35 kV线路耐雷水平影响因素仿真研究

李想，姜伟

（郑州财经学院机电工程系，郑州 450000）

35 kV线路耐雷水平影响因素仿真研究

李想，姜伟

（郑州财经学院机电工程系，郑州 450000）

开展输电线路耐雷水平影响因素的研究是科学的输电线路防雷设计的基础。由于我国规程规定，35 kV的配电网是不需要全线架设避雷线的，这对农网35 kV配网的线路防雷工作带来了非常大的困难。选择雷击事故较为严重的35 kV某线作为研究对象，结合该线路的具体参数，利用电力系统电磁暂态计算程序 （ATP－EMTP）进行仿真计算。利用所建立的仿真模型，针对接地电阻、绝缘子片数、有无避雷线、杆塔呼称高度、线路档距等因素进行了仿真，分析了其对35 kV输电线路耐雷水平的影响。同时，分析研究了加装线路型避雷器以及避雷器多种不同布置方式下，对输电线路绕击和反击线路耐雷水平的影响，为工程实际中35 kV线路的综合性防雷提供理论依据。

35 kV输电线路；耐雷水平；ATP仿真

0 引言

开展输电线路耐雷水平的影响因素研究是科学的输电线路防雷设计的基础，可以为输电线路的综合耐雷水平性能的评估以及发现线路防雷的薄弱环节提供理论依据。

雷电是一种十分严重的自然灾害，任何人造设备在强雷环境中都会受到巨大损失。在直击雷和感应雷等的影响下，容易造成配电线路及配电设备的损害[1]。

现今，常见的输电线路的防雷措施，主要以架设避雷线为主，还有提升线路绝缘水平、降低杆塔的接地电阻、采用多重屏蔽、减小避雷线屏蔽角，甚至采用负角保护等保护措施。但由于受到杆塔的结构以及走廊的宽度限制，使得提高线路绝缘水平的措施不太容易实施，即使可行也增加了投资成本。而在土壤电阻率较高的山区，降低杆塔的接地电阻非常困难，难以满足规程要求[2]。并且采用多重屏蔽和减小屏蔽角以及负角保护的方法同样受限于杆塔结构，难以对一些老线路进行改造，除此之外，由于山区地形的限制，处于山坡段的线路绕击率更高，没有较好的方法来解决线路绕击跳闸率高的问题。

由于我国的规程规定，35 kV的配电网是不需要全线架设避雷线的，也不需要线路换位，对线路的绝缘水平要求不高，并且以前在进线段上安装的管型避雷器很多都已经不能正常工作了，很多消弧线圈也都已停用，虽然仍有部分消弧线圈在使用，但是它们的运行状况也不是很理想[3]。以上因素对农网35 kV配网的线路防雷工作带来了非常大的困难。因此对于35 kV配网防雷措施的研究有着重要的理论与实践价值。

笔者选择雷击事故较为严重的35 kV某线作为研究对象，结合该线路的具体参数，利用电力系统电磁暂态计算程序（ATP-EMTP）进行仿真计算。根据仿真模型，针对接地电阻、绝缘子片数、有无避雷线、杆塔呼称高度、线路档距等因素对35 kV输电线路耐雷水平的影响进行了仿真分析。同时，分析研究了雷击导线时35 kV线路耐雷水平影响因素。

1 仿真模型

选取雷害事故较为严重的35 kV某线进行研究，结合实际线路参数，确定用于仿真的输电线模型、杆塔模型、绝缘子闪络模型、避雷器模型，为利用ATP仿真计算线路耐雷水平做好准备工作。

1.1 输电线路模型

某线导线及避雷线参数：导线型号LGJ-120/25，导线计算直径1.574 cm，直流电阻0.2345Ω/km。避雷线型号为GJ-35，计算直经0.78 cm，直流电阻1.9Ω/km。

