10 kV配電線路避雷器優化布置研究

2022-09-01 06:38:04許安玖廖文龍

四川電力技術 2022年4期

雷瀟，許安玖，劉強，崔濤，廖文龍

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川成都 610041；2.國網四川省電力公司廣元供電公司，四川廣元 628000)

0 引言

10 kV配電線路因絕緣強度較低而極易發生雷擊跳閘和設備損壞等故障[1-3]。部分多雷地區的10 kV配電線路雷擊跳閘比例超過50%[4-6]。而在雷擊故障中，由雷擊線路附近大地或構筑物產生的雷電感應過電壓造成的比例占90%以上[7]。因此，亟需開展雷電感應過電壓抑制方法的研究，以大幅改進雷電防護性能。

雷電感應過電壓的產生機理已較為明確，并由Agrawal、Chowdburi和Rusck等人提出了若干理論計算模型[8-10]。其中，Agrawal模型是一種以散射電壓表示的外界電磁場機理多導體傳輸線模型，在理論上較其他模型更合理，并且得到了試驗驗證。在此基礎上，國內學者開展了模型改進完善工作，建立了雷電感應過電壓的仿真計算基礎[11]。

雷電感應過電壓的特征與直擊過電壓有明顯的區別，文獻[12-13]對此開展了仿真分析，但沒有涉及避雷器等防雷措施對過電壓的抑制作用。文獻[14]開展了雷電過電壓閃絡率的研究，但忽略了多相閃絡問題。對于10 kV配電線路，通常為中性點不接地系統或諧振接地系統，只有兩相或三相同時閃絡才會觸發保護跳閘。部分文獻[15-18]研究了避雷器安裝密度對雷電感應過電壓閃絡率的影響，并提出了安裝密度優化建議，但研究過程未考慮多相閃絡和分支線路的問題。文獻[11]提及了分支線路臺區避雷器對過電壓的影響，但沒有開展線路避雷器優化配置的研究。實際上，配電線路拓撲結構復雜，潛在雷擊范圍廣，在計及經濟投入和后期運維的情況下，必然面臨避雷器優化配置的問題。

針對雷電感應過電壓造成的雷擊跳閘問題，下面以Agrawal模型為基礎，在ATP/EMTP中建立了三相導線的雷電感應過電壓仿真模型，開展了兩相閃絡概率和避雷器配置方式的研究。

1 雷電感應過電壓

根據Agrawal模型[10]，線路上的電壓U(x,t)為入射電壓Ui(x,t)和散射電壓Us(x,t)之和。入射電壓Ui(x,t)為雷電流在線路垂直方向上電場的積分，如式(1)所示。

(1)

式中:h為線路高度;Ez(x,y,z,t)為坐標(x,y,z)處沿地面垂直方向的電場。散射電壓Us(x,t)是由雷電流i(x,t)切向電場分量所激發的，且受自身及鄰近導體電流影響的電壓分量，其多導體傳輸線電報方程如式(2)所示。

(2)

式中：R、L和C分別為多導體傳輸線單位長度的電阻矩陣、電感矩陣和電容矩陣；Ex(x,y,z,t)為雷電流在沿導線方向上產生的電場。

由上述公式可以推導出，導線上的過電壓不僅取決于雷電流在其水平和垂直方向上的電場強度，同時也受到自身及鄰近導線上瞬時電流的影響。文獻[16]研究發現架空地線對雷電感應過電壓有較明顯的抑制作用，即驗證了鄰近接地導體上流過的瞬時電流對散射電壓的改變。進一步可知，當一相導體絕緣閃絡后，勢必會對其他兩相導體上的感應過電壓產生影響，而這一機制與雷電直擊造成多相同時跳閘明顯不同。同時，一相導線的雷電流經桿塔入地后，橫擔電位抬升，也會改變另兩相絕緣子上承受的電壓。因此，可通過Agrawal模型對10 kV配電線路多相閃絡的現象進行分析。

2 仿真建模

文獻[12-13]結合Agrawal模型和雷電流Heidler模型和Bergeron模型，在ATP/EMTP中建立了單相導線雷電感應過電壓計算模塊。在其基礎上建立了三相導線的計算模塊，如圖1所示。模塊兩邊的RL線路模型中只包含R分量，用于表征導線波阻抗及互阻抗。該計算模塊只能監測線路兩端的電壓，如要觀測線路任意點電壓則需級聯多個計算模塊。大地電導率為0.01 S/m。

圖1 感應過電壓計算模塊

雷電流波前時間為2.6 μs，半波時間為50 μs。雷電流幅值和位置可根據計算需要進行調節。10 kV線路平均高度一般不超過10 m，在城鄉居民區、山地和丘陵地區的引雷作用不強，一般認為線路附近65 m以內為直擊。然而，當線路附近65 m內有微波塔、輸電線路桿塔等引雷構筑物時，由于線路被屏蔽，雷擊點與線路的最短水平距離可能不超過50 m。這里將雷擊點距離設置為50 m，以體現雷電感應過電壓計算的最嚴苛情況。通過仿真計算可獲取不發生兩相閃絡的最大可承受雷電流，結合雷電流幅值概率分布即可評估其雷電感應過電壓承受能力。中國多雷地區的雷電流幅值概率函數如式(3)所示。

(3)

