10 kV配网线路中聚氨酯复合材料电杆耐雷水平研究

吴 雄，李德阁，闻集群，胡 虔， 董中强

(1.南瑞集团有限公司，南京 210003； 2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074;3.电网雷击风险预防湖北省重点实验室，武汉 430074； 4.中国电力科学研究院有限公司， 北京 100192)

0 引 言

国内10 kV配网线路基本都更换成绝缘导线，线路绝缘水平相比裸导线有明显提高，但线路雷击事故仍然频频发生，严重影响了配电网供电的可靠性和安全性，因此提高配网线路的防雷技术已越来越被重视[1-3]。近些年，有大量文献研究过配网线路防雷技术[4-7]，详细论述了配网线路雷电感应及过电压闪络，线路耐雷评估方法，线路先导发展绕击等内容。在工程现场提高配网线路防雷措施也有多种方案，如线路加强绝缘、不平衡绝缘、安装避雷器，以及降低电杆接地装置等[8-9]，其中配网采用复合材料电杆(如聚氨酯复合材料电杆)相比传统水泥电杆，具备良好的稳定性和绝缘性，可利用其对地绝缘的特点，提升该电杆段线路绝缘强度，显著提高其雷电冲击电压，增强带电作业的安全性[10-12]。该文通过仿真建模，系统研究配网复合材料电杆和传统电杆的配合使用后线路绝缘水平特点，提出10 kV复合材料电杆线路的防雷方法及措施，增强线路的安全性和稳定性。

1 10 kV复合材料电杆线路系统建模

10 kV聚氨酯复合材料电杆线路的防雷技术研究以ATP仿真计算为主，该文以沧州10 kV刑成5611线改造工程为例进行系统建模，通过计算复合材料电杆代替原线路传统电杆后，复合材料电杆的耐雷水平与雷击跳闸率，来获得复合材料电杆线路的防雷特性。

1.1 电杆

普通电杆根据电杆结构，把电杆看作一个均匀参数，用波阻抗来模拟。沧州直线杆和终端杆均为同杆双回线电杆，杆身为水泥杆，上横担挂载两相导线、下横担挂载四相导线，左右对称各分布一回线路，导线布置如图1。对于普通电杆，铁横担杆用多段波阻抗模拟，波阻抗取150 Ω，杆身则用300 Ω波阻抗模拟；对于复合电杆，杆身与普通杆无异，横担采用复合材料，用压控开关模拟。铁横担杆和复合材料杆均使用FRP-10/1.0型复合针式绝缘子串，绝缘子串50%冲击耐压取为75 kV。10 kV水泥电杆由于自然接地，接地电阻较大，取为35 Ω。图1中编号为1、2、3的导线分别对应A1、B1、C1相，编号为4、5、6的导线分别对应A2、B2、C2相。在ATP仿真中雷电流采用的是Slope-Ramp type13模型，波形采用2.6/50 μs，输入波头时间、波尾时间和雷电压峰值，可得到雷电流波形如图2所示。

图1 沧州10 kV双回线路导线布置(左)及杆头结构图(右)Fig.1 Conductor layout (left) and pole head structure (right) of Cangzhou 10 kV double circuit line

图2 ATP仿真中雷电流波形Fig.2 Lightning current waveform in ATP simulation

1.2 架空导线

10 kV线路不架设避雷线，直线杆呼高9.292 m、终端杆呼高11.196 m。导线型号为JKLGYJ-240/30，外径28.52 mm，直流电阻为0.65 Ω/km，水平档距60 m。横担上安装FPQ-10/1.0型复合针式绝缘子，长度210 mm，雷击冲击闪络电压75 kV。仿真系统中架空导线采用PI型模型。

1.3 绝缘闪络

雷击电杆或输电线路时，当绝缘子串两端电压超过绝缘子串的雷电冲击耐受电压时，绝缘子串发生闪络，此时输电线路将由闪络电弧通道经电杆接地，并在线路上形成雷电侵入波。根据文献[4]，空气间隙雷电冲击50%闪络场强取500 kV/m，复合材料50%冲击闪络场强为407 kV/m。

在ATP-EMTP中，利用压控开关模型来模拟绝缘子串和空气间隙的闪络。配电网为中性点非有效接地系统，在单向故障的情况下运行2 h，但考虑到双回线路导线对称布置，一回相导线对水泥电杆雷击闪络时，假定另一回亦同时对水泥电杆闪络，于是引起双回线的两相闪络，引起跳闸。

