35 kV配電線路直擊雷防護計算

于振江，安韻竹，許子濤，王 琰，李英濤，劉振武

(1.國網(wǎng)山東省電力公司 濰坊供電公司，山東 濰坊 261000； 2.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博255000； 3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 徐州供電分公司，江蘇 徐州221000)

眾所周知，35 kV配電線路在我國整個電力系統(tǒng)占有非常重要的地位，因為它承擔著直接向各個電力用戶輸送電能的重要任務，一旦配電線路發(fā)生故障導致停電事故，將會嚴重影響社會生產(chǎn)和人們的正常生活，帶來很大的經(jīng)濟損失[1-2]，同時這樣的事故也會對電力系統(tǒng)本身帶來惡劣的影響。長期以來，配電線路的絕緣水平較低，研究多集中在配電線路感應雷過電壓的防護措施[3]方面，而對于35 kV配電線路的直擊雷過電壓研究相對較少。實際上，對于一些山區(qū)、丘陵地帶的35 kV配電線路，由于缺少必要的防雷裝置，35 kV配電線路發(fā)生直擊雷的跳閘事故屢見不鮮[4-5]。

實際運行表明：一些地區(qū)的35 kV配電線路運行時間較長造成設備老化嚴重，導致絕緣子沖擊耐壓水平低，絕緣水平降低，致使線路承受閃絡放電的能力大大降低，雷擊閃絡時極易造成絕緣子損壞和導線斷線等現(xiàn)象。此外，35 KV線路一般都使用混凝土桿塔，線路所用桿塔由于大部分不設人工接地，只在發(fā)電廠、變電站進線段的桿塔埋設人工接地體，而且有些人工接地體裝置老化，腐蝕現(xiàn)象嚴重，導致接地體裝置破壞，桿塔接地電阻嚴重超標，配電線路發(fā)生直擊雷故障的危險性增加[6]。

本文針對配電線路直擊雷進行仿真分析，利用電磁暫態(tài)計算程序EMTP-ATP建立了35 kV配電線路的仿真計算模型，主要研究35 kV配電線路的直擊雷耐雷水平，同時結合實際工況，分析不同的避雷器安裝方式對耐雷水平的影響，研究結果為配電線路防雷提供參考。

1 仿真模型建立

本文采用電磁暫態(tài)計算程序EMTP-ATP實現(xiàn)配電線路直擊雷過電壓的仿真計算。仿真模型構成如下：

1)雷電流波形

采用的雷電流波形為雙指數(shù)波，波形參數(shù)為2.6/50 μs，雷電通道波阻抗取300 Ω。

2)桿塔模型

桿塔的仿真模型一般有兩種：一種是對于高度不高的桿塔，不考慮桿塔上的波過程而使用集中電感模型；另一種是考慮行波在桿塔上傳播的過程，將桿塔各段用波阻抗進行模擬。圖1為35 kV線路所用典型桿塔對應的電感和波阻抗模型。

(a) 集中電感模型 (b)波阻抗模型圖1 35 kV線路典型桿塔模型Fig.1 Typical tower model of 35 kV line

3)輸電線路模型

采用線路參數(shù)隨頻率變化的J.MARTI模型，在程序中輸入對應線路的導線型號、相對位置、對地高度、直流電阻等參數(shù)即可由軟件自動計算得到相關仿真模型的參數(shù)。

4)雷擊塔頂過電壓模型

當桿塔塔頂遭受雷擊時，導線上同樣會產(chǎn)生感應電壓，極性與雷電流極性相反[7]。在本文仿真中，感應過電壓的幅值根據(jù)我國電力規(guī)程推薦的公式進行計算，計算公式如下

Ui=αhc

(1)

式中：Ui為雷電流幅值，α為雷電流平均波前陡度，hc為導線高度。感應電壓波形取斜角波。

5)絕緣子串閃絡模型

本文使用TACS組合控制模型來模擬絕緣子串的閃絡特性，如圖2所示。閃絡判據(jù)為：當絕緣子串兩端電壓超過其50%放電電壓，認為絕緣子串發(fā)生閃絡[8-9]。對于35 kV線路用絕緣子串，仿真取U50%為350 kV。

