10 kV配電線路避雷器防護分析

馮瑞發，肖小兵，廖民傳，劉安茳，屈路，李躍

（1. 南方電網科學研究院，廣東 廣州 510663；2. 特高壓電力技術與新型電工裝備基礎國家工程研究中心，云南 昆明 651701；3.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002）

0 前言

配電線路分布范圍廣，耐雷水平低，易受雷害威脅[1-3]。珠三角多數區域位于強雷區，雷電活動頻繁，近年來雷擊引起的配電線路跳閘占配電線路故障總數的60%以上[4]，對于配電線路，一般認為感應雷是導致線路跳閘的主要原因[3]。為提升線路耐雷性能，線路設計運維人員采取了加強線路絕緣水平、降低桿塔接地電阻、安裝避雷器、架設避雷線及耦合地線等系列防護措施[5]，運行經驗證明，這些措施均能在不同程度上降低配電線路雷擊跳閘率，對線路形成有效防護[3]。特別是對于避雷器，由于其良好的非線性伏安特性，限制雷電過電壓效果較好，基層人員使用避雷器進行線路雷擊防護的意愿較強。行標35 kV 及以下配網防雷技術導則[6]也建議對位于多雷區、強雷區的11種典型工況安裝避雷器進行防護，但調研發現，基層人員在安裝避雷器時，對避雷器的保護范圍、接地、安裝密度、防護效果等方面存在諸多疑問，不少運維人員在安裝避雷器時往往憑經驗或主觀想法，造成避雷器安裝不合理、成本高、防護效果也不理想。近年來，國內外學者在配電線路避雷器技術參數選型應用、避雷器配置、降低雷擊跳閘率及避雷器雷擊故障率等方面開展了一些研究。文獻[7]基于10 kV 架空線直擊雷過電壓瞬態過程計算模型，結合電氣幾何模型得到線路避雷器雷擊故障概率，提出了避雷器雷電耐受技術參數優化選擇建議。文獻[8]結合生產運維實際情況，對配網10 kV避雷器的選擇和使用提出了有效建議。文獻[9]基于10 kV 配電線路EMTP 雷擊仿真模型，利用避雷器吸收能量來計算避雷器雷擊故障率，研究了避雷器通流容量、避雷線安裝數量與方式及接地電阻對降低避雷器雷擊故障率的影響。文獻[10] 在完整的10 kV 配電系統模型上，研究了避雷器接地電阻對10 kV 配電線路終端設備雷擊暫態特性的影響。但以上研究鮮有提及避雷器的具體保護范圍、桿塔接地電阻對感應雷電壓的限制特性及避雷線和避雷器同時安裝對線路雷擊跳閘率的影響等，為提升現場避雷器安裝的技術經濟性，有必要對10 kV 配電線路避雷器的特性作進一步研究。

雖然配電線路雷擊跳閘主要由感應雷引起，但本文基于實際10 kV 配電線路EMTP 電磁暫態程序（Electro-Magnetic Transient Program,EMTP）雷擊暫態模型，從仿真計算和理論分析兩個角度研究了避雷器在配電線路直擊雷和感應雷下的防護特性，分析了避雷器在兩種雷擊形式下的保護范圍及能量吸收特點，給出了桿塔上相避雷器安裝建議，通過計算得出較小的接地電阻對感應雷電壓有很好的限制作用，提出避雷器隔2 基安裝密度下配合使用架空地線可取得不錯的雷擊防護效果，研究結果可供10 kV 配電線路防雷工程參考。

1 仿真計算參數及模型

1.1 線路參數

本文仿真計算時以某10 kV 配電線路為例，線路全長37.5 km，終端連接有配變，導線為JL/G1A-120/25 型鋼芯鋁絞線，外徑15.7 mm，直流電阻0.2346 Ω/km，線路檔距為50 m，全線未架設地線。直線水泥桿為SC-210 型瓷橫擔，桿塔高度12 m，導線呈三角形排列，相序排列方式如圖1 所示，由于一般配電線路電桿采用內部結構鋼筋自然接地，接地電阻較大，本文仿真時統一取20 Ω。目前，在開展線路防雷計算時，桿塔等效模型主要有：集中電感模型、單一波阻抗模型和多波阻抗模型[6]，考慮到10 kV 配電線路高度一般為12～18 m，本文仿真時電桿本體用波阻抗進行等值，波阻抗取250 Ω，橫擔、立擔用電感進行等值，電感取0.84 μH/m[5,7]。仿真時線路采用LCC 頻變模型，由于雷擊過程很短暫，終端處配變采用入口電容等值模擬，電容大小根據經驗取為30 pF。