在铁横担普通杆中，需考虑发生雷击闪络路径包括：A1/A2相经由空气或绝缘子串对电杆闪络(二者对称)、C1/C2相经由空气或绝缘子串对电杆闪络(二者对称)、B1/B2相经由空气或绝缘子串对C1/C2相闪络(二者对称)、A1/A2相经由空气对B1/B2相闪络(二者对称)、A1/A2相经由空气对C1/C2相闪络(二者对称)。在复合材料横担中，以压控开关模拟经由横担的闪络过程，复合材料电杆需考虑发生的雷击闪络路径包括：A1/A2相经由空气或绝缘子串及横担对电杆闪络(二者对称)、C1/C2相经由空气或绝缘子串及横担对电杆闪络(二者对称)、B1/B2相经由空气或绝缘子串及横担对C1/C2相闪络(二者对称)、A1/A2相经由空气对B1/B2相闪络(二者对称)、A1/A2相经由空气对C1/C2相闪络(二者对称)。对以上对称的情况，在仿真模型中，只需观察其中之一是否发生闪络即可；在闪络路径中包含两种的，需根据空气间隙、绝缘子串闪络电压、横担长度等计算两个闪络电压，压控开关的闪络电压就取其最小者。

经过实际计算，普通杆和复合杆中C1/C2相对电杆闪络的电压明显偏低，因此在仿真计算过程中需重点关注。

2 10 kV复合材料电杆线路防雷计算

沧州线待改造的电杆包括2基直线电杆和2基终端杆，为探究复合材料电杆对线路耐雷水平的影响，对比普通杆和复合材料电杆的耐雷水平，分别建立模型进行计算。下面分别建立6基全普通杆直线杆、2基复合材料直线杆+4基普通直线杆、2基复合材料终端杆+4基普通直线杆的模型。直线杆和终端杆的横担及导线布置相似。10 kV线路未架设避雷线，故只考虑雷击电杆或导线，雷电流从A1/A2相注入。

为明显看到仿真过程中的波形变化，将仿真时长的前5 μs设置为空闲，即前5 μs雷击电流输出为0，整个仿真时长取80 μs。

2.1 6基全普通直线杆

考虑上一节所述闪络路径，计算普通直线杆闪络路径上可能的最低闪络电压，计算结果见表1。

表1 普通直线杆可能闪络路径及最低电压

6基全普通杆仿真模型如图3所示。雷电流从A1相注入，由于全线电杆皆相同，故雷击位置不会对耐雷水平造成影响，仿真的耐雷水平为0.59 kA，闪络路径是A相经绝缘子串对铁横担闪络，得到的绝缘击穿前后的波形对比见图4。

图3 6基全普通电杆仿真模型Fig.3 Simulation model of 6-base all ordinary electric poles

图4 6基全普通杆模型雷击闪络前后波形对比Fig.4 Comparison of waveforms before and after lightning flashover of 6-base all ordinary pole model

2.2 2基复合材料直线杆+ 4基普通直线杆

考虑上一节所述闪络路径，计算复合直线杆闪络路径上可能的最低闪络电压，结果见表2，闪络最低电压发生在C相和电杆之间，最低闪络电压275 kV相比全部是普通电杆的最低闪络电压75 kV，显著提高。

表2 复合直线杆可能闪络路径及最低电压

依此设定压控开关闪络电压，2基复合直线杆+4基普通杆混合仿真模型如图5所示。复合材料电杆的存在使得线路均一性被打破，各电杆所能承受的最大雷电流将与雷击位置有关。因此在仿真计算时，分别考虑雷击T1、T2、和T3(T表示电杆，T3和T4为复合材料电杆)电杆的情况。仿真计算的雷电流从A项注入，得到雷击不同电杆时线路的耐雷水平及最先发生的闪络位置，结果见表3。

