10 kV配电线路避雷器防护分析

冯瑞发，肖小兵，廖民传，刘安茳，屈路，李跃

（1. 南方电网科学研究院，广东 广州 510663；2. 特高压电力技术与新型电工装备基础国家工程研究中心，云南 昆明 651701；3.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002）

0 前言

配电线路分布范围广，耐雷水平低，易受雷害威胁[1-3]。珠三角多数区域位于强雷区，雷电活动频繁，近年来雷击引起的配电线路跳闸占配电线路故障总数的60%以上[4]，对于配电线路，一般认为感应雷是导致线路跳闸的主要原因[3]。为提升线路耐雷性能，线路设计运维人员采取了加强线路绝缘水平、降低杆塔接地电阻、安装避雷器、架设避雷线及耦合地线等系列防护措施[5]，运行经验证明，这些措施均能在不同程度上降低配电线路雷击跳闸率，对线路形成有效防护[3]。特别是对于避雷器，由于其良好的非线性伏安特性，限制雷电过电压效果较好，基层人员使用避雷器进行线路雷击防护的意愿较强。行标35 kV 及以下配网防雷技术导则[6]也建议对位于多雷区、强雷区的11种典型工况安装避雷器进行防护，但调研发现，基层人员在安装避雷器时，对避雷器的保护范围、接地、安装密度、防护效果等方面存在诸多疑问，不少运维人员在安装避雷器时往往凭经验或主观想法，造成避雷器安装不合理、成本高、防护效果也不理想。近年来，国内外学者在配电线路避雷器技术参数选型应用、避雷器配置、降低雷击跳闸率及避雷器雷击故障率等方面开展了一些研究。文献[7]基于10 kV 架空线直击雷过电压瞬态过程计算模型，结合电气几何模型得到线路避雷器雷击故障概率，提出了避雷器雷电耐受技术参数优化选择建议。文献[8]结合生产运维实际情况，对配网10 kV避雷器的选择和使用提出了有效建议。文献[9]基于10 kV 配电线路EMTP 雷击仿真模型，利用避雷器吸收能量来计算避雷器雷击故障率，研究了避雷器通流容量、避雷线安装数量与方式及接地电阻对降低避雷器雷击故障率的影响。文献[10] 在完整的10 kV 配电系统模型上，研究了避雷器接地电阻对10 kV 配电线路终端设备雷击暂态特性的影响。但以上研究鲜有提及避雷器的具体保护范围、杆塔接地电阻对感应雷电压的限制特性及避雷线和避雷器同时安装对线路雷击跳闸率的影响等，为提升现场避雷器安装的技术经济性，有必要对10 kV 配电线路避雷器的特性作进一步研究。

虽然配电线路雷击跳闸主要由感应雷引起，但本文基于实际10 kV 配电线路EMTP 电磁暂态程序（Electro-Magnetic Transient Program,EMTP）雷击暂态模型，从仿真计算和理论分析两个角度研究了避雷器在配电线路直击雷和感应雷下的防护特性，分析了避雷器在两种雷击形式下的保护范围及能量吸收特点，给出了杆塔上相避雷器安装建议，通过计算得出较小的接地电阻对感应雷电压有很好的限制作用，提出避雷器隔2 基安装密度下配合使用架空地线可取得不错的雷击防护效果，研究结果可供10 kV 配电线路防雷工程参考。

1 仿真计算参数及模型

1.1 线路参数

本文仿真计算时以某10 kV 配电线路为例，线路全长37.5 km，终端连接有配变，导线为JL/G1A-120/25 型钢芯铝绞线，外径15.7 mm，直流电阻0.2346 Ω/km，线路档距为50 m，全线未架设地线。直线水泥杆为SC-210 型瓷横担，杆塔高度12 m，导线呈三角形排列，相序排列方式如图1 所示，由于一般配电线路电杆采用内部结构钢筋自然接地，接地电阻较大，本文仿真时统一取20 Ω。目前，在开展线路防雷计算时，杆塔等效模型主要有：集中电感模型、单一波阻抗模型和多波阻抗模型[6]，考虑到10 kV 配电线路高度一般为12～18 m，本文仿真时电杆本体用波阻抗进行等值，波阻抗取250 Ω，横担、立担用电感进行等值，电感取0.84 μH/m[5,7]。仿真时线路采用LCC 频变模型，由于雷击过程很短暂，终端处配变采用入口电容等值模拟，电容大小根据经验取为30 pF。

