10 kV線路穿刺型避雷器安裝配置實驗與仿真研究

陳輝榮，陳朝興

（云南電網有限責任公司昭通供電局，云南 昭通 657000）

0 前言

10 kV 架空線路絕緣水平低、基本不配置避雷線、大部分電桿自然接地，耐雷水平較低，雷擊跳閘故障頻繁，雷擊已成為10 kV 架空線路跳閘故障的主要原因之一[1]。用于10 kV 架空線路防雷的措施眾多[2]，如放電間隙[3]、防雷絕緣子[4]、多腔室吹弧防雷裝置[5]，但目前使用量最大的措施為避雷當器，特別是穿刺型避雷器，由于安裝方便、間隙可調，可有效截斷工頻續流，穿刺型避雷器在10 kV 架空線路中得到了廣泛應用，安裝數量龐大。但在實際應用中，穿刺型避雷器仍存在以下問題：①穿刺型避雷器安裝位置不當，間隙放電位置偏移，導致避雷器不能有效動作；②穿刺型避雷器安裝密度不合適，導致線路整體耐雷水平提升有限。因此，對10 kV 線路穿刺型避雷器安裝配置方式開展研究，對配網防雷性能提升具有重要意義。

目前對10 kV 線路避雷器的安裝配置方式，國內外開展了部分研究。文獻[6]仿真分析了在不同接地條件下只安裝單相避雷器對同級其它相絕緣子的影響及只安裝一級對相鄰級絕緣子的影響，提出了接地電阻的安裝要求；文獻[7]分析不同避雷器類型、不同桿塔沖擊接地電阻以及雷擊位置等對避雷器防護效果的影響并并分析其保護范圍，提出需要每隔6～8 基桿塔安裝一組避雷器的建議；文獻[8]對比分析采用避雷線和避雷器對線路感應過電壓的防護效果，得出避雷器抑制過電壓效果更為明顯的結論；文獻[9]計算了避雷器安裝間距與線路閃絡降低百分數之間的關系曲線，建議每隔300 m 裝一組避雷器。上述研究為避雷器的安裝配置方式提供了參考指導建議，但仍存在較大的局限性：①10 kV 線路以遭受感應雷為主，雷擊會導致附近的桿塔均可能發生雷擊閃絡，未加裝避雷器的桿塔會成為雷擊薄弱點，線路雷擊跳閘風險依然較高，在安裝密度上仍有待繼續優化；②10 kV 線路避雷器大部分都帶有串聯空氣間隙，其防雷效果與安裝位置關系密切，放電間隙距離調節、金具安裝位置均成為防雷效果的關鍵影響因素。

本文首先開展了穿刺型避雷器雷電沖擊放電試驗，分析了避雷器安裝方式對放電路徑的影響效果；然后基于ATP-EMTP 電磁暫態程序建立了安裝有避雷器的10 kV 線路雷擊過電壓仿真模型，對避雷器不同密度配置方式下的耐雷水平進行了對比分析，綜合實驗及仿真結果，提出了10 kV 線路穿刺型避雷器最優安裝配置方式，研究可為10 kV 線路防雷治理提供科學化參考建議。

1 實驗研究

1.1 實驗樣品

試驗選用兩種典型10 kV 絕緣子：P-15 針式絕緣子，PS-20 柱式絕緣子，干弧距離分別為16 cm、20.8 cm，選用的穿刺型避雷器型號為YH5CX-13/40，穿刺電極外串間隙避雷器的高壓穿刺電極擠壓穿透導線絕緣層接觸芯線，將導線電位引出，避雷器本體高壓端設置一個半球電極，高壓穿刺電極與半球電極構成串聯空氣間隙。

1.2 實驗布置

根據DL/T 1292-2013《配電網架空絕緣線路雷擊斷線防護導則》中實驗內容進行布置。絕緣子固定在高度不小于1 m 的絕緣支柱頂端，絕緣子鋼腳有效接地，采用的絕緣導線型號為JKYJ-150，絕緣導線中部固定在絕緣子頂部的溝槽之中。安裝穿刺電極外串間隙避雷器時，需要注意穿刺電極中軸線到絕緣子軸線距離取值應該合適，在實驗中需進行調整。沖擊電壓發生器或工頻電壓發生器引出的高壓引線加在模擬導線上，與模擬導線任一側端部電氣相連。示波器接在與沖擊電壓發生器配套的分壓器信號輸出口，具體的試驗布置如圖1 所示。