圖1 10 kV電桿等值模型

1.2 雷電流模型

雷電流選用式（1）所示的Heidler 模型[11]，波頭/波尾時間為2.6/50 μs，雷電直擊導線時，雷電通道波阻抗取800 Ω。

式中：Ip為雷電流峰值，η為電流峰值修正系數，τ1、τ2分別雷電流上升（下降）時間常數，n為雷電流波頭陡度因子。

1.3 絕緣子串閃絡模型

考慮到先導發展模型[12]一般適用于1 m 及以上較長空氣間隙的閃絡過程，對于絕緣水平較低的配電線路，絕緣子串閃絡采用理想壓控開關模擬，開關動作電壓取絕緣子串50%雷電沖擊放電電壓，本文取185 kV[5]。

1.4 感應雷電壓模型

文獻[13] 推薦無架空避雷線的線路雷電感應過電壓可按下式計算：

式中：Ug為感應雷電過電壓值，V；hd為導線對地高度，m；S為雷擊點與導線的水平距離，m；I為雷電流，A。仿真中感應雷電壓利用EMTP 中的TACS 模塊[14]實現，根據雷電流大小、桿塔高度、落雷點距線路的距離等參數計算出感應雷電壓，然后直接耦合注入到線路上。

按照上述參數和模型在EMTP 中建立的雷電直擊導線的仿真計算模型如圖2 所示。

圖2 10 kV配電線路雷擊仿真模型

2 仿真計算結果及分析

2.1 直擊雷下的避雷器防護性能

由于10 kV 配電線路導線對地高度和相間距離較小，且無避雷線，根據擊距理論[15-16]，桿塔上相導線將對邊相導線形成完全電磁屏蔽，可近似認為直擊雷全部落在上相導線上[7]，因此本文在仿真分析時未作特別說明均指雷擊上相導線的情形，需要指出的是，對于配電線路，其直擊雷耐雷水平很低，基本上對于＞1 kA 的落雷，均會造成線路閃絡。雖然實際落雷時大幅值雷電流可能導致避雷器損壞，但本文主要在于說明避雷器的防護特性，仿真計算時認為避雷器均在正常工作的范圍內。

仿真中配電線路避雷器采用YH5WS-17/50型復合外套避雷器，設T0-T5分別為沿線依次相鄰的6 基桿塔，避雷器安裝在T0塔上，安裝方式包括僅B 相安裝、僅C 相安裝（A 相與C相對稱）、B 相和C 相均安裝、C 相和A 相均安裝及A、B、C 三相均安裝5 種安裝方式，相序排列見圖1。不同避雷器安裝方式下，雷擊T0-T5塔上相導線時，各基桿塔的直擊雷耐雷水平，結果如表1 所示。

表1 不同避雷器配置方式下桿塔直擊雷耐雷水平

表中，當雷擊塔T0塔A、B、C 三相均安裝避雷器時，在避雷器正常動作范圍內，可認為桿塔不會發生閃絡，為便于下文分析，假設此時T0塔耐雷水平為5 kA?？梢钥吹?，10 kV 配電線路雷擊導線時，線路耐雷水平很低，未安裝避雷器時，桿塔耐雷水平為0.89 kA，安裝避雷器后，沿線與安裝避雷器桿塔相鄰的桿塔的耐雷水平有一定的提升，如上相（B 相）安裝時，T0塔耐雷水平升高為1 kA，提升12.4%，與T0塔相距250 m 的T5塔耐雷水平較安裝前也提升了2.3%，三相均安裝時，相鄰桿塔耐雷水平提升最大?？梢?，雷擊導線時，避雷器的保護范圍可以外延，經仿真發現最大可外延至350～400 m 處的桿塔。分析認為，避雷器的保護范圍可利用圖3 進行解釋，圖中T0塔安裝有避雷器S，當雷擊T2塔上相導線時，雷電流產生的過電壓波Wf向線路兩側傳播，當過電壓波經過T0塔時，避雷器動作，雷電流通過避雷器經桿塔入地，由于接地電阻較小，在塔底產上向上的負反射波Wr，由于T0塔和T2塔距離較短，波在線路上的傳播速度很快，因此，雷擊T2塔后，經很短時間，向前傳播的過電壓波Wf與從安裝避雷器桿塔傳播回來的負反射波Wr相遇，線路過電壓被抵消一部分，導致T2塔耐雷水平得到提升。設T0塔與T2塔之間的檔距長度為l，過電壓波在線路上的傳播速度為v，忽略避雷器的動作放電時間，欲使避雷器對鄰塔的保護作用體現出來，需滿足式（4）：