1.2 杆塔模型

目前在国内外输电线路防雷计算中，杆塔的模拟主要有集中参数电感模型、单一波阻抗模型以及多波阻抗3种模型[4]。

笔者采用集中参数电感模型对璧山35 kV配网所用的ZHB2门型塔结构杆塔进行建模，杆塔模型见图1。

图1 门型塔塔电感模型Fig.1 The gate type tower inductancemodel

图中，R 为杆塔接地电阻；L1、L3、L4、L6分别为杆塔等效电感；L2、L5、L7、L8为杆塔横担等效电感。不同型式杆塔的等值电感见表1。

表1 杆塔等值电感的参考值Table 1 Reference value of tower equivalent inductance

1.3 绝缘子串闪络模型

现今，国内外比较认可的研究绝缘子闪络模型有3种：50%绝缘子闪络法；相交法；先导法[5-6]。本文采用50%绝缘子闪络法建模。

35 kV某线采用3片、4片或者5片XWP2-70绝缘子，按下式计算绝缘子串的50%放电电压

式中，N为绝缘子片数。

1.4 避雷器模型

计算所用线路型避雷器的型号为YH5CX-42/120，其基本参数见表2。其正常使用条件：工作电压不超过产品的持续运行电压；电源频率范围40Hz~62Hz；环境温度范围-40~40°C；地震强度在里氏7级及以下；最大的风速不超过35m/s。在ATP建模计算时，线路型避雷器的伏安特性利用分段线性化来模拟，其伏安特性见表3。

表2 35 kV线路型避雷器基本参数Table 2 Basic parameters of 35 kV line type arrester

表3 35 kV避雷器伏安特性Table 3 Voltam pere characteristic of 35 kV arrester

2 雷击杆塔时35 kV线路耐雷水平影响因素的仿真分析

2.1 杆塔接地电阻对35 kV线路反击耐雷水平的影响

雷击杆塔时，因输电导线及避雷线的波阻抗远大于杆塔接地电阻，故雷电流大多经杆塔流入大地。因此，有必要计算分析不同杆塔接地电阻下的线路反击耐雷水平。

杆塔的引雷面积随着杆塔高度增加而增大，从而落雷次数也增加，与此同时，当雷击中塔顶后，雷电流波以及反射波在横担或塔顶上传播的时间也会变长，导致横担或塔顶的电位增高，更容易形成反击。因此，有必要计算分析不同杆塔高度下的线路反击耐雷水平[7]。

线路采用4片XWP2-70绝缘子，利用ATP软件在杆塔接地电阻分别取为5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω，杆塔呼称高度取为10.5m、12.5m、14.5m、16.5 m、18.5 m的情况下，对档距为220 m的ZHB2直线塔进行仿真，得出其反击耐雷水平。

针对无避雷线的35 kV线路、有1根避雷线的35 kV线路、有2根避雷线的35 kV线路3种情况进行仿真分析，在不同呼称高度以及不同杆塔接地电阻值条件下线路的具体反击耐雷水平分别见图2、图 3 和图 4。

图2 杆塔高度和杆塔接地电阻对无避雷线35 kV线路耐雷水平的影响Fig.2 Influence of the tower heightand the tower grounding resistance on lightningwithstand level of 35 kV line without lightning line

图3 杆塔高度和杆塔接地电阻对有1根避雷线35 kV线路耐雷水平的影响Fig.3 Influence of the tower heightand the tower grounding resistance on lightning withstand level of 35 kV line with 1lightning line

图4 杆塔高度和杆塔接地电阻对有2根避雷线35 kV线路耐雷水平的影响Fig.4 Influence of the tower heightand the tower grounding resistance on lightningwithstand level of 35 kV linewith 2 lightning line

对比仿真结果可以得出：1）对于无避雷线的线路，当杆塔的呼称高度一定时，35 kV线路的反击耐雷水平都随着杆塔接地电阻值的增加而降低；当杆塔接地电阻值一定时，35 kV线路的反击耐雷水平随着杆塔呼称高度的增加而降低。2）随着避雷线数量的增加，线路反击耐雷水平也越来越高。有避雷线时，杆塔的耐雷水平要比没有避雷线时高出许多，这是由于增加的避雷线为雷电流提供了新的流散通道，从而提高了线路的耐雷水平。