圖2 絕緣子串閃絡模型Fig.2 Insulator string flashover model

6)避雷器模型

本文使用非線性電阻模擬避雷器動作特性，在EMTP-ATP中避雷器的非線性特性用分段線性函數(shù)來表示，輸入避雷器的伏安特性參數(shù)即可實現(xiàn)避雷器的動作特性[10]。

2 35 kV線路反擊仿真計算

2.1 無避雷器反擊仿真計算

仿真中采用的35 kV線路典型桿塔如圖3所示，桿塔為鋼筋混凝土材料，高度14 m，導線型號為LGJ-120鋼芯鋁絞線[11-12]，線路沒有裝設避雷線，計算的典型檔距取200 m。

圖3 35 kV線路典型桿塔尺寸Fig.3 Typical tower size of 35 kV line

當線路沒有裝設避雷器進行保護，雷擊桿塔時線路的耐雷水平較低，通過仿真得到桿塔沖擊接地電阻取不同值時線路的耐雷水平如圖4所示。

圖4 不同沖擊接地電阻線路的耐雷水平Fig.4 Lightning withstand level of lines under different impulse grounding resistance

由圖4計算結果可知，當桿塔沖擊接地電阻為10 Ω時，線路耐雷水平只有22.1 kA，即使把接地電阻降低到5 Ω，耐雷水平也只有23.4 kA，而如果接地電阻增大，耐雷水平將不斷降低，當接地電阻達到50 Ω時，耐雷水平只有7.1 kA，耐雷水平非常低。由此可見如果線路不采取其它防雷措施，當發(fā)生雷擊桿塔時很容易發(fā)生絕緣的閃絡。

2.2 有避雷器反擊仿真計算

氧化鋅避雷器能夠提升配電線路耐雷水平，但不同的安裝方式對其防雷性能影響較大。本文采用不同避雷器安裝方式對配電線路防雷性能的影響進行分析，雷擊桿塔示意如圖5所示。

圖5 雷擊桿塔示意圖Fig.5 The diagram of a lightning striking tower

在EMTP-ATP中建立圖5所示的配電線路模型，分別計算安裝不同數(shù)量避雷器時線路耐雷水平。

2.2.1 安裝1組避雷器

分別考慮兩種情況：1)假設1#桿塔發(fā)生雷擊，且1#桿塔裝設了避雷器，絕緣閃絡開關設置在2#桿塔處；2)如果1#桿塔發(fā)生雷擊但避雷器安裝在2#桿塔，閃絡開關在1#桿塔。兩種情況下的計算結果如圖6所示。由圖6計算結果可知：當本塔發(fā)生雷擊且避雷器安裝在本塔時，由于避雷器的保護作用，本塔不會發(fā)生絕緣閃絡，此時閃絡發(fā)生在鄰塔。線路的耐雷水平相對于無避雷器時有明顯的提高，如接地電阻為10 Ω時的耐雷水平從22.1 kA提高到了38.1 kA，提高了72%；接地電阻為5 Ω時的耐雷水平從23.4 kA提高到了42.0 kA，提高了79%。當避雷器并非安裝在雷擊塔而是安裝在雷擊塔鄰塔時，線路的耐雷水平相對于沒有安裝避雷器時的情況是一樣的，這就意味著避雷器只能保護安裝了避雷器的本塔，不能保護未安裝避雷器的鄰塔。

圖6 1組避雷器安裝方式對耐雷水平的影響Fig.6 The influence of different installation methods on lightning withstand level when installing 1 group of arresters

2.2.2 安裝2組避雷器

圖5所示的配電線路上安裝2組避雷器，分別考慮兩種情況：1)1#和2#桿塔裝設避雷器；2)2#和3#桿塔裝設避雷器。仿真計算時假設1#桿塔發(fā)生雷擊，閃絡開關設置在3#桿塔，兩種情況下的仿真計算結果如圖7所示。

圖7 2組避雷器安裝方式對耐雷水平的影響Fig.7 The influence of different installation methods on lightning withstand level when installing 2 groups of arresters