图1 10 kV电杆等值模型

1.2 雷电流模型

雷电流选用式（1）所示的Heidler 模型[11]，波头/波尾时间为2.6/50 μs，雷电直击导线时，雷电通道波阻抗取800 Ω。

式中：Ip为雷电流峰值，η为电流峰值修正系数，τ1、τ2分别雷电流上升（下降）时间常数，n为雷电流波头陡度因子。

1.3 绝缘子串闪络模型

考虑到先导发展模型[12]一般适用于1 m 及以上较长空气间隙的闪络过程，对于绝缘水平较低的配电线路，绝缘子串闪络采用理想压控开关模拟，开关动作电压取绝缘子串50%雷电冲击放电电压，本文取185 kV[5]。

1.4 感应雷电压模型

文献[13] 推荐无架空避雷线的线路雷电感应过电压可按下式计算：

式中：Ug为感应雷电过电压值，V；hd为导线对地高度，m；S为雷击点与导线的水平距离，m；I为雷电流，A。仿真中感应雷电压利用EMTP 中的TACS 模块[14]实现，根据雷电流大小、杆塔高度、落雷点距线路的距离等参数计算出感应雷电压，然后直接耦合注入到线路上。

按照上述参数和模型在EMTP 中建立的雷电直击导线的仿真计算模型如图2 所示。

图2 10 kV配电线路雷击仿真模型

2 仿真计算结果及分析

2.1 直击雷下的避雷器防护性能

由于10 kV 配电线路导线对地高度和相间距离较小，且无避雷线，根据击距理论[15-16]，杆塔上相导线将对边相导线形成完全电磁屏蔽，可近似认为直击雷全部落在上相导线上[7]，因此本文在仿真分析时未作特别说明均指雷击上相导线的情形，需要指出的是，对于配电线路，其直击雷耐雷水平很低，基本上对于＞1 kA 的落雷，均会造成线路闪络。虽然实际落雷时大幅值雷电流可能导致避雷器损坏，但本文主要在于说明避雷器的防护特性，仿真计算时认为避雷器均在正常工作的范围内。

仿真中配电线路避雷器采用YH5WS-17/50型复合外套避雷器，设T0-T5分别为沿线依次相邻的6 基杆塔，避雷器安装在T0塔上，安装方式包括仅B 相安装、仅C 相安装（A 相与C相对称）、B 相和C 相均安装、C 相和A 相均安装及A、B、C 三相均安装5 种安装方式，相序排列见图1。不同避雷器安装方式下，雷击T0-T5塔上相导线时，各基杆塔的直击雷耐雷水平，结果如表1 所示。

表1 不同避雷器配置方式下杆塔直击雷耐雷水平

表中，当雷击塔T0塔A、B、C 三相均安装避雷器时，在避雷器正常动作范围内，可认为杆塔不会发生闪络，为便于下文分析，假设此时T0塔耐雷水平为5 kA。可以看到，10 kV 配电线路雷击导线时，线路耐雷水平很低，未安装避雷器时，杆塔耐雷水平为0.89 kA，安装避雷器后，沿线与安装避雷器杆塔相邻的杆塔的耐雷水平有一定的提升，如上相（B 相）安装时，T0塔耐雷水平升高为1 kA，提升12.4%，与T0塔相距250 m 的T5塔耐雷水平较安装前也提升了2.3%，三相均安装时，相邻杆塔耐雷水平提升最大。可见，雷击导线时，避雷器的保护范围可以外延，经仿真发现最大可外延至350～400 m 处的杆塔。分析认为，避雷器的保护范围可利用图3 进行解释，图中T0塔安装有避雷器S，当雷击T2塔上相导线时，雷电流产生的过电压波Wf向线路两侧传播，当过电压波经过T0塔时，避雷器动作，雷电流通过避雷器经杆塔入地，由于接地电阻较小，在塔底产上向上的负反射波Wr，由于T0塔和T2塔距离较短，波在线路上的传播速度很快，因此，雷击T2塔后，经很短时间，向前传播的过电压波Wf与从安装避雷器杆塔传播回来的负反射波Wr相遇，线路过电压被抵消一部分，导致T2塔耐雷水平得到提升。设T0塔与T2塔之间的档距长度为l，过电压波在线路上的传播速度为v，忽略避雷器的动作放电时间，欲使避雷器对邻塔的保护作用体现出来，需满足式（4）：

