10 kV架空线路中并联间隙的单相同线安装方式

祝欢欢，杨鑫，仇炜，彭杰，易俊华，王延夫

(1. 长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114；2. 珠海供电局有限公司，广东 珠海519000；3. 惠州供电局有限公司，广东 惠州516000)

0 引言

10 kV架空线路是我国主要的配电线路，电压等级低、网络密集、结构复杂，其安全运行直接关系到用户的供电可靠性[1 - 4]。由于10 kV架空线路的防雷措施较少，在雷电活动密集的特殊地形地貌下，其耐雷水平无法满足要求，易发生雷击跳闸。统计数据表明，配电网的雷害事故约占整个电力系统雷害事故的70%～80%[5 - 7]。因而，在雷击易发地区需要采取有效措施提高10 kV架空线路耐雷水平，以提高电网的供电可靠性。

目前，10 kV架空线路的典型设计中，杆塔不单独铺设接地装置，不加装避雷线，仅在配变台区等配电设备处铺设接地装置、加装高低压侧避雷器等加强防雷[8 - 9]。雷击概率较高的地段一般采取增加绝缘子片数、更换绝缘子类型(针改棒)、加装线路避雷器等措施提高线路耐雷水平[10 - 11]，以上方法存在增加线路造价、增加运行维护工作量等问题。

在绝缘子旁安装并联间隙可以提供新的雷电流疏通通道，保护线路绝缘子，降低沿线路传播的过电压水平，是经济有效的疏导式防雷保护措施[12 - 14]。目前对10 kV架空线路并联间隙的研究主要有并联间隙的结构设计方法[15]、间隙距离确定[16 - 17]和安装位置及密度选择等[18 - 19]。然而，目前使用的并联间隙安装方式大都是采用同基杆塔上一回线路的三相同时加装的方式(简称“三相安装方式”)。由于并联间隙的放电电压和放电距离都比绝缘子小，导致线路耐雷水平降低，严重制约了并联间隙在10 kV架空线路中的推广应用。

针对并联间隙三相安装方式存在的问题，文献[20]提出了一种并联间隙的单相安装方式(简称单相变线安装方式)。该方式下，一相间隙放电，通过相间耦合可以降低另外2相线路的过电压水平，从而降低同基杆塔发生相间短路的概率，提高线路耐雷水平。但后续研究发现，由于10 kV架空线路档距较短，该安装方式下容易引发相邻杆塔的不同相间隙击穿，造成不同基杆塔间的相间短路，仍然具有一定的跳闸概率。

为了解决加装并联间隙后非同基杆塔发生相间短路的问题，本文提出了一种并联间隙的单相同线安装方式，即同一基杆塔的一回线路仅在一相安装并联间隙，相邻杆塔连续安装在同一相上。当不同基杆塔的间隙被击穿时，由于是非同基杆塔的同相间隙对地放电，不会发生两相短路，可在保护绝缘子前提下提高线路的耐雷水平。

本文利用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件，建立了10 kV架空线路仿真模型，计算在感应雷、雷击塔顶以及雷击线路3种过电压下，并联间隙的单相同线安装方式对10 kV架空线路耐雷水平的影响，并和并联间隙的单相变线安装方式进行了对比。为并联间隙单相同线安装方式的应用提供了理论基础和方法指导。

1 10 kV架空线路并联间隙的单相同线安装方式

1.1 10 kV架空线路并联间隙的安装方式

在10 kV架空线路中，传统的并联间隙安装方式是三相安装，即同一基杆塔的一回线路A、B、C三相同时加装并联间隙，且间隙距离相同，如图1所示。由于间隙的放电电压和放电距离都要小于绝缘子，该方式会导致10 kV架空线路耐雷水平下降，建弧率提高，雷击跳闸率上升。

图1 并联间隙的三相安装方式

文献[20]提出了一种并联间隙的单相安装方式(简称为单相变线安装方式)，即同一基杆塔的一回线路只安装1相，相邻的前后2基杆塔分别安装另外2相；每3基杆塔安装1组(3个)并联间隙，如图2所示。