圖1 實驗布置圖

1.3 實驗結果

在實驗過程中不斷調整間隙的長度，直到避雷器的正負極性50%放電電壓分別為絕緣子正負極性50% 放電電壓的70%～80% 之間時認為滿足保護性能要求。按照該原則，實驗最終確定穿刺型避雷器配合不同絕緣子時，對應合適的間隙下正負極性50%雷電沖擊放電電壓如表1 所示。

表1 穿刺型避雷器對應間隙的雷電沖擊放電電壓

實驗過程中發現如下現象：如果穿刺電極中軸線到絕緣子中軸線的距離過短以及避雷器外串間隙距離過大，可能會出現兩種異常放電現象，一種放電路徑是從穿刺電極導弧角開始對絕緣子底座放電；另一種放電路徑是從穿刺電極內部金屬部件開始沿著絕緣導線外表面對絕緣子捆線放電，然后將絕緣子擊穿。這種兩種異常放電均沒有通過避雷器泄流，實際安裝中必須避免出現此種情況。經過多次試驗，當調節穿刺電極中軸線到絕緣子中軸線的距離大于等于300 mm 時，且間隙距離合適，則不會出現異常放電現象。

在選定的固定間隙長度下對穿刺型避雷器進行正負極性雷電沖擊伏秒特性實驗，并根據實驗結果擬合出絕緣子、避雷器正負極性雷電沖擊伏秒特性曲線。圖2 和圖3 為穿刺型避雷器用于保護兩種絕緣子時以及該絕緣子的正負極性伏秒特性曲線，由圖可見，穿刺型避雷器與PS-20 型絕緣子的伏秒特性曲線配合明顯優于P-15 型絕緣子，建議在線路加裝穿刺型避雷器的同時將絕緣子更換為PS-20 絕緣子。

圖2 穿刺型避雷器與P-15絕緣子配合時正負極性伏秒特性曲線

圖3 穿刺型避雷器與PS-20絕緣子配合時正負極性伏秒特性曲線

2 仿真研究

2.1 仿真模型

10 kV 配電線路雷害主要原因為感應雷[10]，本文重點針對不同避雷器配置方式下的感應雷耐雷水平進行分析。由于雷電作用下配電線路三相線路同時產生感應電壓波[11]，本文計算中不考慮三相導線之間的耦合作用，在計算時采用單相線路計算感應雷過電壓。在電磁暫態計算軟件ATP-EMTP 中，搭建配電架空線路的結構模型，調用MODELS 語言編程的MOD 感應過電壓子模塊仿真配電架空線路的感應雷過電壓，建立雷電作用下配電架空線路感應產生過電壓的模型。圖4 為線路兩端的感應過電壓子模塊，該模塊為與配電架空線路特性阻抗具有相同數值的波阻抗，下端采用的4 個type60 電源，分別代表配電架空線路的兩觀測位置電壓UrA和UrB。

圖4 ATP 感應過電壓子模塊

在感應過電壓形成之后，將沿相反的方向產生兩個半波[12]。這就意味著離感應雷的中心位置不同，則感應過電壓的最大值不同。在以下仿真計算中假設雷擊在距離線路65 m 處，則可計算不同桿塔處的感應過電壓幅值。仿真中，假設10 kV 配電線路采用PS-20 柱式絕緣子，其50%全波沖擊閃絡電壓幅值為125 kV，用閥值為125 kV 的壓控開關來模擬該絕緣子。避雷器用三相MOV 元件表示，并輸入相應伏安特性曲線數據，將元件與變壓器等效入口電容連接到對應的過電壓計算模型進行仿真計算。

