郝 捷，鄭惠萍，薄利明，郝鑫杰，姚建國

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，太原 030001；2.江蘇省電力公司檢修分公司，南京210000）

35 kV架空線路避雷器安裝方式的仿真研究

郝 捷1，鄭惠萍1，薄利明1，郝鑫杰1，姚建國2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，太原 030001；2.江蘇省電力公司檢修分公司，南京210000）

以某實(shí)際仿真線路為實(shí)例建立了上字型桿塔仿真模型，通過仿真其安裝單相、兩相和三相不同避雷器組合，分析了避雷器在不同安裝方式下對(duì)桿塔的多重因素的影響。最終得出35 kV上字型桿塔以兩邊相同時(shí)安裝線路避雷器防雷效果最佳。工程實(shí)踐表明，研究成果應(yīng)用于實(shí)際的防雷工程中具有良好的效果。

35 kV架空線路；耐雷水平；線路避雷器；ATP－EMTP

0 引言

避雷器在線路防雷中應(yīng)用的越來越廣泛，并取得了顯著的效果。但由于避雷器造價(jià)較高，在防雷要求不高時(shí)為節(jié)約成本有時(shí)只在一相或兩相安裝線路避雷器[1]。筆者將從這方面對(duì)避雷器的安裝方式進(jìn)行仿真研究，并針對(duì)不同的安裝方式對(duì)線路防雷效果的影響進(jìn)行仿真分析[2－3]。

1 桿塔仿真模型的建立

35 kV架空線路中，上字型桿塔約占桿塔總數(shù)的80%以上，因此將上字型桿塔作為35 kV架空線路的研究對(duì)象具有一定的代表性。為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，筆者所研究的上字型桿塔，均設(shè)B相與C相位于桿塔同側(cè)，其中C相位于B相上方，而A相位于另外一側(cè)[4]。

實(shí)際架空線路的各基桿塔所處地理環(huán)境不同，會(huì)造成桿塔參數(shù)有差別，筆者目的是研究線路避雷器不同安裝方式對(duì)線路防雷性能的影響，因此必須屏蔽桿塔本身參數(shù)變化對(duì)研究結(jié)果造成影響。筆者使用ATP－EMTP電磁暫態(tài)軟件根據(jù)實(shí)際參數(shù)建立了某實(shí)際35kV線路中的5基（2號(hào)－6號(hào)）上字型鐵塔構(gòu)成的防雷仿真系統(tǒng)，依據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T620—1997）有關(guān)規(guī)定，確定35 kV線路單根導(dǎo)線和避雷線的波阻值為400 Ω，桿塔電感取 0.5μH/m，部分仿真模型見圖1[5－6]。線路全線架設(shè)單避雷線，接地電阻和絕緣水平基本一致，其中接地電阻取10 Ω，絕緣水平采取4片XP－70瓷絕緣子配置，線路三相均不加設(shè)避雷器。呼稱高均為15 m，對(duì)應(yīng)的集中電感值為7.5，橫擔(dān)長度為2.3 m，對(duì)應(yīng)的集中電感值為1.15，相鄰桿塔之間的檔距約為311m。

圖1 線路避雷器仿真分析研究模型截圖Fig.1 The model of the simulation analysis study on line arrester

該線路實(shí)際運(yùn)行顯示4號(hào)桿塔易受雷擊，因此筆者以4號(hào)桿塔為研究對(duì)象，正常工作時(shí)其三相絕緣子串兩端所承受的電壓（絕緣子串橫擔(dān)側(cè)對(duì)導(dǎo)線側(cè)電壓）為架空線路的相電壓，仿真電壓波形如圖2所示。

圖2 正常工作時(shí)導(dǎo)線相電壓與絕緣子兩端電壓波形圖Fig.2 Waveform of phase voltage and voltage on insulator under normal condition

圖中，圖注“上字型桿塔仿真模型：v：U4-D4A”表示正常運(yùn)行時(shí)4號(hào)桿塔A相絕緣子兩端電壓波形圖，“v：U4-D4B”表示4號(hào)桿塔B相絕緣子兩端電壓波形圖，“v：U4-D4C”表示4號(hào)桿塔C相絕緣子兩端電壓波形圖；“v：D1A”表示1號(hào)桿塔A相導(dǎo)線相電壓波形圖，“v：D1B”表示1號(hào)桿塔B相導(dǎo)線相電壓波形圖，以此類推，下同。