2.2 绝缘子片数对35kV线路耐雷水平的影响

为了探究不同绝缘水平情况下线路的耐雷水平变化，选择杆塔的接地电阻为10Ω，利用ATP软件在 XWP2-70 绝缘子片数为 3、4、5、6，杆塔呼称高度值取10.5m、14.5m、18.5m时，对档距为220m的ZHB2直线塔进行仿真计算，得到线路反击耐雷水平。

同样分别对无避雷线、有1根避雷线、有2根避雷线的35 kV线路进行仿真分析。在不同呼称高度以及不同绝缘子片数条件下，线路的具体反击耐雷水平分别见图5、图6和图7。

图5 绝缘子片数对无避雷线35 kV线路耐雷水平的影响Fig.5 Effectof number of insulators on lightningwithstand level of 35 kV transmission line without lightning line

图6 绝缘子片数对有1根避雷线35 kV线路耐雷水平的影响Fig.6 Effectof number of insulators on lightning withstand level of 35 kV transmission linewith 1 lightning line

图7 绝缘子片数对有2根避雷线35 kV线路耐雷水平的影响Fig.7 Effectof insulatorswith 2 lightning line 35 kV line lightning protection level

结合图中数据可知：1）当杆塔的呼称高度一定时，35 kV线路的反击耐雷水平随着绝缘子片数的增加而增加。这是由于耐雷水平的增加得益于绝缘子串的U50%冲击放电电压的增加，而绝缘子串的U50%冲击放电电压在不同的绝缘子片数下非线性，所以造成耐雷水平在不同的绝缘子片数下呈现非线性。2）随着绝缘子片数的增加，杆塔呼称高度对线路耐雷水平的影响增大。因为杆塔呼称高度增加，导致线路耐雷水平的降低幅度增大。同样对于有1根和有2根避雷线的情况，依然符合此规律。3）随着杆塔呼称高度的增加，绝缘子片数的增加导致线路耐雷水平的提高幅度减小，绝缘子片数对线路耐雷水平的影响减小。

2.3 线路档距对35 kV线路耐雷水平的影响

由于雷击中杆塔塔顶或者避雷线时，雷电流主要经过杆塔流入大地，在塔顶或者横担处形成较高的电位，经查阅资料显示，改变线路档距对提高雷击塔顶时的耐雷水平无任何实际意义[8-9]。本文在此不做过多分析。

2.4 加装金属氧化物避雷器对35 kV线路耐雷水平的影响

雷击杆塔时，由于雷击暂态过程的时间短，可以忽略较远杆塔对被击杆塔的分流作用[10]。因此笔者选取35 kV某线容易遭受雷击的5基杆塔作为目标计算杆塔的等值电路，见图8，图8为雷击杆塔时的杆塔计算模型。按图中所示将杆塔编号为1号，2号，3号，4号，5号杆塔。

图8 雷击杆塔计算模型Fig.8 The calculationmodel of lightning tower

从前面几节的仿真结果可以看出，有无避雷线对线路耐雷水平的影响是显著的，因此本节中将不再考虑无避雷线存在的35 kV线路加装避雷器的情况。重点研究在架设1根和2根避雷线以及避雷器安置在不同位置的情况下，35 kV线路耐雷水平的变化。

2.4.1 安装线路型避雷器对线路耐雷水平的影响

在杆塔呼称高度为12.5m，线路档距为220m，绝缘子片数为4片的情况下，利用ATP软件对杆塔接地电阻分别取 5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω，有 1根和2根避雷线时，线路安装线路型避雷器前后的线路耐雷水平进行仿真计算。

假设每次雷均击在中间3号杆塔。安装1组避雷器时，避雷器装于3号杆塔；安装3组避雷器时，避雷器分别安装于中间3基2号、3号、4号杆塔。因此，线路的反击耐雷水平在安装不同数目避雷器情况下的仿真计算结果见图9。