图3 避雷器对邻塔进行保护的示意图

式中：τ为雷电波波头时间，μs，取为2.6 μs，波速取0.9c（c=3×108m/s），计算得到T0塔与T2塔之间的档距长度l＜351 m，也就是说，当T0塔与T2塔之间的距离小于351 m（≈7 个档距）时，在T0塔上安装避雷器可对T2塔进行一定程度的保护，该计算结果与表1 的仿真结果是一致的。

图4为T0塔在不同避雷器配置方式下，不同大小雷电流落在上相导线时，避雷器最大吸收能量变化趋势。可以看到，随着雷电流增大，避雷器的最大吸收能量基本都是先增大，然后在中间某个雷电流下由于相邻杆塔发生闪络，雷电流泄放通道变多，造成雷击杆塔避雷器吸收能量下降，随着雷电流在一定范围内继续增大，相邻杆塔闪络相不再增加，此时避雷器吸收能量又逐渐增大，呈曲折上升特点。

图4 不同避雷器配置方式下避雷器最大吸收能量

考虑到雷击线路时，避雷器具有一定的保护范围，现分析沿线避雷器安装密度对未安装避雷器杆塔直击雷耐雷水平的影响。分析时单基杆塔A、B、C 三相均安装避雷器，考虑避雷器每隔1 基安装、每隔2 基安装、每隔3 基安装、每隔4 基安装和每隔5 基安装等5 种不同安装密度，为便于说明，雷击避雷器安装杆塔时，其耐雷水平统一取为5 kA，图5 为不同安装密度下沿线杆塔直击雷耐雷水平变化情况。

由仿真结果可知，随着避雷器安装密度的减小，避雷器对相邻杆塔的保护作用越来越弱，如每隔2 基安装时，T1塔的耐雷水平比每隔1基安装时下降18.2%。容易看到，对于分布在首尾安装避雷器的杆塔之间的未安装杆塔，其耐雷水平以中间杆塔为较低中心点，近似呈两端对称的“U 型”分布规律。

2.2 感应雷下的避雷器防护性能

表2 为配电线路未安装避雷器时，距线路不同距离下的感应雷电压对应的杆塔耐雷水平，可以看到落雷点距离杆塔越远，线路耐雷水平越大，两者基本呈线性关系。

表2 距线路不同距离下杆塔感应雷耐雷水平

仿真发现，感应雷下杆塔上相（B 相）的感应雷电压最大。在T0塔上采用不同方式配置避雷器时，避雷器动作后，线路电压被钳住，未安装避雷器的相绝缘子串两端电压得到限制，杆塔耐雷水平得到提升。但若离雷击点最近的杆塔（如T1塔）未安装避雷器，雷击时该杆塔上的过电压水平仍然很高，此时该塔容易发生闪络，也就是说安装避雷器后，感应雷下雷击闪络发生在没有安装避雷器的杆塔上，下图6为30 kA 感应雷落在距离T0塔40 m 处，造成与其相邻的T1塔上相（B 相）发生闪络的绝缘子串两端电压波形，随着雷电流增大，将造成T1塔更多相及其它相邻塔发生闪络。

图6 感应雷下杆塔绝缘子串两端电压波形

考虑到感应雷下上相避雷器通过的电流最大，感应雷电压也最大，因此在沿线每基塔上相均安装避雷器，感应落雷点距离T0塔最近，图7 为落雷点距T0塔不同距离下，雷电流大小为50 kA 时沿线杆塔避雷器最大吸收能量分布情况。可以看到，沿线避雷器的最大吸收能量随着与T0塔距离的增大而逐渐减小。

图7 感应雷下沿线杆塔避雷器最大吸收能量

由于避雷器一般与杆塔共用接地，仿真发现，感应雷下杆塔接地电阻Rg对线路感应雷电压影响较大，当接地电阻非常大时，线路上的感应雷电压接近未安装避雷器时的水平，当接地电阻很小时，线路上的感应雷电压接近避雷器残压水平。配电线路安装避雷器后，根据戴维南定理，可用图8 所示的等值电路[17-19]进行表述，图中U0为安装避雷器之前线路外施感应雷电压，Z0为线路波阻抗，R(i)为非线性电阻，UR为避雷器残压，I为避雷器流过雷电流，K为模拟安装避雷器前后的控制开关，实线框内表示未安装避雷器时的状态，右侧虚线框内表示安装避雷器后，避雷器动作K 闭合时的状态。