图2 并联间隙的单相变线安装方式

对10 kV架空线路来说，针对其相间短路才会引起断路器跳闸的继电保护机制，耐雷水平In应定义为致使同一回线路两相绝缘子不同时闪络(当施加间隙时，为间隙击穿)时的雷电通道内雷电流的最大幅值，单位为kA。在该安装方式下，当一相间隙放电时，通过相间耦合，可以降低同基杆塔另外2相导线的过电压水平，从而降低另外两相绝缘子发生闪络的概率，提高了耐雷水平[20]。

进一步研究发现，单相变线安装方式对提高不同基杆塔发生相间短路时的耐雷水平作用不明显。以感应雷过电压为例，由于三相过电压幅值基本相等，而2基杆塔之间的距离又非常短(通常为80 m左右)，当首基杆塔的一相绝缘子旁并联间隙放电，其他2相过电压水平因耦合作用还未明显下降时，过电压波即传到了下一基杆塔，导致下基杆塔不同线的并联间隙放电。

如果两处放电的间隙均建弧成功，将形成非同基杆塔之间的相间短路。由于配电线路没有避雷线，该短路电流将通过大地形成回路。该短路电流一般远小于同基杆同一回线路上发生的相间短路电流，但仍有一定的概率造成断路器跳闸。不同基杆塔并联间隙放电的电流回路如图3所示。

图3 单相变线安装方式的非同基杆塔2相间隙同时放电

1.2 单相同线安装方式的过电压防护原理

针对上述问题，本文提出了一种在10 kV架空线路中并联间隙的单相同线安装方式，即同一基杆塔的1回线路仅在1相安装并联间隙，相邻杆塔连续安装在同一相。如图4所示。

图4 并联间隙的单相同线安装方式

1.2.1 10 kV架空线路遭受感应雷过电压

由于感应雷过电压在三相导线中同时存在，当线路采取了并联间隙的单相同线安装方式时，因为并联间隙的放电电压比绝缘子放电电压低，先于绝缘子放电。并联间隙放电后，其他2相过电压因耦合作用会下降，从而降低了相间过电压水平，提高线路的耐雷水平。由于并联间隙安装于同一相线路，保证了始终在该相线路泄能，可以避免非同基杆塔相间短路的情况发生。

1.2.2 雷击线路杆塔横担

图5 雷击横担过电压机理

当A相间隙被击穿后，雷过电压波随线路传播，到达相邻杆塔，使得相邻杆塔的并联间隙先放电，由于是非同基杆塔的同相并联间隙对地放电，所以不会构成非同基杆塔两相短路，在这种情况下线路不会跳闸。可见，并联间隙的单相同线安装方式既可保护线路绝缘子，又可提高线路在雷击横担时的耐雷水平。

1.2.3 雷击线路过电压

单相同线方式的并联间隙一般安装在10 kV架空线路最易遭受雷击相(杆塔的最高位置相，如图5典型塔型所示，装在A相)。当雷击A相线路时，A相间隙先于A相绝缘子放电，导致杆塔横担电位提升至UP，当UP大于B、C相绝缘子的闪络电压时，将导致线路发生相间短路。

由于并联间隙的放电电压略低于绝缘子的闪络电压，而雷电流的上升速率极快，并联间隙对横担电位的影响较小，因此并联间隙对提高线路耐雷水平的作用并不明显。此时，并联间隙的主要作用为保护线路绝缘子，提高绝缘子的使用寿命。通过线路的耦合作用，可保护B、C相绝缘子。单相同线安装方式在雷击A相线路时对耐雷水平影响不大，其主要作用为保护最易遭受雷击的A相绝缘子。

1.3 并联间隙放电电压与间隙距离的关系

本文选用的10 kV线路并联间隙与文献[20]相同。前期研究中，得到了99.9%击穿概率的间隙击穿电压UJX99.9%与间隙距离d的拟合函数[8]为：

UJX99.9%=1.01d0.8842

(1)

由式(1)可根据已知的UJX99.9%倒推得到间隙的距离d。本文所提并联间隙单相同线安装方式以10 kV架空线路典型设计中的杆塔形式为实例，杆塔示意图如图6所示。杆塔高15 m，半径190 mm，架线为三角形。由于A相最易遭受直击雷，并联间隙安装在A相上。