2 避雷器安裝方式研究

2.1 避雷器安裝方式對(duì)耐雷水平仿真研究

為對(duì)比不同安裝方式下的線路避雷器對(duì)桿塔耐雷水平的影響，本節(jié)通過在4號(hào)桿塔加裝不同組合的線路避雷器，裝設(shè)的避雷器型號(hào)為YH5WX-51/134W，通過仿真分析4號(hào)桿塔耐雷水平的變化規(guī)律[7-11]。

2.1.1 未安裝避雷器

通過試探法即逐次改變擊中4號(hào)桿塔頂部的雷電流幅值以觀察各基桿塔三相絕緣子所承受的電壓波形，從而確定該桿塔的耐雷水平[12]。

當(dāng)幅值分別為31 kA和32 kA的雷電流擊到4號(hào)桿塔時(shí)，4號(hào)塔及相鄰桿塔絕緣子串兩端的電壓波形如圖3所示。

由圖3可知，所加雷電流為31 kA時(shí)，4號(hào)塔的A、B、C三相絕緣子均未發(fā)生閃絡(luò)，但其絕緣子兩端所承受的電壓最大值明顯高于相鄰桿塔3號(hào)、5號(hào)塔，而3號(hào)塔絕緣子串兩端電壓波形與5號(hào)桿塔基本重合，2號(hào)、6號(hào)塔絕緣子兩端電壓最?。▓D3（a）、（c）、（e））。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是雷電流除了通過桿塔自身接地裝置泄放入地之外，仍有部分雷電流沿避雷線傳播至其他相鄰桿塔，雷電流在傳播過程中存在衰減，3號(hào)、5號(hào)塔距離4號(hào)桿塔之間的檔距均為311m，而2號(hào)、6號(hào)塔與4號(hào)桿塔距離較遠(yuǎn)，其衰減幅值隨距離的增加而增大。

當(dāng)雷電流提升至32 kA時(shí)，4號(hào)塔的A、B兩相及相鄰2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和6號(hào)桿塔三相絕緣子均未閃絡(luò)，而只有4號(hào)桿塔的C相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，其兩端電壓變?yōu)?，波形為一條直線（圖3（b）、（d）、（f）），這是由于未發(fā)生雷擊時(shí)，4號(hào)桿塔C相導(dǎo)線電壓為負(fù)值，如圖2所示，C相絕緣子承受著桿塔側(cè)相對(duì)于導(dǎo)線側(cè)為正值的相電壓，且該電壓值隨正弦曲線逐漸升高，而A相導(dǎo)線電壓為正值，桿塔電位相對(duì)于導(dǎo)線為負(fù)值，B相導(dǎo)線電壓雖然同為負(fù)值，但其電壓波形隨正弦曲線逐漸上升，絕緣子承受的電壓有下降的趨勢。此時(shí)，雷擊使桿塔電位升高，C相絕緣子兩端電壓差被進(jìn)一步增大，從而先于A、B兩相閃絡(luò)。

綜上所述，根據(jù)耐雷水平的定義，未安裝線路避雷器時(shí)，4號(hào)塔的耐雷水平為31 kA。

圖3 未安裝避雷器時(shí)絕緣子串兩端電壓波形Fig.3 The voltage waveform of insulator string,no arresters is installed

2.1.2 安裝避雷器對(duì)桿塔耐雷水平的影響

由于A、B、C三相導(dǎo)線在空間位置上的不同，任意一相安裝線路避雷器對(duì)于線路耐雷水平與防雷效果的影響均有所不同，因此，本節(jié)將依次對(duì)單相及多相安裝避雷器時(shí)的防雷效果進(jìn)行仿真分析[13]。

在4號(hào)塔A相安裝線路避雷器后，保持其他條件不變，通過仿真不同雷電流雷擊4號(hào)桿塔，觀察絕緣子串兩端電壓波形，從而確定其耐雷水平。仿真可知，當(dāng)雷電流幅值分別為37 kA和38 kA時(shí)，4號(hào)塔及相鄰桿塔絕緣子串兩端的電壓波形如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)雷擊4號(hào)桿塔雷電流為37 kA時(shí)，4號(hào)及相鄰桿塔A、B、C三相絕緣子串均未發(fā)生閃絡(luò)（圖4（a）、（c）、（e）），同時(shí)，B、C 兩相絕緣子兩端電壓與峰值為31 kA的雷電流擊于未安裝避雷器的4號(hào)桿塔時(shí)B、C絕緣子串兩端電壓基本相同（圖4（c）、（e））。4號(hào)桿塔A相安裝線路避雷器，由于避雷器的“鉗電位”作用，4號(hào)塔A相絕緣子兩端電壓被鉗制在70 kV左右，雷電流通過避雷器進(jìn)入導(dǎo)線，通過導(dǎo)線流至相鄰桿塔，致使相鄰桿塔A相絕緣子串承受過電壓（圖4（a））；當(dāng)雷電流提升至 38 kA 時(shí)，4 號(hào)塔未安裝避雷器的C相發(fā)生閃絡(luò)而其余各桿塔各相均未閃絡(luò)（圖4（b）、（d）、（f））。由此可知，在 A 相單相安裝線路避雷器后，4號(hào)塔的耐雷水平為37 kA。同理，可以分別仿真得出在B相、C相單相安裝避雷器時(shí)4號(hào)塔的耐雷水平。由于上字型排列的三相導(dǎo)線空間位置的不同，單基桿塔兩相安裝避雷器也有三種情況，根據(jù)上述仿真方法也可仿真得出多相安裝避雷器時(shí)4號(hào)塔的耐雷水平，如表1所示。

