10 kV配电线路避雷器优化布置研究

雷 潇，许安玖，刘 强，崔 涛，廖文龙

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041；2.国网四川省电力公司广元供电公司，四川 广元 628000)

0 引 言

10 kV配电线路因绝缘强度较低而极易发生雷击跳闸和设备损坏等故障[1-3]。部分多雷地区的10 kV配电线路雷击跳闸比例超过50%[4-6]。而在雷击故障中，由雷击线路附近大地或构筑物产生的雷电感应过电压造成的比例占90%以上[7]。因此，亟需开展雷电感应过电压抑制方法的研究，以大幅改进雷电防护性能。

雷电感应过电压的产生机理已较为明确，并由Agrawal、Chowdburi和Rusck等人提出了若干理论计算模型[8-10]。其中，Agrawal模型是一种以散射电压表示的外界电磁场机理多导体传输线模型，在理论上较其他模型更合理，并且得到了试验验证。在此基础上，国内学者开展了模型改进完善工作，建立了雷电感应过电压的仿真计算基础[11]。

雷电感应过电压的特征与直击过电压有明显的区别，文献[12-13]对此开展了仿真分析，但没有涉及避雷器等防雷措施对过电压的抑制作用。文献[14]开展了雷电过电压闪络率的研究，但忽略了多相闪络问题。对于10 kV配电线路，通常为中性点不接地系统或谐振接地系统，只有两相或三相同时闪络才会触发保护跳闸。部分文献[15-18]研究了避雷器安装密度对雷电感应过电压闪络率的影响，并提出了安装密度优化建议，但研究过程未考虑多相闪络和分支线路的问题。文献[11]提及了分支线路台区避雷器对过电压的影响，但没有开展线路避雷器优化配置的研究。实际上，配电线路拓扑结构复杂，潜在雷击范围广，在计及经济投入和后期运维的情况下，必然面临避雷器优化配置的问题。

针对雷电感应过电压造成的雷击跳闸问题，下面以Agrawal模型为基础，在ATP/EMTP中建立了三相导线的雷电感应过电压仿真模型，开展了两相闪络概率和避雷器配置方式的研究。

1 雷电感应过电压

根据Agrawal模型[10]，线路上的电压U(x,t)为入射电压Ui(x,t)和散射电压Us(x,t)之和。入射电压Ui(x,t)为雷电流在线路垂直方向上电场的积分，如式(1)所示。

(1)

式中:h为线路高度;Ez(x,y,z,t)为坐标(x,y,z)处沿地面垂直方向的电场。散射电压Us(x,t)是由雷电流i(x,t)切向电场分量所激发的，且受自身及邻近导体电流影响的电压分量，其多导体传输线电报方程如式(2)所示。

(2)

式中：R、L和C分别为多导体传输线单位长度的电阻矩阵、电感矩阵和电容矩阵；Ex(x,y,z,t)为雷电流在沿导线方向上产生的电场。

由上述公式可以推导出，导线上的过电压不仅取决于雷电流在其水平和垂直方向上的电场强度，同时也受到自身及邻近导线上瞬时电流的影响。文献[16]研究发现架空地线对雷电感应过电压有较明显的抑制作用，即验证了邻近接地导体上流过的瞬时电流对散射电压的改变。进一步可知，当一相导体绝缘闪络后，势必会对其他两相导体上的感应过电压产生影响，而这一机制与雷电直击造成多相同时跳闸明显不同。同时，一相导线的雷电流经杆塔入地后，横担电位抬升，也会改变另两相绝缘子上承受的电压。因此，可通过Agrawal模型对10 kV配电线路多相闪络的现象进行分析。

2 仿真建模

文献[12-13]结合Agrawal模型和雷电流Heidler模型和Bergeron模型，在ATP/EMTP中建立了单相导线雷电感应过电压计算模块。在其基础上建立了三相导线的计算模块，如图1所示。模块两边的RL线路模型中只包含R分量，用于表征导线波阻抗及互阻抗。该计算模块只能监测线路两端的电压，如要观测线路任意点电压则需级联多个计算模块。大地电导率为0.01 S/m。

图1 感应过电压计算模块

雷电流波前时间为2.6 μs，半波时间为50 μs。雷电流幅值和位置可根据计算需要进行调节。10 kV线路平均高度一般不超过10 m，在城乡居民区、山地和丘陵地区的引雷作用不强，一般认为线路附近65 m以内为直击。然而，当线路附近65 m内有微波塔、输电线路杆塔等引雷构筑物时，由于线路被屏蔽，雷击点与线路的最短水平距离可能不超过50 m。这里将雷击点距离设置为50 m，以体现雷电感应过电压计算的最严苛情况。通过仿真计算可获取不发生两相闪络的最大可承受雷电流，结合雷电流幅值概率分布即可评估其雷电感应过电压承受能力。中国多雷地区的雷电流幅值概率函数如式(3)所示。

(3)

式中：I为雷电流幅值的变量；i0为给定的雷电流幅值;P(I≥i0)为雷电流幅值超过i0的概率。

研究主要考虑配电线路在无分支处和有分支处的两种基本结构。对于无分支处，可以长直线路为计算对象。为了防止线路末端的反射影响，将线路总长设置为11 km，雷电点发生在线路中点附近，并将线路两端经与导线波阻抗等值的电阻接地。对于分支线路，在长直线路的中点处垂直引出支线，长度为5.5 km，终端经与导线波阻抗等值的电阻接地。

