10 kV配網線路中聚氨酯復合材料電桿耐雷水平研究

吳 雄，李德閣，聞集群，胡 虔， 董中強

(1.南瑞集團有限公司，南京 210003； 2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074;3.電網雷擊風險預防湖北省重點實驗室，武漢 430074； 4.中國電力科學研究院有限公司， 北京 100192)

0 引 言

國內10 kV配網線路基本都更換成絕緣導線，線路絕緣水平相比裸導線有明顯提高，但線路雷擊事故仍然頻頻發生，嚴重影響了配電網供電的可靠性和安全性，因此提高配網線路的防雷技術已越來越被重視[1-3]。近些年，有大量文獻研究過配網線路防雷技術[4-7]，詳細論述了配網線路雷電感應及過電壓閃絡，線路耐雷評估方法，線路先導發展繞擊等內容。在工程現場提高配網線路防雷措施也有多種方案，如線路加強絕緣、不平衡絕緣、安裝避雷器，以及降低電桿接地裝置等[8-9]，其中配網采用復合材料電桿(如聚氨酯復合材料電桿)相比傳統水泥電桿，具備良好的穩定性和絕緣性，可利用其對地絕緣的特點，提升該電桿段線路絕緣強度，顯著提高其雷電沖擊電壓，增強帶電作業的安全性[10-12]。該文通過仿真建模，系統研究配網復合材料電桿和傳統電桿的配合使用后線路絕緣水平特點，提出10 kV復合材料電桿線路的防雷方法及措施，增強線路的安全性和穩定性。

1 10 kV復合材料電桿線路系統建模

10 kV聚氨酯復合材料電桿線路的防雷技術研究以ATP仿真計算為主，該文以滄州10 kV刑成5611線改造工程為例進行系統建模，通過計算復合材料電桿代替原線路傳統電桿后，復合材料電桿的耐雷水平與雷擊跳閘率，來獲得復合材料電桿線路的防雷特性。

1.1 電桿

普通電桿根據電桿結構，把電桿看作一個均勻參數，用波阻抗來模擬。滄州直線桿和終端桿均為同桿雙回線電桿，桿身為水泥桿，上橫擔掛載兩相導線、下橫擔掛載四相導線，左右對稱各分布一回線路，導線布置如圖1。對于普通電桿，鐵橫擔桿用多段波阻抗模擬，波阻抗取150 Ω，桿身則用300 Ω波阻抗模擬；對于復合電桿，桿身與普通桿無異，橫擔采用復合材料，用壓控開關模擬。鐵橫擔桿和復合材料桿均使用FRP-10/1.0型復合針式絕緣子串，絕緣子串50%沖擊耐壓取為75 kV。10 kV水泥電桿由于自然接地，接地電阻較大，取為35 Ω。圖1中編號為1、2、3的導線分別對應A1、B1、C1相，編號為4、5、6的導線分別對應A2、B2、C2相。在ATP仿真中雷電流采用的是Slope-Ramp type13模型，波形采用2.6/50 μs，輸入波頭時間、波尾時間和雷電壓峰值，可得到雷電流波形如圖2所示。

圖1 滄州10 kV雙回線路導線布置(左)及桿頭結構圖(右)Fig.1 Conductor layout (left) and pole head structure (right) of Cangzhou 10 kV double circuit line

圖2 ATP仿真中雷電流波形Fig.2 Lightning current waveform in ATP simulation

1.2 架空導線

10 kV線路不架設避雷線，直線桿呼高9.292 m、終端桿呼高11.196 m。導線型號為JKLGYJ-240/30，外徑28.52 mm，直流電阻為0.65 Ω/km，水平檔距60 m。橫擔上安裝FPQ-10/1.0型復合針式絕緣子，長度210 mm，雷擊沖擊閃絡電壓75 kV。仿真系統中架空導線采用PI型模型。

1.3 絕緣閃絡

雷擊電桿或輸電線路時，當絕緣子串兩端電壓超過絕緣子串的雷電沖擊耐受電壓時，絕緣子串發生閃絡，此時輸電線路將由閃絡電弧通道經電桿接地，并在線路上形成雷電侵入波。根據文獻[4]，空氣間隙雷電沖擊50%閃絡場強取500 kV/m，復合材料50%沖擊閃絡場強為407 kV/m。

在ATP-EMTP中，利用壓控開關模型來模擬絕緣子串和空氣間隙的閃絡。配電網為中性點非有效接地系統，在單向故障的情況下運行2 h，但考慮到雙回線路導線對稱布置，一回相導線對水泥電桿雷擊閃絡時，假定另一回亦同時對水泥電桿閃絡，于是引起雙回線的兩相閃絡，引起跳閘。