式中：I為雷電流幅值的變量；i0為給定的雷電流幅值;P(I≥i0)為雷電流幅值超過i0的概率。

研究主要考慮配電線路在無分支處和有分支處的兩種基本結構。對于無分支處，可以長直線路為計算對象。為了防止線路末端的反射影響，將線路總長設置為11 km，雷電點發生在線路中點附近，并將線路兩端經與導線波阻抗等值的電阻接地。對于分支線路，在長直線路的中點處垂直引出支線，長度為5.5 km，終端經與導線波阻抗等值的電阻接地。

10 kV桿塔為典型的三角形塔頭布置，中相線路高為11 m，邊相線路高為10 m，相間水平距離為1 m。桿塔采用8 μH的電感模擬，接地電阻取10 Ω。絕緣子簡化為常開的理想開關，當電壓超過絕緣子50%閃絡電壓時閉合。10 kV避雷器采用文獻[17]給出的伏安特性。典型的桿塔節點處模型如圖2所示。

圖2 桿塔節點模型

為了驗證模型的有效性，對文獻[11]的算例進行仿真。雷電流為30 kA，落雷點距離線路中相為50 m，到兩端線路距離相等。各觀測點至落雷最近位置的水平距離為0、250 m、750 m和1500 m。仿真結果如圖3所示，與原文基本一致。

圖3 文獻[11]參數下的仿真結果

3 感應雷過電壓跳閘概率

3.1 無分支處

在雷電流幅值較小時，雷電感應過電壓小于絕緣子閃絡電壓，不會造成絕緣閃絡。雷電流幅值增大到一定值會造成單相絕緣子閃絡，但不能造成兩相閃絡。雷電流幅值繼續增大將會造成兩相閃絡，形成兩相短路導致跳閘。

當落雷點在線路附近50 m處時，各種絕緣強度下的跳閘概率如表1所示。所需最小雷電流幅值均隨絕緣子50%閃絡電壓的增大而呈現線性增加的規律。對于目前應用最廣的絕緣配置，絕緣子50%閃絡電壓接近200 kV，其兩相閃絡所需雷電流為51.9 kA，發生概率為25.7%。

表1 不同絕緣強度下的跳閘概率

3.2 有分支處

分支處距離線路50 m的可能落雷點位置如圖4所示。過電壓幅值最高的位置如表2所示。可見，當落雷點為3，即雷擊發生在干線和支線交叉處50 m時，線路過電壓幅值最高，最易發生閃絡。為更好地防治雷電感應過電壓，應針對該落雷點進行研究。

圖4 分支處的落雷位置

表2 不同雷擊位置對應的最大過電壓位置

當落雷點為3時，各種絕緣強度下的閃絡概率如表3所示，所需最小雷電流幅值均隨絕緣子50%閃絡電壓的增大而呈現線性增加的規律。與無分支的情況相比，閃絡明顯更易發生。如絕緣子50%閃絡電壓為200 kV時，跳閘所需雷電流幅值為28 kA，僅為無分支情況的0.54倍。這是雷擊同時在主線和分支線感應出極性相同的過電壓所致。

表3 不同絕緣強度下的閃絡概率

4 避雷器配置方式

4.1 無分支處

主要對比研究6種避雷器配置方式下的防雷效果。6種配置方式分別如圖5所示。配置方式1、3、5是在一基桿塔上同時安裝三相避雷器，安裝間隔距離分別為150 m、300 m和450 m；配置方式2、4、6是在不同桿塔的各相上分散安裝避雷器，安裝桿塔間隔距離分別為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的安裝密度分別相同。

圖5 無分支情況下避雷器配置方式

對于每種配置方式，兩相閃絡所需雷電流幅值與雷擊位置密切相關。這里選擇雷擊點在線路附近50 m處，以最嚴苛情況進行比較。各配置方式下兩相閃絡所需雷電流幅值見表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。如絕緣子50%閃絡電壓為200 kV時，配置方式3兩相閃絡需雷電流77 kA，而方式4需雷電流93 kA。為更清晰地反映三相集中配置和分散配置的防雷效果，計算了兩相閃絡概率，如圖6所示。

表4 無分支情況下兩相閃絡所需雷電流幅值

圖6 各配置方式下兩相閃絡概率

避雷器動作后，一方面降低了本相導線在相鄰桿塔的過電壓；另一方面也降低了本基桿塔其他兩相絕緣子承受的過電壓。對于三相避雷器集中布置于一基桿塔的情況，若雷擊點距避雷器安裝桿塔較遠，避雷器對雷擊點附近三相導線的過電壓限制能力弱。而對于分散安裝的情況，雷擊點附近且離避雷器最遠的相導線首先閃絡，而此時其他兩相的過電壓又受近距離避雷器的限制，因此兩相閃絡的難度更高。

4.2 有分支處

無避雷器時，分支處的兩相閃絡概率比無分支情況高，分支處為絕緣薄弱點。以干線和支線均按照第4.1節中配置方式4為例進行研究，各相避雷器分散安裝在不同桿塔上，安裝桿塔間隔距離為100 m。選擇雷擊點在干線和支線交叉處50 m處，此時過電壓幅值最高。由第2.2節可知，離雷擊點最近的干線和支線處過電壓最高，因此避雷器配置的典型方式可有兩種，即雷擊點最近處桿塔有避雷器和無避雷器，如圖7所示。