10 kV杆塔为典型的三角形塔头布置，中相线路高为11 m，边相线路高为10 m，相间水平距离为1 m。杆塔采用8 μH的电感模拟，接地电阻取10 Ω。绝缘子简化为常开的理想开关，当电压超过绝缘子50%闪络电压时闭合。10 kV避雷器采用文献[17]给出的伏安特性。典型的杆塔节点处模型如图2所示。

图2 杆塔节点模型

为了验证模型的有效性，对文献[11]的算例进行仿真。雷电流为30 kA，落雷点距离线路中相为50 m，到两端线路距离相等。各观测点至落雷最近位置的水平距离为0、250 m、750 m和1500 m。仿真结果如图3所示，与原文基本一致。

图3 文献[11]参数下的仿真结果

3 感应雷过电压跳闸概率

3.1 无分支处

在雷电流幅值较小时，雷电感应过电压小于绝缘子闪络电压，不会造成绝缘闪络。雷电流幅值增大到一定值会造成单相绝缘子闪络，但不能造成两相闪络。雷电流幅值继续增大将会造成两相闪络，形成两相短路导致跳闸。

当落雷点在线路附近50 m处时，各种绝缘强度下的跳闸概率如表1所示。所需最小雷电流幅值均随绝缘子50%闪络电压的增大而呈现线性增加的规律。对于目前应用最广的绝缘配置，绝缘子50%闪络电压接近200 kV，其两相闪络所需雷电流为51.9 kA，发生概率为25.7%。

表1 不同绝缘强度下的跳闸概率

3.2 有分支处

分支处距离线路50 m的可能落雷点位置如图4所示。过电压幅值最高的位置如表2所示。可见，当落雷点为3，即雷击发生在干线和支线交叉处50 m时，线路过电压幅值最高，最易发生闪络。为更好地防治雷电感应过电压，应针对该落雷点进行研究。

图4 分支处的落雷位置

表2 不同雷击位置对应的最大过电压位置

当落雷点为3时，各种绝缘强度下的闪络概率如表3所示，所需最小雷电流幅值均随绝缘子50%闪络电压的增大而呈现线性增加的规律。与无分支的情况相比，闪络明显更易发生。如绝缘子50%闪络电压为200 kV时，跳闸所需雷电流幅值为28 kA，仅为无分支情况的0.54倍。这是雷击同时在主线和分支线感应出极性相同的过电压所致。

表3 不同绝缘强度下的闪络概率

4 避雷器配置方式

4.1 无分支处

主要对比研究6种避雷器配置方式下的防雷效果。6种配置方式分别如图5所示。配置方式1、3、5是在一基杆塔上同时安装三相避雷器，安装间隔距离分别为150 m、300 m和450 m；配置方式2、4、6是在不同杆塔的各相上分散安装避雷器，安装杆塔间隔距离分别为50 m、100 m和150 m。配置方式1和方式2、方式3和方式4、方式5和方式6的安装密度分别相同。

图5 无分支情况下避雷器配置方式

对于每种配置方式，两相闪络所需雷电流幅值与雷击位置密切相关。这里选择雷击点在线路附近50 m处，以最严苛情况进行比较。各配置方式下两相闪络所需雷电流幅值见表4所示。在相同配置密度下，各相避雷器分散布置方式的防雷效果更好。如绝缘子50%闪络电压为200 kV时，配置方式3两相闪络需雷电流77 kA，而方式4需雷电流93 kA。为更清晰地反映三相集中配置和分散配置的防雷效果，计算了两相闪络概率，如图6所示。

表4 无分支情况下两相闪络所需雷电流幅值

图6 各配置方式下两相闪络概率

避雷器动作后，一方面降低了本相导线在相邻杆塔的过电压；另一方面也降低了本基杆塔其他两相绝缘子承受的过电压。对于三相避雷器集中布置于一基杆塔的情况，若雷击点距避雷器安装杆塔较远，避雷器对雷击点附近三相导线的过电压限制能力弱。而对于分散安装的情况，雷击点附近且离避雷器最远的相导线首先闪络，而此时其他两相的过电压又受近距离避雷器的限制，因此两相闪络的难度更高。

4.2 有分支处

无避雷器时，分支处的两相闪络概率比无分支情况高，分支处为绝缘薄弱点。以干线和支线均按照第4.1节中配置方式4为例进行研究，各相避雷器分散安装在不同杆塔上，安装杆塔间隔距离为100 m。选择雷击点在干线和支线交叉处50 m处，此时过电压幅值最高。由第2.2节可知，离雷击点最近的干线和支线处过电压最高，因此避雷器配置的典型方式可有两种，即雷击点最近处杆塔有避雷器和无避雷器，如图7所示。

图7 有分支情况下避雷器配置方式

将上述两种方式和无分支情况下两相闪络所需雷电流进行对比，如表5所示。离雷击点最近的干线和支线杆塔处安装有避雷器时，两相闪络所需雷电流最高。在实际改造中，干线和支线按照各相分散配置后，方式7和方式8会随机出现。对于方式8则应在距离分支处最近的干线、支线杆塔上增加避雷器。

表5 有分支情况下两相闪络所需雷电流幅值

5 结 论

上面研究了10 kV配电线路避雷器配置方式，得出如下结论：

1)雷电感应过电压闪络所需雷电流幅值随绝缘强度的提升而线性增加。在相同雷击距离下，分支杆塔的闪络概率明显高于普通杆塔。

2)对于雷电感应过电压的防治，三相避雷器分散布置的防治效果优于集中布置。对于分支处，应在最近的干线和支线杆塔上安装避雷器。