圖3 避雷器對鄰塔進行保護的示意圖

式中：τ為雷電波波頭時間，μs，取為2.6 μs，波速取0.9c（c=3×108m/s），計算得到T0塔與T2塔之間的檔距長度l＜351 m，也就是說，當T0塔與T2塔之間的距離小于351 m（≈7 個檔距）時，在T0塔上安裝避雷器可對T2塔進行一定程度的保護，該計算結果與表1 的仿真結果是一致的。

圖4為T0塔在不同避雷器配置方式下，不同大小雷電流落在上相導線時，避雷器最大吸收能量變化趨勢?？梢钥吹?，隨著雷電流增大，避雷器的最大吸收能量基本都是先增大，然后在中間某個雷電流下由于相鄰桿塔發生閃絡，雷電流泄放通道變多，造成雷擊桿塔避雷器吸收能量下降，隨著雷電流在一定范圍內繼續增大，相鄰桿塔閃絡相不再增加，此時避雷器吸收能量又逐漸增大，呈曲折上升特點。

圖4 不同避雷器配置方式下避雷器最大吸收能量

考慮到雷擊線路時，避雷器具有一定的保護范圍，現分析沿線避雷器安裝密度對未安裝避雷器桿塔直擊雷耐雷水平的影響。分析時單基桿塔A、B、C 三相均安裝避雷器，考慮避雷器每隔1 基安裝、每隔2 基安裝、每隔3 基安裝、每隔4 基安裝和每隔5 基安裝等5 種不同安裝密度，為便于說明，雷擊避雷器安裝桿塔時，其耐雷水平統一取為5 kA，圖5 為不同安裝密度下沿線桿塔直擊雷耐雷水平變化情況。

由仿真結果可知，隨著避雷器安裝密度的減小，避雷器對相鄰桿塔的保護作用越來越弱，如每隔2 基安裝時，T1塔的耐雷水平比每隔1基安裝時下降18.2%。容易看到，對于分布在首尾安裝避雷器的桿塔之間的未安裝桿塔，其耐雷水平以中間桿塔為較低中心點，近似呈兩端對稱的“U 型”分布規律。

2.2 感應雷下的避雷器防護性能

表2 為配電線路未安裝避雷器時，距線路不同距離下的感應雷電壓對應的桿塔耐雷水平，可以看到落雷點距離桿塔越遠，線路耐雷水平越大，兩者基本呈線性關系。

表2 距線路不同距離下桿塔感應雷耐雷水平

仿真發現，感應雷下桿塔上相（B 相）的感應雷電壓最大。在T0塔上采用不同方式配置避雷器時，避雷器動作后，線路電壓被鉗住，未安裝避雷器的相絕緣子串兩端電壓得到限制，桿塔耐雷水平得到提升。但若離雷擊點最近的桿塔（如T1塔）未安裝避雷器，雷擊時該桿塔上的過電壓水平仍然很高，此時該塔容易發生閃絡，也就是說安裝避雷器后，感應雷下雷擊閃絡發生在沒有安裝避雷器的桿塔上，下圖6為30 kA 感應雷落在距離T0塔40 m 處，造成與其相鄰的T1塔上相（B 相）發生閃絡的絕緣子串兩端電壓波形，隨著雷電流增大，將造成T1塔更多相及其它相鄰塔發生閃絡。

圖6 感應雷下桿塔絕緣子串兩端電壓波形

考慮到感應雷下上相避雷器通過的電流最大，感應雷電壓也最大，因此在沿線每基塔上相均安裝避雷器，感應落雷點距離T0塔最近，圖7 為落雷點距T0塔不同距離下，雷電流大小為50 kA 時沿線桿塔避雷器最大吸收能量分布情況?？梢钥吹?，沿線避雷器的最大吸收能量隨著與T0塔距離的增大而逐漸減小。

圖7 感應雷下沿線桿塔避雷器最大吸收能量

由于避雷器一般與桿塔共用接地，仿真發現，感應雷下桿塔接地電阻Rg對線路感應雷電壓影響較大，當接地電阻非常大時，線路上的感應雷電壓接近未安裝避雷器時的水平，當接地電阻很小時，線路上的感應雷電壓接近避雷器殘壓水平。配電線路安裝避雷器后，根據戴維南定理，可用圖8 所示的等值電路[17-19]進行表述，圖中U0為安裝避雷器之前線路外施感應雷電壓，Z0為線路波阻抗，R(i)為非線性電阻，UR為避雷器殘壓，I為避雷器流過雷電流，K為模擬安裝避雷器前后的控制開關，實線框內表示未安裝避雷器時的狀態，右側虛線框內表示安裝避雷器后，避雷器動作K 閉合時的狀態。

