m、[45,∞)m(僅高電位轉(zhuǎn)移情況)、[50,96]m。

3)桿塔接地電阻減小會(huì)明顯提高10 kV架空線路中感應(yīng)雷過(guò)電壓下線路保護(hù)范圍,尤其是線路來(lái)波時(shí)的保護(hù)范圍,但對(duì)于雷擊塔頂和雷擊導(dǎo)線的線路來(lái)波保護(hù)范圍提升甚微。

4)配電線路使用避雷器每隔兩基桿塔安裝一組的安裝方式具有維護(hù)次數(shù)少,效果好的優(yōu)點(diǎn),可在多雷區(qū)的10 kV架空線路推廣使用。