由圖7計算結果可知，當雷擊1#桿塔且在1#和2#桿塔上裝2組避雷器時的線路耐雷水平，相比于雷擊1#桿塔且1#桿塔裝設1組避雷器時的耐雷水平并沒有明顯的提升，這是因為雖然2#桿塔的避雷器也會動作參與分流，但是避雷器動作后的反射波還來不及傳到3#桿塔上，3#桿塔上的過電壓就已經(jīng)超過絕緣水平而發(fā)生閃絡了。當本塔發(fā)生雷擊且在相鄰的兩基桿塔上各裝設1組避雷器時的耐雷水平，和相鄰兩基桿塔未裝設避雷器時的耐雷水平是一樣的。避雷器只能保護本塔而對鄰塔無保護作用。

2.2.3 安裝3組避雷器

假設避雷器分別安裝在1#、2#、3#桿塔上，1#桿塔發(fā)生雷擊，閃絡開關設置在4#桿塔。當發(fā)生雷擊時線路各點的電位分布如圖8所示。

圖8 線路各點的電位分布情況Fig. 8 The potential distribution of each point of the line

當雷擊1#桿塔時，1#桿塔橫擔的電壓從零開始上升，如圖8曲線1，在0.065 μs時刻，1#桿塔絕緣兩端的電壓達到避雷器的動作電壓，避雷器開始動作分流，此時1#桿塔導線電壓開始從零增加，如圖8曲線2，1#桿塔橫擔和導線之間的電壓差保持在130 kV左右，即為避雷器的殘壓。在0.73 μs時刻，導線上的過電壓波傳到2#桿塔處，2#桿塔的導線電壓開始上升，如圖8曲線3，在1.015 μs時刻，2#桿塔導線與橫擔的電壓達到避雷器的動作電壓，避雷器動作加入分流過程，2#桿塔導線電壓開始下降。在1.395 μs時刻，過電壓波傳到4#桿塔處，4#桿塔導線電壓開始上升，如圖8曲線4，由于4#桿塔沒有裝設避雷器保護，因此當4#桿塔導線上的電壓增加到一定值時，4#桿塔絕緣發(fā)生閃絡，閃絡時刻為12.425 μs，之后4#桿塔導線電壓下降。

當接地電阻視為純阻性時，塔頂電位與接地電阻值成正比例關系。當雷擊分別發(fā)生在1#桿塔和2#桿塔時，在1#、2#、3#桿塔裝設避雷器條件下，4#桿塔的耐雷水平隨雷擊塔的沖擊接地電阻變化的情況如圖9所示。

圖9 3組避雷器安裝方式對耐雷水平的影響Fig.9 The influence of different installation methods on lightning withstand level when installing 3 groups of arresters

由圖9計算結果可知，線路安裝3組避雷器后耐雷水平有了顯著的提高。當接地電阻為10 Ω時，此時線路的耐雷水平為126.7 kA，相比于沒有裝設避雷器時的22.1 kA，提升了4.7倍，相比于裝設1組避雷器(避雷器安裝在雷擊塔)時的38.1 kA，提升了2.3倍。

2.2.4 安裝4組避雷器

分別在圖5所示的配電線路1#、2#、3#、4#桿塔安裝4組避雷器，分別考慮兩種情況：1)1#或2#桿塔遭受雷擊;2)3#或4#桿塔遭受雷擊。計算時閃絡開關設置在5#桿塔，兩種情況下的仿真計算結果如圖10所示。

圖10 4組避雷器時兩種雷擊狀況下的耐雷水平Fig.10 The lightning resistance level of two types of lightning strikes when 4 sets of arresters are installed

由圖10計算結果可知：1)當雷擊發(fā)生在1#或2#桿塔時，裝設了4組避雷器與裝設3組避雷器的耐雷水平相差不大，不對稱地多增加1組避雷器并沒有顯著提高線路的耐雷水平；2)當雷擊發(fā)生在3#或4#桿塔時，線路耐雷水平降低。

2.2.5 安裝5組避雷器

假設分別在1#至5#桿塔上安裝5組避雷器，1#桿塔發(fā)生雷擊，閃絡開關設置在6#桿塔，線路耐雷水平計算結果如圖11所示。

圖11 5組避雷器1#桿塔遭雷擊時線路耐雷水平Fig.11 The lightning resistance level of the 1# tower with 5 sets of lightning arresters when struck by lightning