圖8 配電線路安裝避雷器后的等值電路

根據圖8 所示電路，可計算得到安裝避雷器后，線路感應雷電壓可用下式（5）表示：

于是有：

式中：為安裝避雷器后線路感應雷電壓，kV；避雷器殘壓取50 kV；線路波阻抗取450 Ω，得到安裝避雷器后線路感應雷電壓隨桿塔接地電阻的變化趨勢如圖9 所示。

圖9 桿塔接地電阻對線路感應雷電壓的影響

從圖中可以看到，在外施感應雷電壓大小為500 kV 下，當桿塔接地電阻分別為5 Ω、10 Ω、20 Ω、50 Ω、100 Ω、200 Ω、500 Ω及1000 Ω 時，安裝避雷器后感應雷電壓水平分別降為60 kV、69 kV、87 kV、132 kV、188 kV、262 kV、360 kV 及417 kV，可以看到當桿塔接地電阻≤20 Ω 時，即使外施感應雷電壓較大，避雷器都可將線路電壓限制在殘壓水平附近，線路閃絡可能性較低；隨著接地電阻的增大，避雷器對線路感應雷電壓的限制效果越來越弱。因此，配電線路安裝避雷器后，應確保避雷器的接地電阻盡可能小，可采取單獨設置人工接地的方式來確保桿塔接地電阻滿足要求，并在后期運維中加強對避雷器接地電阻的監測，一旦發現接地電阻不滿足要求可及時整改。

2.3 避雷器降低雷擊跳閘率的效果

現從降低雷擊跳閘率的角度分析避雷器的防護效果。采用行標[6]中的雷擊跳閘率計算方法，雷擊跳閘率包括直擊雷跳閘率和感應雷跳閘率，其中直擊跳閘率可按式（7）計算：

式中，NL為引雷次數，采用下式（8）計算，P1,2、P1,2,3分別對應雷擊導線時兩相和三相閃絡的雷電流幅值概率，采用式（9）計算[20]，η為沖擊閃絡過渡到兩相工頻電弧的概率，采用式（10）計算：

式中Ng為地閃密度，40 個標準雷電日下的值為2.78 次/（km2·a），ht為桿塔高度，m，b為桿塔結構寬度，m，對于配電線路計算時可取0，Un為系統標稱線電壓，kV，l為導線之間的放電路徑總長度，m。

感應雷跳閘率根據IEEE 導則[21]推薦的公式（11）計算：

式中ymax,i為可發生感應雷閃絡的最大落雷距離，m；ymin,i為雷擊導線的臨界距離，m；小于該距離雷電將擊中導線，大于該距離雷電將擊中大地；Ng為地閃密度，Pi為雷電流幅值概率。

基于上述建立的仿真模型，計算得到的結果如表3 所示。表中加強絕緣指將全線當前2片玻璃絕緣子換成3 片同型號玻璃絕緣子；架設地線指全線在桿塔上方通過支架形式架設單根地線；考慮到全線逐塔逐相安裝避雷器時，在避雷器正常工作范圍內，線路理論上不會跳閘，因此表中提到的雷擊跳閘率是指全線每隔2基塔安裝1 組避雷器，雷擊安裝避雷器桿塔，并導致相鄰桿塔發生閃絡的雷擊跳閘率。

表3 避雷器防護效果

從表中可看到，由于采用每隔2 基塔安裝一組避雷器，耐雷水平提升較小，因此其保護效果有限，不如全線加強絕緣及架設地線的情形，但若與架設地線配合使用，綜合雷擊防護效果最好，對于雷害嚴重的線路可考慮采取此種組合式防護措施。

3 結束語

本文研究了10 kV 配電線路避雷器的防護特性，主要結論如下：

1）雷擊導線時，避雷器對相鄰桿塔具有一定的防護效果，其保護范圍與雷電流波頭、波在線路上的傳播速度等因素有關。避雷器最大吸收能量呈折線上升趨勢，對位于首尾安裝有避雷器的桿塔之間的桿塔，其耐雷水平近似呈“U型”分布規律，考慮到雷擊時桿塔上相避雷器承受的電壓最大，相比其它相避雷器，上相宜采用通流容量更大的避雷器。

2）感應雷下閃絡點發生在未安裝避雷器的桿塔，沿線桿塔避雷器最大吸收能量隨著與感應落雷點距離的增大依次減小。避雷器接地電阻直接影響線路感應雷電壓大小，實際對于安裝避雷器的桿塔，宜通過增設人工接地的方式盡量控制接地電阻≤20 Ω，確保能較好地限制感應雷電壓。

3）雷擊導線時，僅每隔2 基桿塔安裝一組避雷器防護效果一般，實際應用時配合使用架空地線可有效降低配電線路雷擊跳閘率，提升防護性能。