图8 配电线路安装避雷器后的等值电路

根据图8 所示电路，可计算得到安装避雷器后，线路感应雷电压可用下式（5）表示：

于是有：

式中：为安装避雷器后线路感应雷电压，kV；避雷器残压取50 kV；线路波阻抗取450 Ω，得到安装避雷器后线路感应雷电压随杆塔接地电阻的变化趋势如图9 所示。

图9 杆塔接地电阻对线路感应雷电压的影响

从图中可以看到，在外施感应雷电压大小为500 kV 下，当杆塔接地电阻分别为5 Ω、10 Ω、20 Ω、50 Ω、100 Ω、200 Ω、500 Ω及1000 Ω 时，安装避雷器后感应雷电压水平分别降为60 kV、69 kV、87 kV、132 kV、188 kV、262 kV、360 kV 及417 kV，可以看到当杆塔接地电阻≤20 Ω 时，即使外施感应雷电压较大，避雷器都可将线路电压限制在残压水平附近，线路闪络可能性较低；随着接地电阻的增大，避雷器对线路感应雷电压的限制效果越来越弱。因此，配电线路安装避雷器后，应确保避雷器的接地电阻尽可能小，可采取单独设置人工接地的方式来确保杆塔接地电阻满足要求，并在后期运维中加强对避雷器接地电阻的监测，一旦发现接地电阻不满足要求可及时整改。

2.3 避雷器降低雷击跳闸率的效果

现从降低雷击跳闸率的角度分析避雷器的防护效果。采用行标[6]中的雷击跳闸率计算方法，雷击跳闸率包括直击雷跳闸率和感应雷跳闸率，其中直击跳闸率可按式（7）计算：

式中，NL为引雷次数，采用下式（8）计算，P1,2、P1,2,3分别对应雷击导线时两相和三相闪络的雷电流幅值概率，采用式（9）计算[20]，η为冲击闪络过渡到两相工频电弧的概率，采用式（10）计算：

式中Ng为地闪密度，40 个标准雷电日下的值为2.78 次/（km2·a），ht为杆塔高度，m，b为杆塔结构宽度，m，对于配电线路计算时可取0，Un为系统标称线电压，kV，l为导线之间的放电路径总长度，m。

感应雷跳闸率根据IEEE 导则[21]推荐的公式（11）计算：

式中ymax,i为可发生感应雷闪络的最大落雷距离，m；ymin,i为雷击导线的临界距离，m；小于该距离雷电将击中导线，大于该距离雷电将击中大地；Ng为地闪密度，Pi为雷电流幅值概率。

基于上述建立的仿真模型，计算得到的结果如表3 所示。表中加强绝缘指将全线当前2片玻璃绝缘子换成3 片同型号玻璃绝缘子；架设地线指全线在杆塔上方通过支架形式架设单根地线；考虑到全线逐塔逐相安装避雷器时，在避雷器正常工作范围内，线路理论上不会跳闸，因此表中提到的雷击跳闸率是指全线每隔2基塔安装1 组避雷器，雷击安装避雷器杆塔，并导致相邻杆塔发生闪络的雷击跳闸率。

表3 避雷器防护效果

从表中可看到，由于采用每隔2 基塔安装一组避雷器，耐雷水平提升较小，因此其保护效果有限，不如全线加强绝缘及架设地线的情形，但若与架设地线配合使用，综合雷击防护效果最好，对于雷害严重的线路可考虑采取此种组合式防护措施。

3 结束语

本文研究了10 kV 配电线路避雷器的防护特性，主要结论如下：

1）雷击导线时，避雷器对相邻杆塔具有一定的防护效果，其保护范围与雷电流波头、波在线路上的传播速度等因素有关。避雷器最大吸收能量呈折线上升趋势，对位于首尾安装有避雷器的杆塔之间的杆塔，其耐雷水平近似呈“U型”分布规律，考虑到雷击时杆塔上相避雷器承受的电压最大，相比其它相避雷器，上相宜采用通流容量更大的避雷器。

2）感应雷下闪络点发生在未安装避雷器的杆塔，沿线杆塔避雷器最大吸收能量随着与感应落雷点距离的增大依次减小。避雷器接地电阻直接影响线路感应雷电压大小，实际对于安装避雷器的杆塔，宜通过增设人工接地的方式尽量控制接地电阻≤20 Ω，确保能较好地限制感应雷电压。

3）雷击导线时，仅每隔2 基杆塔安装一组避雷器防护效果一般，实际应用时配合使用架空地线可有效降低配电线路雷击跳闸率，提升防护性能。