在鐵橫擔普通桿中，需考慮發生雷擊閃絡路徑包括：A1/A2相經由空氣或絕緣子串對電桿閃絡(二者對稱)、C1/C2相經由空氣或絕緣子串對電桿閃絡(二者對稱)、B1/B2相經由空氣或絕緣子串對C1/C2相閃絡(二者對稱)、A1/A2相經由空氣對B1/B2相閃絡(二者對稱)、A1/A2相經由空氣對C1/C2相閃絡(二者對稱)。在復合材料橫擔中，以壓控開關模擬經由橫擔的閃絡過程，復合材料電桿需考慮發生的雷擊閃絡路徑包括：A1/A2相經由空氣或絕緣子串及橫擔對電桿閃絡(二者對稱)、C1/C2相經由空氣或絕緣子串及橫擔對電桿閃絡(二者對稱)、B1/B2相經由空氣或絕緣子串及橫擔對C1/C2相閃絡(二者對稱)、A1/A2相經由空氣對B1/B2相閃絡(二者對稱)、A1/A2相經由空氣對C1/C2相閃絡(二者對稱)。對以上對稱的情況，在仿真模型中，只需觀察其中之一是否發生閃絡即可；在閃絡路徑中包含兩種的，需根據空氣間隙、絕緣子串閃絡電壓、橫擔長度等計算兩個閃絡電壓，壓控開關的閃絡電壓就取其最小者。

經過實際計算，普通桿和復合桿中C1/C2相對電桿閃絡的電壓明顯偏低，因此在仿真計算過程中需重點關注。

2 10 kV復合材料電桿線路防雷計算

滄州線待改造的電桿包括2基直線電桿和2基終端桿，為探究復合材料電桿對線路耐雷水平的影響，對比普通桿和復合材料電桿的耐雷水平，分別建立模型進行計算。下面分別建立6基全普通桿直線桿、2基復合材料直線桿+4基普通直線桿、2基復合材料終端桿+4基普通直線桿的模型。直線桿和終端桿的橫擔及導線布置相似。10 kV線路未架設避雷線，故只考慮雷擊電桿或導線，雷電流從A1/A2相注入。

為明顯看到仿真過程中的波形變化，將仿真時長的前5 μs設置為空閑，即前5 μs雷擊電流輸出為0，整個仿真時長取80 μs。

2.1 6基全普通直線桿

考慮上一節所述閃絡路徑，計算普通直線桿閃絡路徑上可能的最低閃絡電壓，計算結果見表1。

表1 普通直線桿可能閃絡路徑及最低電壓

6基全普通桿仿真模型如圖3所示。雷電流從A1相注入，由于全線電桿皆相同，故雷擊位置不會對耐雷水平造成影響，仿真的耐雷水平為0.59 kA，閃絡路徑是A相經絕緣子串對鐵橫擔閃絡，得到的絕緣擊穿前后的波形對比見圖4。

圖3 6基全普通電桿仿真模型Fig.3 Simulation model of 6-base all ordinary electric poles

圖4 6基全普通桿模型雷擊閃絡前后波形對比Fig.4 Comparison of waveforms before and after lightning flashover of 6-base all ordinary pole model

2.2 2基復合材料直線桿+ 4基普通直線桿

考慮上一節所述閃絡路徑，計算復合直線桿閃絡路徑上可能的最低閃絡電壓，結果見表2，閃絡最低電壓發生在C相和電桿之間，最低閃絡電壓275 kV相比全部是普通電桿的最低閃絡電壓75 kV，顯著提高。

表2 復合直線桿可能閃絡路徑及最低電壓

依此設定壓控開關閃絡電壓，2基復合直線桿+4基普通桿混合仿真模型如圖5所示。復合材料電桿的存在使得線路均一性被打破，各電桿所能承受的最大雷電流將與雷擊位置有關。因此在仿真計算時，分別考慮雷擊T1、T2、和T3(T表示電桿，T3和T4為復合材料電桿)電桿的情況。仿真計算的雷電流從A項注入，得到雷擊不同電桿時線路的耐雷水平及最先發生的閃絡位置，結果見表3。