圖4 A相安裝避雷器時(shí)絕緣子串兩端電壓波形Fig.4 The voltage waveform of insulator string,an arresterinstalled on phase A

表1 4號(hào)桿塔耐雷水平隨避雷器安裝方式變化表Table 1 Change of 4 tower lightning withstand level with different arresters installation ways

2.1.3 對(duì)比分析

根據(jù)對(duì)上字型桿塔線路避雷器不同安裝方式的仿真結(jié)果，對(duì)4號(hào)桿塔的耐雷水平進(jìn)行分析。從表1可以看出，在安裝了線路避雷器后，桿塔耐雷水平均有所提高，且在不同的安裝方式下耐雷水平的提升幅度也不盡相同。單相安裝時(shí)，將避雷器安裝在與上相同側(cè)邊相即C相比安裝于其他兩相時(shí)的耐雷水平提升幅度大。兩相安裝時(shí)，將避雷器安裝在下側(cè)兩邊相即A、C兩相優(yōu)于其他兩種安裝方式。而三相安裝線路避雷器時(shí)，耐雷水平提升幅度與兩相安裝時(shí)區(qū)別不大。

2.2 避雷器安裝方式對(duì)閃絡(luò)相仿真研究

線路避雷器具有分流效應(yīng)，當(dāng)避雷器動(dòng)作時(shí)雷電流會(huì)沿導(dǎo)線傳播，當(dāng)雷電流超過線路耐雷水平時(shí)，線路避雷器能否不造成故障擴(kuò)大至關(guān)重要，因此為對(duì)比避雷器安裝方式對(duì)各基桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的影響，本文選取峰值為50 kA（超過線路耐雷水平）的雷電流擊于4號(hào)桿塔頂部，仿真分析相鄰桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的規(guī)律[14-15]。

2.2.1 未安裝避雷器

當(dāng)幅值為50kA的雷電流擊到4號(hào)桿塔時(shí)，4號(hào)塔及相鄰桿塔絕緣子串兩端的電壓波形如圖5所示。

圖5 未安裝避雷器時(shí)絕緣子串兩端電壓波形Fig.5 The voltage waveform of insulator string，no arresters is installed

由圖5可知，當(dāng)幅值為50kA的雷電流擊到未加避雷器的4號(hào)桿塔時(shí)，3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)桿塔的C相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，除此之外，4號(hào)桿塔的A相絕緣子也發(fā)生閃絡(luò)。這就有可能使線路產(chǎn)生兩相接地短路故障，對(duì)供電系統(tǒng)造成危害。

2.2.2 安裝避雷器對(duì)閃絡(luò)相的影響

在4號(hào)塔A相安裝線路避雷器后，保持其他條件不變，當(dāng)幅值為50 kA的雷電流擊到4號(hào)桿塔時(shí)，4號(hào)塔及相鄰桿塔絕緣子串兩端的電壓波形如圖6所示。

圖6 A相安裝避雷器時(shí)絕緣子串兩端電壓波形Fig.6 The voltage waveform of insulator string，an arrester installed on phase A

由圖6可知，當(dāng)幅值為50kA的雷電流擊到A相加裝避雷器的4號(hào)桿塔時(shí)，3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)桿塔的C相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。4號(hào)桿塔的A相絕緣子由于受到線路避雷器的保護(hù)，從而未發(fā)生閃絡(luò)。同理，可以分別仿真得出在B相、C相單相以及多相安裝避雷器后4號(hào)塔受雷擊時(shí)發(fā)生閃絡(luò)的桿塔及閃絡(luò)相，如表2所示。