由圖11計算結果可知，線路安裝5組避雷器后耐雷水平提升明顯。當接地電阻為10 Ω時，此時線路的耐雷水平為267 kA，相比于沒有裝設避雷器時的22.1 kA，提升了11倍；相比于裝設1組避雷器(避雷器安裝在雷擊塔)時的38.1 kA，提升了6倍；相比于裝設3組避雷器(雷擊塔為三基安裝避雷器桿塔的中間塔)時的126.7 kA，提升了1倍。

針對以上5種不同避雷器安裝方式，線路耐雷水平與接地電阻的變化關系如圖12所示。

圖12 不同接地電阻與避雷器數(shù)量下線路耐雷水平對比Fig.12 The comparison of lightning resistance level between different grounding resistance and arrester

由圖12對比關系可知：1)當線路沒有安裝避雷器保護，耐雷水平很低，可以通過降低接地電阻的方法提高耐雷水平，并且有一定的效果；2)安裝線路避雷器后，線路的耐雷水平明顯提高，一定程度上避雷器安裝組數(shù)越多，提升效果越明顯，但提升效果有區(qū)別；3)線路耐雷水平與避雷器是否在雷擊點對稱分布有關，圖11中，安裝2組與安裝1組差別不大，安裝4組與安裝3組也未有明顯提升；4)雖然增設1組避雷器可以對導線上的過電壓進行分流，但是由于增設避雷器的桿塔位置與絕緣閃絡桿塔的位置相距較遠，避雷器動作造成的反射波還未到達閃絡塔處，閃絡塔上的過電壓已經(jīng)超出了絕緣的承受水平，因此線路的耐雷水平不能明顯提升。這提示實際工程中，配電線路在安裝避雷器時需要考慮檔距及易擊段，通過差異化手段合理地安裝避雷器以節(jié)約設備及安裝成本。

3 35 kV線路繞擊仿真計算

一些落雷密度較大的山區(qū)、丘陵地區(qū)的配電線路全線安裝了避雷線，本文針對裝設避雷線的35 kV配電線路發(fā)生繞擊時進行仿真計算。計算取檔距為200 m，絕緣子串沖擊閃絡電壓取350 kV，桿塔沖擊接地電阻取10 Ω。

3.1 無避雷器繞擊仿真計算

當線路無避雷器保護，雷擊導線時，通過計算得到線路的耐雷水平僅為2.6 kA，并且耐雷水平與雷擊點的位置無關。

3.2 有避雷器繞擊仿真計算

假設1#桿塔處安裝1組避雷器，在3#桿塔設置閃絡開關，當雷擊點距1#桿塔位置為50 m，雷電流為4.5 kA時，線路電位分布情況如圖13所示。

圖13 雷擊點距1#桿塔位置50 m時電位分布情況Fig.13 The potential distribution when the lightning strike point is 50 m far from the tower position

由圖13的仿真結果可知,當繞擊發(fā)生在距離1#桿塔較近時，雷電過電壓在t1時刻傳到1#桿塔上，導線電位開始上升，在t2時刻1#桿塔的避雷器動作，1#桿塔橫擔電壓上升，導線與橫擔間的電位差保持在避雷器的殘壓，過電壓波在t3時刻傳到3#桿塔，3#桿塔導線電位開始上升，由于無避雷器保護，在t4時刻3#桿塔絕緣發(fā)生閃絡，導線電壓下降。

落雷位置對過電壓分布特征有影響，當落雷點分別距離1#桿塔0 m、25 m、50 m、75 m等不同長度直至在2#桿塔塔頂時，線路的耐雷水平計算結果如圖14所示。

圖14 耐雷水平隨雷擊點位置變化關系Fig.14 The relationship between lightning resistance level and the position of lightning strike point

由圖14結果可知，安裝避雷器能提高線路的耐雷水平，但是只有當雷擊發(fā)生在安裝避雷器桿的附近時才有比較明顯的效果，此時可使線路的耐雷水平提高到17.1 kA，相比于無避雷器保護時的2.6 kA，提高了6倍。隨著雷擊點與安裝避雷器桿的距離增大，耐雷水平迅速減小，到鄰塔時耐雷水平已和沒安裝避雷器時的相差不大。

