雙回配電線路直擊雷雷擊導線過電壓傳播特性研究

陳 鵬，金 楊，林萬成，曾繁杰

（1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.廣東電網有限責任公司云浮供電局，廣東 云浮 527300）

0 引 言

10 kV配電線路以架空線路居多，供電范圍廣，受到地形、用戶密集程度以及線路走廊等多方面限制，雙回線路同桿架設情況較多[1-2]。架空配電線路故障70%以上是雷擊事故造成的[3-4]。國內學者近年對配電線路各種防雷措施的研究均有開展[5-6]，主要集中在感應雷過電壓方面[7-8]，對直擊雷的研究相對較少。一般認為雷電感應過電壓會造成絕緣子閃絡，較小的直擊雷電流也可造成絕緣子閃絡。配電線路一旦遭受直擊雷，產生的過電壓幅值非常高，將造成嚴重的雷害事故[9]。因此，對雙回不同長度的配電線路直擊雷過電壓和防雷特性進行對比分析，可以指導不同類型配電線路的防雷改造，對配電線路的防雷具有重大意義。

本文針對10 kV雙回配電線路開展全線桿塔ATPEMTP建模，分析雙回配電線路直擊雷雷擊導線過電壓傳播特性，研究桿塔在3 kA、10 kA、30 kA雷電流時各相線路上電壓的沿線波形特性并進行比較，總結配電線路導線遭受雷電直擊絕緣子閃絡后的電壓傳播特性。

1 雙回配電線路計算模型

本文計算模型參數根據“南方電網標準設計和典型造價平臺”《國家電網公司配電網工程典型設計》[10]和DL/T5220-2005《10 kV及以下架空配電線路設計技術規程》[11]，選取JL/G1A鋼芯鋁絞線作為裸導線線路的導線。基于我國南方地區全年氣溫-10～40 ℃、覆冰少、風速較大等氣候特征，選取最大安全系數情況下的導線。計算選用JL/G1A-240/30型導線，檔距設置70 m，計算平均弧垂值1.562 m。在ATP-EMTP中采用LCC元件模擬，仿真時根據精度需要，選用J.Marti線路模型。該模型能直接計算架空避雷線與相導線之間的耦合和大地回路的趨膚效應，簡化了計算步驟。

配電線路受到地形、用戶密集程度以及線路走廊等多方面的限制，線路長度變化較大。為了減少線路走廊，配電線路通常采用雙回線路同桿架設。本文建立的雙回配電線路模型，如圖1所示。電能從變電站處發出經過一段電纜送至架空線路，在電纜和架空線路的連接處設有避雷器保護；架空線路終端有配電變壓器，配電變壓器處設有避雷器保護。雙回線路采用3層橫擔雙垂直排列，橫擔采用角鋼橫擔HD-75/09-230，桿塔圖如圖2所示。全線架空線路長5 km，其中電纜長200 m，1.5 km線路有23個桿塔，3 km線路有44個桿塔。在軟件ATP-EMTP中建立仿真計算電路，線路桿塔編號從首端至線路末端依次為1～67號。我國常規10 kV配電線路大多沒有架設避雷線。在沒有架設避雷線的情況下，配電線路導線與桿塔易遭受雷電直擊。圖3為雷擊導線時雙回線路示意圖。

圖1 雙回配電線路計算模型

圖2 桿塔

2 雷擊導線時過電壓傳播特性分析

2.1 雷擊導線絕緣子電壓

雷電流直擊在1.5 km雙回線路11、12號桿塔之間檔距中央的1A相導線上，雙回線路對稱分布，1A相和2A相導線被擊概率相同。本文考慮雷擊在檔距中央1A相導線，以下列舉11號桿塔分別在3 kA、10 kA、30 kA雷電流時的絕緣子電壓波形，分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖3 雷擊導線時雙回線路示意圖

圖4 中雷電流大于3 kA后，11桿雷擊相（1A）絕緣子發生閃絡；雷電流3 kA時，閃絡時刻約為0.97 μs。圖5中雷電流大于10 kA的絕緣子閃絡時間較雷電流大于3 kA時有所提前。圖6中，雷電流30 kA以上時電壓波形有針尖狀突出。當雙回線路同一水平線上某一相已經發生閃絡后，絕緣子兩端電勢差為0；另一相發生閃絡時，已經閃絡的一相絕緣子電壓突然升高而后為0，桿塔多相絕緣子發生閃絡雷電流。非雷擊相絕緣子電壓波形分3個部分與單回線路相同：耦合的雷擊相同極性波形；塔底反射波；雷電流上升桿塔電位升高引起的絕緣子電壓反向升高。當雷擊相未發生閃絡時，桿塔電位高于導線電位，絕緣子電壓為正。一旦雷擊相發生閃絡，則桿塔電位升高，桿塔電位高于導線電位，非雷擊相電壓極性反向。非雷擊相梯形狀波形來自桿塔底部的發射波疊加產生。當雷擊相絕緣子發生閃絡時，雷電波傳到桿塔底部后，經過相同時間發射回桿塔頂部，從而影響絕緣子兩端電壓波。