表2 雷擊4號(hào)桿塔時(shí)絕緣子閃絡(luò)相隨避雷器安裝方式變化表Table 2 Change of flashover phases with different arresters installation ways on tower 4

2.2.3 對(duì)比分析

根據(jù)上述對(duì)上字型桿塔線路避雷器不同安裝方式的仿真結(jié)果，當(dāng)幅值為50kA的雷電流擊到4號(hào)桿塔頂部時(shí)，各桿塔絕緣子發(fā)生擊穿閃絡(luò)情況如表2所示。

從表2中可以看出，未安裝線路避雷器時(shí)，雷擊4號(hào)桿塔，造成4號(hào)桿塔的A、C兩相絕緣子及相鄰3、5號(hào)桿塔C相絕緣子均發(fā)生閃絡(luò)，將造成兩相接地短路故障，線路跳閘中斷供電，降低了系統(tǒng)可靠性。在4號(hào)桿塔單相安裝避雷器后，避免了4號(hào)桿塔兩相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，但依然造成4號(hào)及相鄰3、5號(hào)桿塔單相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。在4號(hào)桿塔兩相安裝線路避雷器時(shí)，當(dāng)上相與下一相同時(shí)（B、C和B、A）安裝時(shí)，將造成相鄰多級(jí)桿塔單相或兩相同時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，擴(kuò)大了線路中絕緣子的損壞范圍，增加了兩相接地短路故障發(fā)生的可能性。當(dāng)下面兩邊相（A、C）安裝線路避雷器時(shí)，只有距離較遠(yuǎn)的2號(hào)和6號(hào)兩基桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。在4號(hào)桿塔三相安裝線路避雷器時(shí)，與下面兩邊相安裝避雷器情況相同，同樣也只有距離較遠(yuǎn)的2號(hào)和6號(hào)兩基桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，只是閃絡(luò)相與A、C兩相安裝避雷器時(shí)有所不同。

2.3 避雷器安裝方式對(duì)雷電沖擊過電壓仿真研究

為對(duì)比線路避雷器不同安裝方式對(duì)導(dǎo)線雷電沖擊過電壓的影響，本節(jié)通過在4號(hào)桿塔加裝不同組合的線路避雷器，選取峰值為31 kA（低于線路耐雷水平）的雷電流擊于4號(hào)桿塔頂部，仿真分析導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓的變化規(guī)律。

2.3.1 未安裝避雷器

當(dāng)雷電流為31 kA時(shí)，雷擊4號(hào)桿塔，絕緣子未閃絡(luò)，此時(shí)4號(hào)桿塔三相導(dǎo)線電壓波形與未遭雷擊時(shí)電壓波形對(duì)比如圖7所示。

圖7 未安裝避雷器時(shí)三相導(dǎo)線電壓波形對(duì)比圖Fig.7 Contrast waveform of three phases voltage without arresters installed

由圖7可知，當(dāng)幅值為31 kA雷電流擊于4號(hào)桿塔，導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，其峰值最高可達(dá)120 kV以上。隨著雷電流的入地和雷電波在傳播過程中的衰減，導(dǎo)線中的過電壓也隨著時(shí)間變化而不斷降低，最終趨于正常工作相電壓。線路相電壓恢復(fù)正常運(yùn)行所需時(shí)間表征著線路對(duì)外界過電壓的抗干擾能力。筆者選擇三相導(dǎo)線過電壓波形第一次衰減到正常工作時(shí)相電壓的時(shí)間節(jié)點(diǎn)作為衡量導(dǎo)線中過電壓衰減速度的指標(biāo)，對(duì)線路抗雷擊干擾進(jìn)行分析研究。圖7中，遭受雷擊時(shí)三相導(dǎo)線過電壓第一次恢復(fù)至正常工作電壓的時(shí)間約為66。

2.3.2 安裝避雷器對(duì)雷電沖擊過電壓的影響

單相安裝避雷器：當(dāng)雷電流為31 kA，4號(hào)桿塔A相安裝線路避雷器時(shí)，雷擊4號(hào)桿塔，絕緣子未閃絡(luò)，此時(shí)4號(hào)桿塔三相導(dǎo)線電壓波形與未遭雷擊時(shí)電壓波形對(duì)比如圖8所示。

圖8 A相安裝避雷器時(shí)三相導(dǎo)線電壓波形對(duì)比圖Fig.8 Contrast waveform of three phases voltage with an arrester installed on phase A