4 35 kV線路避雷器安裝優(yōu)化布置

本節(jié)對配電線路避雷器的優(yōu)化布置進行仿真計算。仿真計算取避雷器的裝設點為圖5的1#和3#桿塔，在2#桿塔上設置閃絡開關。當雷擊分別發(fā)生在1#、2#桿塔之間或發(fā)生在1#、3#桿塔之間時，配電線路的耐雷水平如圖15所示。根據(jù)圖15的計算結果可知：1)如果雷擊發(fā)生在兩個安裝了避雷器桿塔之間的線路，則能明顯提高線路的耐雷水平，兩塔中間位置發(fā)生雷擊時耐雷水平最高可達到34.8 kA，相比于沒有安裝避雷器保護時2.6 kA的耐雷水平，提高了12倍；2)當雷擊點由中間點向兩側避雷器靠近，耐雷水平逐漸減小，并以檔距中間點為中心對稱分布，到達安裝避雷器桿時耐雷水平降到最低，為16.7 kA，相比于無避雷器保護時的2.6 kA，提高了5倍；3)只有當雷擊中了安裝避雷器的桿塔時耐雷水平才較高，雷擊其它點線路的耐雷水平很低，相比于沒有安裝避雷器時線路的耐雷水平幾乎沒有提高。由此可見，如果只在線路的易擊段內(nèi)安裝避雷器保護，應在易擊檔距內(nèi)的兩基桿塔上各裝設1組避雷器進行保護，只在其中一基桿塔上安裝的防雷效果較差。

圖15 耐雷水平隨雷擊點位置變化關系Fig.15 The line lightning resistance level changes with lightning strike position

當線路每隔2基桿塔安裝1組避雷器時，仿真分別在2#、5#桿塔上裝設避雷器，并在2#桿塔左側和5#桿塔右側600 m處的桿塔上裝設避雷器，雷擊發(fā)生在2#桿塔和5#桿塔之間的線路上，由于線路對稱，只需計算雷擊點從2#桿塔到1#桿塔中間點變化時的線路耐雷水平，計算結果如圖16所示。

圖16 耐雷水平隨雷擊點位置變化關系Fig.16 The line lightning resistance level changes with lightning strike position

根據(jù)圖16的結果可知，在這種避雷器安裝方式下，當雷擊兩端安裝了避雷器的桿塔導線時，耐雷水平達到23.7 kA，相比于無避雷器保護時的2.6 kA，提高了8倍。當雷擊點逐漸遠離安裝了避雷器的桿塔向線路中間移動時，耐雷水平迅速減小，兩避雷器安裝桿中間線路發(fā)生雷擊時耐雷水平最低(僅為2.6 kA，與無避雷器保護時一致)。由此可見，在這種避雷器安裝方式下，能保護的線路范圍是非常小的，只有當雷擊安裝了避雷器的桿塔時才能顯著提高線路的耐雷水平，雷擊其它位置時不能提高線路耐雷水平。

5 結論

1)線路無避雷器保護時，如果雷電擊中導線，耐雷水平非常低且與雷擊點位置無關，因此一旦發(fā)生雷擊，導線極有可能造成絕緣的閃絡。

2)裝設避雷器能明顯提高線路的耐雷水平，但由于全線裝設避雷器成本較大，一般選擇在線路易擊區(qū)域的易擊段內(nèi)裝設避雷器進行保護，具體保護效果與避雷器的安裝方式密切相關。

3)如果采用平均每2至3基桿塔安裝1組避雷器的安裝方式，只有當雷擊發(fā)生在安裝了避雷器的桿塔附近時，才能顯著提高線路的耐雷水平，在兩桿中間的線路仍然是防雷薄弱的區(qū)域，即使避雷器的安裝密度從每3基1組增加到每2基1組，也不能明顯提高防雷薄弱區(qū)域的耐雷水平，因此在安裝避雷器時，應盡量在容易遭受雷擊的桿塔上裝設避雷器，并避免易擊區(qū)位于防雷薄弱的檔距內(nèi)。

4)如果在易遭雷擊的某個檔距的兩個桿塔上都裝設避雷器，則線路耐雷水平能得到顯著的提升，并且當雷擊檔距中央時耐雷水平是最高的，如果再在兩邊的桿塔增加1組避雷器保護，防雷效果更好。因此，可以有針對性地在線路易遭雷擊的某幾個檔距的兩邊的桿塔上各裝1組避雷器進行保護，并可根據(jù)需要在相鄰桿塔上裝設避雷器，這樣布置比平均布置避雷器能取得更好的防雷效果。