圖5 2基復合直線桿+ 4基普通桿仿真模型

表3 混合直線桿中雷擊不同電桿時的耐雷水平

雷擊T3時，若只考慮T3自身耐受雷電流的強度，仿真計算得到T3最大可耐受4.43 kA雷電流，遠大于普通直線桿的耐雷水平，雷擊T3閃絡時三相均對電桿閃絡。對比上表和6基普通直線桿的情況，可以看出：復合材料直線桿的存在使得線路整體耐雷水平有較大提升，其最小閃絡電流0.72 kA，全是傳統電桿的最小閃絡電流0.59 kA，提升了22%，復合直線桿本身絕緣性能足夠強使得周圍鄰近桿成為線路防雷的薄弱部分，雷擊復合直線桿時由于雷電波的傳播使鄰近普通直線桿最易發生雷擊閃絡；雷擊普通直線桿時，仍是普通桿直線最易閃絡，但耐雷水平比全普通直線桿的線路情況有較大提升。

2.3 2基普通終端桿+ 4基普通直線桿

考慮上一節所述閃絡路徑，計算普通終端桿閃絡路徑上可能的最低閃絡電壓，結果見表4，最低閃絡通道處于A、B、C相與橫擔間，閃絡最低電壓75 kV。

表4 普通終端桿可能閃絡路徑及最低電壓

依此設定壓控開關閃絡電壓，終端桿一般只在線路最后幾基，故在模型中，2基普通終端桿位于最后，整體仿真模型如圖6所示。

圖6 4基普通終端桿+ 2基普通終端桿仿真模型Fig.6 Simulation model of 4-base ordinary terminal poles + 2-base ordinary terminal poles

混合桿型使得線路防雷性能不均一，電桿耐雷水平與雷擊位置相關。因此在仿真計算時，分別考慮雷擊T5、T4、和T3電桿的情況。得到雷擊不同電桿時線路的耐雷水平及最先發生的閃絡位置，結果見表5。

表5 普通直線桿與終端桿中雷擊不同桿時的耐雷水平

2.4 2基復合材料終端桿+ 4基普通直線桿

考慮上一節所述閃絡路徑，計算復合終端桿閃絡路徑上可能的最低閃絡電壓，結果見表6。

表6 復合終端桿可能閃絡路徑及最低電壓

依此設定壓控開關閃絡電壓。將上一節模型中的2基普通終端桿換成復合材料桿，得到混合桿仿真模型如圖7所示。

圖7 4基普通直線桿+ 2基復合材料終端桿混合仿真模型Fig.7 Hybrid simulation model of 4-base ordinary linear poles+2-base composite material terminal poles

復合材料終端桿的存在使得線路均一性被打破，各電桿所能承受的最大雷電流將與雷擊位置有關。因此在仿真計算時，分別考慮雷擊T3、T4、和T5(T5和T6為復合材料終端桿)電桿的情況。得到雷擊不同電桿時線路的耐雷水平及最先發生的閃絡位置，結果如表7。

表7 混合桿中雷擊不同電桿時的耐雷水平

雷擊T5時，若只考慮T5自身耐受雷電流的強度，T5仿真計算最大可耐受10.09 kA雷電流，遠大于普通直線桿和普通終端桿的耐雷水平，雷擊T5閃絡時A相對電桿閃絡。對比上表和6基普通直線桿的情況，可以看出,利用復合材料桿塔的絕緣性，復合材料終端桿的存在使得線路整體耐雷水平有較大提升，其最小閃絡電壓400 kV，相比全部傳統電桿最低閃絡電壓75 kV，提升顯著；其次線路中最小閃絡電流0.64 kA，也較傳統電桿線路最小閃絡電流0.60 kA，而復合材料桿塔的閃絡電流0.81 kA，顯然高于普通電桿，復合材料終端桿本身絕緣性能足夠強使得周圍鄰近桿成為線路防雷的薄弱部分，雷擊復合材料終端桿時由于雷電波的傳播使鄰近普通終桿最易發生雷擊閃絡；雷擊普通終端桿時，仍是普通終端桿最易閃絡，但耐雷水平比全普通終端桿的線路的情況有較大提升。

3 結 語

1)復合材料電桿的存在使得線路整體防雷性能的均一性被打破，復合材料桿本身絕緣性能足夠強,使其耐受雷擊水平高，而普通桿成為線路防雷的薄弱部分；盡管如此，混合桿線路的耐雷水平比全普通桿線路的耐雷水平仍有較大提升；

2)雷擊復合材料桿時，由于雷電波的傳播使鄰近普通直線桿最易發生雷擊閃絡；雷擊普通直線桿時，雖仍是普通桿最易閃絡，但雷擊復合材料桿耐雷水平比全普通直線桿的線路時高；

3)復合材料電桿在配置與普通桿相同的橫擔和絕緣子串時，其耐雷水平明顯過高，即防雷配置顯得過高，為降低成本，可考慮適當減小橫擔長度和絕緣子串長。