通过对比分析图9，可得出如下结论：1）线路反击雷耐雷水平随着避雷器的组数增大而提高。2）杆塔接地电阻的增大对线路型避雷器有削弱作用。随着杆塔接地电阻的增大，反击雷的耐雷水平下降的陡度逐渐变缓。原因是虽然雷电流分流的多少和杆塔塔顶电位的高低直接由杆塔接地电阻决定，但是由于避雷器具有分流钳电位作用[11]，能使塔顶电位能够与导线电位较为接近，接近的程度与杆塔接地电阻没有关系，因此，减小了杆塔接地电阻对耐雷水平的影响。

图9 不同组数避雷器时线路的耐雷水平Fig.9 The differentgroups of the lightningwithstand level of the line arrester

除此之外还能得到与前面章节类似的结论：在相同的避雷器安装方案下，杆塔接地电阻相同时，有2根避雷线线路的耐雷水平均比有1根避雷线时高；还有在装设的线路避雷器组数相同的情况下，线路反击耐雷水平随着杆塔接地电阻的增加而降低。

2.4.2 线路型避雷器布置方式对线路耐雷水平的影响

对于避雷器在线路上的具体安装方式，针对具体的线路还需要探究其适当的布置方式。

以下将分别针对遭受雷击的3号杆塔上一相、两相、三相安装避雷器的情况，做仿真分析。仿真假设雷击点为3号杆塔的左侧塔顶（见图10），根据各项安装避雷器的情况，分别选取A相，B、C相，A、B、C三相的反击雷耐雷水平作为仿真输出结果。

图10 雷击3号杆塔示意图Fig.10 Schematic diagram of the lightning on No.3 tower

当线路有1根、2根避雷线时的仿真结果分别见图11和图12。

图11 有1根避雷线的线路在避雷器不同布置方式下的耐雷水平Fig.11 The lightning protection level of lightning arrester under differentarrangementwith 1 lightning line

图12 有2根避雷线的线路在避雷器不同布置方式下的耐雷水平Fig.12 The level of lightning arrester is in under the different arrangements of the two lightning line

通过比较分析，可以得出如下结论：

1）杆塔接地电阻增大，线路反击耐雷水平降低。

2）杆塔的反击雷耐雷水平随着安装避雷器的个数的增多而提高。

3）仿真中，安装避雷器的相邻杆塔会先发生闪络，结合上文的分析可知，避雷器的保护范围是有限的，杆塔的反击耐雷水平与邻近杆塔是否装避雷器也有关系。邻近杆塔如装有避雷器，可大大提高杆塔的反击耐雷水平。

3 雷击导线时35 kV线路耐雷水平影响因素

在无避雷线线路，或者因某些原因避雷线屏蔽失效时[12-13]，可能会发生雷电绕击现象，即雷电就有绕过避雷线击中导线。

由于雷绕击输电导线时，杆塔的接地电阻、杆塔呼称高度对绕击耐雷水平几乎没有影响[14]，因此仅对绝缘子片数以及线路型避雷器的布置方式对线路绕击耐雷水平的影响进行研究。

本节将分别针对绝缘子片数为3、4、5片的双避雷线线路，在杆塔接地电阻为10Ω的情况下，雷电绕过避雷线击中导线时（见图13），绝缘子上一相、两相以及三相安装避雷器的情况，做出仿真计算。由于3相导线上方架设有避雷线，因此中间相导线，几乎不容易被雷电击中，重点探究雷电绕击两侧导线时，避雷器的不同布置方式对线路绕击耐雷水平的影响。下文将以图中左侧导线被雷击中为例进行仿真计算，结果见表4和图14。

图13 雷绕击输电线路示意图Fig.13 Schematic diagram of lightning shielding transmission line

表4 有2根避雷线的线路在避雷器不同布置方式下的绕击耐雷水平Table 4 The shielding levelof lightning arrester under the differentarrangements w ith two lightning line kA

图14 有2根避雷线的线路在避雷器不同布置方式下的绕击耐雷水平Fig.14 The shielding level of lightning arrester under the differentarrangementswith two lightning line