图6 杆塔示意图

2 仿真模型建立及效果验证

为了深入探索10 kV架空线路并联间隙的单相同线安装方式对线路耐雷水平的影响，并与单相变线安装方式的情况进行对比，搭建了10 kV架空线路过电压仿真模型，以配电线路不发生两相短路(包含不同基杆塔的相间短路)为条件，计算其最大雷电流幅值，即耐雷水平。

2.1 仿真模型搭建

本文计算模型中，杆塔、绝缘子、线路及接地电阻、直击雷等模块参数的取值与文献[20]在ATP-EMTP电磁暂态仿真软件中搭建的10 kV架空线路过电压仿真模型相同。

但考虑到文献[20]中的感应雷模块在计算中过于复杂，为更准确、便捷计算感应雷过电压时，在并联间隙不同安装方式下对10 kV架空线路耐雷水平的影响，本文选择了图7所示的产生感应雷过电压的新电源模型，该模型由雷电流Heidler模型、波阻抗通道以及RLC线路元件构成。测量点即为感应雷过电压输出点，此感应雷模型为单点施加。

图7 感应雷过电压模型图

当雷击点距线路为65 m时，雷电流在线路上产生的过电压理论值与模型测量值比较如表1所示，典型的感应雷过电压波形如图8所示。

表1 雷电流在线路上产生的过电压理论值与模型测量值

图8 感应雷过电压波形

表1的数据表明，模型测量值和理论值基本一致，感应雷模型的设计符合实际。

综上，建立10 kV架空线路整体仿真模型如图9所示。10 kV架空线路模型中共设计有13基杆塔，从电源到负荷处杆塔序号按顺序从1排到13，档距取80 m。

图9 整体仿真计算模型

2.2 模型的可靠性验证

为验证仿真结果的可靠性，把本文仿真模型在感应雷过电压下不安装并联间隙时耐雷水平的计算结果与规程法的计算结果进行对比分析。

仿真计算得知，10 kV架空线路的耐雷水平为23.8 kA。闪络时流过绝缘子的电流情况如图10所示。

图10 两个杆塔上的绝缘子闪络电流波型

我国规程推荐导线上产生的感应过电压可采用式(2)计算。

(2)

式中：Ui为感应电压值，kV；I0为雷电流，kA；h为架空线路的平均高度，m；S为雷击点与线路的距离，m。

设绝缘子的绝缘闪络电压为U50%，则架空配电线路感应雷过电压的理论耐雷水平为：

(3)

当雷击距离小于65 m时，由于线路的吸引，存在近距离落雷。设雷击距离小于65 m时为直击雷范围，10 kV架空线路导线平均高度为15 m，P15绝缘子U50%放电电压取139 kV，当线路感应雷幅值Ui大于绝缘子U50%放电电压时绝缘闪络。可知10 kV配电线路的感应雷过电压理论耐雷水平约为24.09 kA。

由此可见，仿真计算得到的10 kV架空线路耐雷水平23.8 kA与规程法计算的耐雷水平结果仅偏差1.20%，证明本文模型计算是准确可靠的。

3 并联间隙单相安装方式对10 kV架空线路耐雷水平的影响

在10 kV架空线路中，主要雷击形式是感应雷过电压，但在特殊地段也会发生雷击杆塔横担和雷电直击线路2种情况。

当10 kV架空线路不安装并联间隙时，针对10 kV架空线路在感应雷过电压、雷击杆塔横担过电压以及雷击线路过电压3种情况进行仿真计算，得到线路耐雷水平分别为23.8 kA、8.5 kA以及8.5 kA。

由文献[19]及文献[21]可知，对10 kV架空线路用P15针式绝缘子，间隙放电电压应选择在[47.04 kV,116.07 kV]范围内。

3.1 感应雷过电压下单相同线安装方式对10 kV架空线路耐雷水平的影响

并联间隙放电电压初始值设置为111.2 kV，感应雷过电压模型加在5、6号杆塔之间，当雷电流幅值增加至34.4 kA时，线路7号杆塔B、C相绝缘子发生闪络，流过7号杆塔B、C相绝缘子的电流情况如图11所示。即此时线路的耐雷水平为34.4 kA。