圖4 3 kA雷電流

圖5 10 kA雷電流

2.2 雷電流3 kA時沿線波形特性

圖7 為3 kA雷電流直擊1.5 km雙回線路中央導線時雷擊相（1A相）和與雷擊相緊鄰的兩非雷擊相（1B相、2A相）沿線電壓波形以及未發生閃絡的10號桿塔三相絕緣子電壓波形。雷電流3 kA時，線路僅11、12號桿塔發生閃絡，沿線電壓波形形狀清晰，可以明顯看到首端反射波疊加和閃絡桿底發射波造成的波形變化。

圖6 30 kA雷電流

（1）圖7（a）虛線處為首端發射波到達2號桿塔時對波形的疊加時刻。雷擊相與非雷擊相電壓波形到達時間規律和幅值規律與單回線路相同，非雷擊相電壓幅值衰減更明顯，相同雷電流下單回線路非雷擊相衰減在10 kV以內。圖7（b）和圖7（c）中1B相正向幅值從10號桿塔的約95 kV到2號桿塔約65 kV，1A相正向幅值從10號桿塔約75 kV到2號桿塔約48 kV，都相差30 kV左右。

圖7 3 kA雷電流時線路電壓波形

（2）圖7（d）所示的S部分波形變化與圖7（b）所示波形原因相同，為11號桿塔閃絡后桿塔底部反射波影響。

2.3 雷電流10 kA時沿線波形特性

圖8為10 kA雷電流直擊1.5 km雙回線路雷擊相與非雷擊相過電壓波形以及閃絡的10號桿塔三相絕緣子電壓波形與未閃絡的9號桿塔絕緣子電壓波形。

（1）觀察沿線波形可發現，首端反向發射波雖然波形大致形狀仍與傳播來的波形相似，但是發生了一定變形，2號桿塔雷擊相絕緣子兩端電壓幅值較低，首端反射波的疊加影響了線路過電壓幅值的升高部分。

（2）雷擊相波形在11號桿塔底部的發射波影響后，由于雷電流增大，接地泄流不理想，桿塔底部電壓升高，沿線波形都有一個電壓緩慢升高的過程，使得10號桿塔雷擊相絕緣子發生閃絡，兩桿塔泄流使得線路電壓得以控制而降低，其他桿塔不再閃絡。

（3）10號桿塔閃絡，桿塔底部的反射波相對于11號桿塔底部反射波較弱，在9號桿塔絕緣子電壓波形中也有反映，如圖8（e）中的S'部分。

圖8 雷電流10 kA時線路電壓波形

2.4 雷電流30 kA時沿線波形特性

圖9 為30 kA雷電流直擊1.5 km雙回線路雷擊相與非雷擊相沿線電壓波形以及8、9、10、11號桿塔三相絕緣子電壓波形。

圖9 雷電流30 kA時沿線波形

（1）相比于雷電流10 kA和3 kA時，1B相電壓幅值小于2A相電壓幅值。如圖9（e）中標注的1、2、3處波形變化，表明圖7（d）所標的S段波形增多，雷電流的增加幅值較大，由閃絡桿塔底部的反射波增多形成。

（2）圖9（d）中10號桿塔1A、2C相發生了閃絡，圖9（e）中9號桿塔雷擊相1A未發生閃絡而非雷擊相2A相發生了閃絡，圖9（f）中8號桿塔僅2A相和2C相發生了閃絡。當雷電流足夠大，使得雷擊點附近桿塔發生多相閃絡時，閃絡桿的附近桿非雷擊相也會發生閃絡，雷擊相反而不發生閃絡。

3 結 論

（1）線路直擊雷過電壓波形由3部分組成：①雷電流通過線路引起的導線電位升高；②絕緣子閃絡后傳播至桿塔底部電壓波反射回導線的塔底發射波；③電壓波傳播至線路首端后反射至觀測點的首末端發射波。雷擊導線時，閃絡桿塔底部的反射波會影響沿線桿塔的電壓波形。

（2）雷電流大于3 kA后，11桿雷擊相（1A）絕緣子發生閃絡；雷電流大于10 kA絕緣子閃絡時間較雷電流大于3 kA時有所提前；雷電流30 kA以上時，電壓波形有針尖狀突出，桿塔多相絕緣子發生閃絡雷電流；當雙回線路同一水平線上某一相已經發生閃絡后，絕緣子兩端電勢差為0；另一相發生閃絡時，已經閃絡的一相絕緣子電壓突然升高而后為0。