图5 2基复合直线杆+ 4基普通杆仿真模型

表3 混合直线杆中雷击不同电杆时的耐雷水平

雷击T3时，若只考虑T3自身耐受雷电流的强度，仿真计算得到T3最大可耐受4.43 kA雷电流，远大于普通直线杆的耐雷水平，雷击T3闪络时三相均对电杆闪络。对比上表和6基普通直线杆的情况，可以看出：复合材料直线杆的存在使得线路整体耐雷水平有较大提升，其最小闪络电流0.72 kA，全是传统电杆的最小闪络电流0.59 kA，提升了22%，复合直线杆本身绝缘性能足够强使得周围邻近杆成为线路防雷的薄弱部分，雷击复合直线杆时由于雷电波的传播使邻近普通直线杆最易发生雷击闪络；雷击普通直线杆时，仍是普通杆直线最易闪络，但耐雷水平比全普通直线杆的线路情况有较大提升。

2.3 2基普通终端杆+ 4基普通直线杆

考虑上一节所述闪络路径，计算普通终端杆闪络路径上可能的最低闪络电压，结果见表4，最低闪络通道处于A、B、C相与横担间，闪络最低电压75 kV。

表4 普通终端杆可能闪络路径及最低电压

依此设定压控开关闪络电压，终端杆一般只在线路最后几基，故在模型中，2基普通终端杆位于最后，整体仿真模型如图6所示。

图6 4基普通终端杆+ 2基普通终端杆仿真模型Fig.6 Simulation model of 4-base ordinary terminal poles + 2-base ordinary terminal poles

混合杆型使得线路防雷性能不均一，电杆耐雷水平与雷击位置相关。因此在仿真计算时，分别考虑雷击T5、T4、和T3电杆的情况。得到雷击不同电杆时线路的耐雷水平及最先发生的闪络位置，结果见表5。

表5 普通直线杆与终端杆中雷击不同杆时的耐雷水平

2.4 2基复合材料终端杆+ 4基普通直线杆

考虑上一节所述闪络路径，计算复合终端杆闪络路径上可能的最低闪络电压，结果见表6。

表6 复合终端杆可能闪络路径及最低电压

依此设定压控开关闪络电压。将上一节模型中的2基普通终端杆换成复合材料杆，得到混合杆仿真模型如图7所示。

图7 4基普通直线杆+ 2基复合材料终端杆混合仿真模型Fig.7 Hybrid simulation model of 4-base ordinary linear poles+2-base composite material terminal poles

复合材料终端杆的存在使得线路均一性被打破，各电杆所能承受的最大雷电流将与雷击位置有关。因此在仿真计算时，分别考虑雷击T3、T4、和T5(T5和T6为复合材料终端杆)电杆的情况。得到雷击不同电杆时线路的耐雷水平及最先发生的闪络位置，结果如表7。

表7 混合杆中雷击不同电杆时的耐雷水平

雷击T5时，若只考虑T5自身耐受雷电流的强度，T5仿真计算最大可耐受10.09 kA雷电流，远大于普通直线杆和普通终端杆的耐雷水平，雷击T5闪络时A相对电杆闪络。对比上表和6基普通直线杆的情况，可以看出,利用复合材料杆塔的绝缘性，复合材料终端杆的存在使得线路整体耐雷水平有较大提升，其最小闪络电压400 kV，相比全部传统电杆最低闪络电压75 kV，提升显著；其次线路中最小闪络电流0.64 kA，也较传统电杆线路最小闪络电流0.60 kA，而复合材料杆塔的闪络电流0.81 kA，显然高于普通电杆，复合材料终端杆本身绝缘性能足够强使得周围邻近杆成为线路防雷的薄弱部分，雷击复合材料终端杆时由于雷电波的传播使邻近普通终杆最易发生雷击闪络；雷击普通终端杆时，仍是普通终端杆最易闪络，但耐雷水平比全普通终端杆的线路的情况有较大提升。

3 结 语

1)复合材料电杆的存在使得线路整体防雷性能的均一性被打破，复合材料杆本身绝缘性能足够强,使其耐受雷击水平高，而普通杆成为线路防雷的薄弱部分；尽管如此，混合杆线路的耐雷水平比全普通杆线路的耐雷水平仍有较大提升；

2)雷击复合材料杆时，由于雷电波的传播使邻近普通直线杆最易发生雷击闪络；雷击普通直线杆时，虽仍是普通杆最易闪络，但雷击复合材料杆耐雷水平比全普通直线杆的线路时高；

3)复合材料电杆在配置与普通杆相同的横担和绝缘子串时，其耐雷水平明显过高，即防雷配置显得过高，为降低成本，可考虑适当减小横担长度和绝缘子串长。