由圖8可知，當(dāng)幅值為31 kA的雷電流擊于A相安裝有避雷器的4號(hào)桿塔時(shí)，雷電流通過避雷器進(jìn)入導(dǎo)線，致使導(dǎo)線中產(chǎn)生過電壓，其中A相過電壓峰值最高可達(dá)300 kV以上，明顯高于未加避雷器時(shí)的電壓峰值，而B、C兩相導(dǎo)線過電壓峰值也較未加避雷器時(shí)高。隨著雷電流的入地和雷電波在傳播過程中的衰減，導(dǎo)線中的過電壓也隨著時(shí)間變化而不斷降低，最終趨于正常工作相電壓。

如圖8所示，時(shí)間約為17時(shí)，A相導(dǎo)線過電壓第一次恢復(fù)至正常工作電壓，此時(shí)B、C相過電壓峰值突然升高，其原因是避雷器兩端電壓減小，通流能力減弱，雷電流無法泄放至A相導(dǎo)線，從而增加避雷線和桿塔接地的雷電流分流，致使B、C相過電壓峰值突然升高，最終趨于正常值。B、C兩相導(dǎo)線過電壓第一次恢復(fù)至正常工作電壓的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為34。同理，可得B、C相以及多相安裝避雷器時(shí)雷電沖擊過電壓峰值及其衰減時(shí)間，見表3。

2.3.3 對(duì)比分析

根據(jù)上述對(duì)上字型桿塔線路避雷器不同安裝方式的仿真結(jié)果，當(dāng)幅值為31 kA的雷電流擊到4號(hào)桿塔頂部時(shí)，導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓的峰值及其衰減速度如表3所示。

其過電壓的峰值較小。另外，從表3中還可以看出，避雷器的安裝均能有效減少雷電沖擊過電壓載導(dǎo)線中的衰減時(shí)間，使導(dǎo)線中的雷電沖擊過電壓能較迅速地降到工作電壓值，最終趨于正常，其中，尤以A相單相安裝、AC相兩相安裝、AB相兩相安裝和三相安裝時(shí)，導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓衰減效果明顯。

表3 雷電沖擊過電壓及衰減時(shí)間隨避雷器安裝方式變化表Table 3 Change of lightning impulse overvoltage with different arresters installation ways on tower 4#

3 結(jié)論

筆者通過仿真研究35 kV架空線路單基桿塔上線路避雷器的安裝方式，得出以下結(jié)論：

1）采用ATP－EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件計(jì)算輸電線路耐雷水平、導(dǎo)線中的雷電沖擊過電壓是可行的，仿真搭建的電氣模型參數(shù)可滿足35 kV輸電線路防雷設(shè)計(jì)需求。

2）桿塔耐雷水平的提升幅度與避雷器的安裝方式有關(guān)；而當(dāng)遭受超過防雷等級(jí)的雷擊時(shí)，由雷電流造成的絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的桿塔和相別有所不同。實(shí)驗(yàn)表明：兩邊相安裝（A、C兩相）與三相安裝避雷器對(duì)于桿塔耐雷水平的提升效果最佳且在桿塔遭受雷擊時(shí)的絕緣子損壞范圍最小；而當(dāng)遭受低于防雷等級(jí)的雷擊時(shí)，三相安裝避雷器對(duì)于桿塔遭受雷擊時(shí)導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓的抑制效果最佳。

3）所選35 kV線路采用本方案在易受雷擊部分采用兩邊相加裝線路避雷器，既減少了工程造價(jià)，也有效提高了線路的耐雷水平和防雷能力，同時(shí)也降低了防雷措施現(xiàn)場實(shí)施的難度。

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Simulation Study on Arresters Installation Method for 35 kV Overhead Lines

HAO Jie1，ZHENG Huiping1，BO Liming1，HAO Xinjie1，YAO Jianguo2
（1.Electric Power Research Institute，State Grid Shanxi Electric Power Company.Taiyuan 030001，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company.Nanjing 210000，China）

The lightning protection system of 35 kV overhead lines is analyzed.Based on the model of ‘shang’ shaped towers，through the simulation of the installation of single－phase，two－phase and three－phase lightning arrester combination，the different impact of the installation on the lightning withstand level，flashover phases of insulators and lightning impulse overvoltage are analyzed.The results show that installing line arresters on three phases or two side phases is the best choice.Engineering practice shows that the research results have a good effect in the actual lightning protection engineering.

overhead line；lightning withstand level；line arrester；ATP－EMTP

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.020

2016－04－05

郝 捷（1988—），男，碩士，主要從事工作電網(wǎng)系統(tǒng)分析。