图11 绝缘子闪络电流

当单相安装并联间隙的放电电压由116.07 kV向47.04 kV变化时，仿真计算得到配电线路在感应雷过电压下的对应耐雷水平，如图12所示。

图12 感应雷过电压下线路耐雷水平随并联间隙放电电压变化曲线

由配电线路耐雷水平随并联间隙放电电压变化规律曲线可知：1)在并联间隙的单相同线安装方式下，10 kV架空线路在感应雷过电压下的耐雷水平得以显著提高，相比不安装并联间隙时的23.8 kA，最高提高84.87%。2)随着并联间隙距离的逐渐减小，线路耐雷水平在并联间隙放电电压为76.45～111.20 kV区间时变化较为稳定，在放电电压为62.55 kV时线路耐雷水平最大。

3.2 雷击杆塔横担过电压下单相同线安装方式对10 kV架空线路耐雷水平影响

按3.1节同样的仿真计算方法，可得当单相安装并联间隙的放电电压由116.07 kV向47.04 kV变化时，配电线路在雷击杆塔横担过电压下的对应耐雷水平如图13所示。

图13 雷击杆塔横担过电压下线路耐雷水平随并联间隙放电电压变化曲线

由配电线路耐雷水平随并联间隙放电电压变化规律曲线可知：1)当采用并联间隙的单相同线安装方式时，在雷击杆塔横担过电压下，随着并联间隙放电电压变化，10 kV架空线路的耐雷水平均高于不安装并联间隙时的耐雷水平(8.5 kA)，最高可提高103.53%；2)在并联间隙放电电压为90.35 kV及以下时，10 kV架空线路耐雷水平变化较为稳定。

3.3 雷击线路过电压下单相同线安装方式对10 kV架空线路耐雷水平的影响

按3.1节同样的仿真计算方法，可得当单相安装并联间隙的放电电压由116.07 kV向47.04 kV变化时，配电线路在雷击线路过电压下的对应耐雷水平如图14所示。

图14 雷击线路过电压下线路耐雷水平随并联间隙放电电压变化曲线

由配电线路耐雷水平随并联间隙放电电压变化规律曲线可知：在并联间隙的单相同线安装方式下，随着并联间隙距离变化，配电线路的耐雷水平(最高达到9.1 kA)相较于不安装并联间隙的8.5 kA仅提高7.06%，配电线路的耐雷水平保持稳定。因此，该安装方式的主要作用是在雷击A相线路情况下保护A相绝缘子。

4 分析和讨论

4.1 不同安装方式下10 kV架空线路耐雷水平变化的机理分析

为了进一步验证单相同线安装方式对10 kV架空线路耐雷水平的提高效果，在仿真模型中分别计算了雷击杆塔横担、雷击线路以及感应雷过电压3种情况下，不安装并联间隙，单相同线方式安装并联间隙、单相变线方式安装并联间隙时10 kV架空线路的耐雷水平。得到并联间隙的不同安装方式时，线路耐雷水平随并联间隙放电电压变化的数据曲线，分别如图15—17所示。

图16 雷击杆塔横担时耐雷水平变化曲线

图17 雷击线路过电压下耐雷水平变化曲线

由上述3种雷过电压情况下，线路耐雷水平随并联间隙放电电压变化曲线可知：

1)考虑到不同情况的相间短路，尤其是不同基杆塔发生相间短路也会引起跳闸的情况，文献[20]中提出的单相变线安装方式，虽然在雷击杆塔横担下，耐雷水平高于不安装并联间隙时的情况，最高可提升12.94%。但在10 kV架空线路最常遇到的感应雷过电压下，耐雷水平反而下降了，下降幅度可达5.78%，究其原因为感应雷过电压在三相导线中同时存在，在相邻杆塔的间隙被击穿时，由于是不同相的间隙同时对地放电会使线路发生两相短路，导致线路跳闸，耐雷水平降低。当并联间隙放电电压小于97.3 kV时，在雷击线路过电压下耐雷水平也下降了，下降幅度可达11.76%。