分析比较表4和图14中仿真数据可知，以上7种布置方式的防雷效果优劣顺序为 g＞f＞e＞c＞d＞b＞a。可以得出如下结论：

1）在被击相安装避雷器有较好的防雷效果。例如表 4和图 14中，在绝缘子片数为 4片时，c、e、f、g布置方式下的线路绕击耐雷水平最低为30.5 kA，最高为35.5 kA，相当于其他的a、b、d几种布置方式的平均耐雷水平6.5 kA的4.69～5.46倍。也就是说在被击相安装避雷器的布置方式能够大大提高线路绕击耐雷水平，是非常有效的安装方式。

2）线路绕击耐雷水平随绝缘子片数的增加而有所提高。结合图14横向比较表4中的线路绕击耐雷水平，线路绕击耐雷水平都随着绝缘子片数的增加而提高。例如表4中g布置方式下的绕击耐雷水平，绝缘子片数从3片增加到5片，绕击耐雷水平从29.3 kA增加到35.5 kA。同样对于其他布置方式仍有类似增长。

3）对于被击相已经安装避雷器时，再增加安装其他相避雷器作用不大。例如将e、f、g布置方式与c布置方式对比，表4中，当绝缘子片数为5片时，线路绕击耐雷水平分别增加了2.2 kA、0.9 kA、3.4 kA，增幅为6.8%、2.8%、10.6%。很明显绕击耐雷水平的增幅非常小，在考虑经济的情况下，可以只在雷击相安装线路避雷器。

4 结论

结合35 kV某线的具体运行参数，利用暂态仿真软件ATP对大丁线易击杆塔段建立仿真模型，分别分析了线路反击和绕击耐雷水平的影响因素，并探究了加装线路避雷器以及避雷器不同的安装方式对耐雷水平的影响。得到了如下结论：

1）雷击杆塔时，线路的反击耐雷水平随着杆塔呼称高度、杆塔接地电阻的增加而降低，而随着绝缘子片数的增加呈非线性增长。同时，在有避雷线时，线路杆塔的反击耐雷水平明显高于无避雷线的情况。而线路档距对于35 kV线路的反击耐雷水平基本没有影响。

2）雷击杆塔时，杆塔的耐雷水平与该杆塔以及邻近杆塔是否装设避雷器有关。杆塔的反击耐雷水平随着安装避雷器的个数增多而提高。杆塔接地电阻的增大对线路型避雷器有削弱作用。随着杆塔接地电阻的增大，反击雷的耐雷水平下降的陡度逐渐变缓。

3）当雷击在导线上时，线路绕击耐雷水平随着绝缘子片数的增加而提高。线路的绕击耐雷水平在加装避雷器后相对无避雷器时有较大提高，其中，当被击相安装有避雷器时效果最佳。

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Simulation Study on the Influence Factors of Lightning W ithstand Level of 35 kV Transm ission Line

LIXiang，JIANG W ei
（Zhengzhou Finance and Economics Institute ofMechanical and Electrical Engineering， Zhengzhou 450000， China）

The study on the influence factors of lightning withstand level of transmission line is the foundation of science of the lightning protection design of transmission line.National regulations stipulates that the 35 kV distribution network is not required to set up lightning lines across the board,which on the 35 rural kV network distribution line lightning protection work has brought great difficulties.In this paper,a 35 kV line with severe lightning accident is chosen as the object of study.According to the specific parameters of the circuit,the electromagnetic transient program (ATP－EMTP)is used for simulation calculation.Using the established simulation model,for access resistance,insulator number,lightning line,tower height and span length of line,and other factors that the simulation,analyzes its influence on the lightning withstand level of 35 kV Transmission lines.At the same time,the analysis of installation of line surge arrester and lightning arrester various different arrangement under,on transmission line shielding failure and counter the effects of the lightning withstand level of the line,so as to provide a theoretical basis for the comprehensive lightning protection of 35 kV line engineering.

35 kV distribution line； lightning withstand level； ATP

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.023

2016－04－27

李 想 （1981—），女，讲师，主要研究方向为电力系统、控制类相关课程的教学和研究。