2)单相同线安装方式下线路的耐雷水平均高于单相变线安装方式和不安装并联间隙时的情况。感应雷过电压和雷击杆塔横担2种情况下，耐雷水平比单相变线安装方式的情况分别提高了62.26%和78.35%，究其原因为并联间隙的单相同线安装方式在相邻杆塔的并联间隙对地放电时，由于是同相并联间隙对地放电，不会发生两相短路造成线路跳闸，所以线路耐雷水平在3种雷过电压下均较并联间隙的单相同线安装方式有提高；相比不安装并联间隙，单相同线安装方式在感应雷、雷击杆塔横担以及雷击线路3种过电压下的耐雷水平最高值分别提高了84.87%、103.53%及7.06%。

仿真计算结果验证了并联间隙的单相同线安装方式在10 kV架空线路的防雷保护效果、过电压防护原理的可靠性，以及其在非同基杆塔相间短路问题上的优越性。

4.2 并联间隙单相同线安装方式下间隙距离的选择

在采用并联间隙单相同线安装方式时，从提高耐雷水平的角度考虑可以得到以下并联间隙的安装距离。

1) 感应雷过电压下，当并联间隙的放电电压为62.55～48.65 kV时，感应雷耐雷水平较高，较不安装并联间隙时线路耐雷水平提升最大，因此，当10 kV架空线路中的杆塔位于感应雷过电压影响区域时，最佳间隙距离范围为80.01～106.31 mm。

2) 雷击杆塔横担过电压下，当并联间隙的放电电压为48.65～104.25 kV之间时，并联间隙单相同线安装方式的防雷效果较优，最佳间隙距离范围为189.45～80.01 mm。

3) 雷击线路过电压下，当并联间隙的放电电压为48.65～111.2 kV时，10 kV架空线路耐雷水平提升较小，由式(1)计算得出间隙距离范围为80.01～203.79 mm。

由上述3种情况综合来看，并联间隙的放电电压值在48.65～62.55 kV时，并联间隙的单相同线安装方式对10 kV架空线路的耐雷水平影响最优，在感应雷、雷击杆塔横担2种过电压下，耐雷水平相对于不安装并联间隙时，最高提高103.53%；最低提高84.03%；在雷击线路过电压下耐雷水平可提高7.06%，其主要作用是保护最易遭受雷直击的A相绝缘子。由式(1)计算得出间隙最佳距离范围为80.01～106.31 mm。

5 结论

本文根据10 kV架空导线的特性，在电磁暂态仿真软件ATP-EMTP下合理设置了10 kV架空导线各个模块的参数，构建了10 kV架空导线的仿真计算模型，仿真模拟了在感应雷过电压、雷击横担过电压以及雷击线路过电压下并联间隙的单相同线安装方式对10 kV架空导线路耐雷水平的影响，得到并联间隙的单相同线安装方式在10 kV架空线路中防雷的优越性。具体结论如下。

1)针对10 kV架空线路，提出了并联间隙的单相同线安装方式，即同一基杆塔的一回线路仅在一相安装并联间隙，相邻杆塔连续安装在同一相上。当并联间隙被雷过电压击穿，相间耦合可以提高同基杆塔另外2相绝缘子的绝缘水平，从而提高线路的耐雷水平。

2)仿真计算结果显示并联间隙的单相同线安装方式可以显著提高配电线路的耐雷水平，并联间隙的单相同线安装方式使10 kV架空线路在感应雷、雷击杆塔横担2种过电压下，耐雷水平相对于不安装并联间隙时分别提高了84.87%、103.53%；相对于单相变线安装方式时分别提高了62.26%和78.35%。并联间隙单相同线安装方式的间隙最佳距离范围为80.01～106.31 mm。

3)并联间隙的单相同线安装方式解决了非同基杆塔相间短路影响10 kV架空线路耐雷水平的问题，比单相变线安装方式具有更能提高线路耐雷水平的优越性和稳定性，更加适合在10 kV架空线路中推广应用。