10 kV 線路穿刺型避雷器伏安特性特性曲線用三段線性化表示為：

伏安特性曲線圖形表示如圖5 所示：

圖5 避雷器伏安特性曲線

根據典型10 kV 線路參數，利用ATPDraw進行耐雷水平仿真，搭建的單相仿真模型如圖6所示。

圖6 單相仿真模型

2.2 仿真結果

當避雷器間隔裝設時，雷擊點不同，線路耐雷水平也不同，假定雷電通道至導線的垂直距離為50 m，通過仿真計算，可以得到避雷器不同配置方式下線路耐雷水平的變化規律。

1）全線安裝

全線安裝計算模型圖如圖7 所示，每相均配置有避雷器，計算得到感應雷耐雷水平為180 kA。

圖7 耐雷水平計算模型

2）間隔一基安裝

間隔一基安裝避雷器的仿真模型如參照圖8所示，只是避雷器安裝數量減少。

圖8 間隔一桿安裝避雷器時的雷擊點

如表2 所示的仿真計算結果，當間隔二桿安裝避雷器時：

表2 間隔一桿安裝避雷器時線路的耐雷水平

①落雷點在1 號位置時，線路感應雷耐雷水平為160 kA，是常規線路感應雷耐雷水平的7.7 倍，防雷效果顯著。

②落雷點在2 號位置時，線路感應雷耐雷水平為80 kA，是常規線路感應雷耐雷水平的3.8倍，避雷器能有效改善相鄰未安裝避雷器的桿塔的防雷水平。

3）間隔二基安裝避雷器

間隔二桿安裝避雷器，雷擊點主要考慮如圖9 所示的兩種情況。

圖9 間隔二桿安裝避雷器時的雷擊點

如表3 所示的仿真計算結果，當間隔二桿安裝避雷器時：

表3 間隔二桿安裝避雷器時線路的耐雷水平

①避雷器安裝間隔增大時，避雷器對相鄰未安裝避雷桿塔防雷效果的改善作用有所降低；

②落雷點在1 號位置時，線路耐雷水平仍為160 kA，和間隔一桿安裝避雷器耐雷水平一致。

4）間隔四基安裝避雷器

間隔四桿安裝避雷器，雷擊點主要考慮如圖10 所示的3 種情況。

圖10 間隔四桿安裝避雷器時的雷擊點

如表4 所示的仿真計算結果，當間隔二桿安裝避雷器時：

表4 間隔四桿安裝避雷器時線路的耐雷水平

①落雷點距離避雷器安裝桿越遠，線路的耐雷水平越低。

②隨著避雷器安裝間隔的加大，線路平均耐雷水平越低，防雷效果越差。

由上述分析可得，雷擊安裝有避雷器的桿塔時，該基桿塔的感應雷耐雷水平與避雷器安裝密度無關，但臨近未安裝避雷器的桿塔的感應雷耐雷水平與安裝密度關系密切相關。綜合比較幾種安裝方式，建議以隔基安裝避雷器為宜，全線最低的感應雷耐雷水平可達到80 kA，是常規未安裝避雷器的線路感應雷耐雷水平的3.8 倍，可防范大部分感應雷造成的危害。

3 典型應用

云南昭通10 kV 水泥線，線路投運于2007年，平均海拔高度約1700 m，地形分布多為山頂或山坡，線路容易遭受雷擊。主線段全長約20 km，共310 基電桿，導線全線采用JLG1A-150-20 型導線，絕緣子主要采用R5ET105L 型柱式絕緣子，2018 年前每年平均雷擊跳閘4 次左右，2018 年底進行防雷專項治理，綜合考慮技術經濟性，治理方案采取隔一基三相加裝穿刺型避雷器的方式。根據第2 章圖7 計算模型，可以擬合得到不同雷擊距離下線路耐雷水平，如圖11 所示。

圖11 不同雷擊距離下線路感應雷耐雷水平

參考IEEE 標準[13]，可進一步計算線路感應雷跳閘率，在沿導線垂直方向對所有地面落雷小區間進行積分，線路感應雷跳閘率為：

式中，η為建弧率，一般取0.8；Ng為線路走廊地閃密度，在雷電定位系統中統計得到該條線路2019 年雷電地閃密度圖，如圖12 所示，地閃密度值為1.1873 次/（km2·A）。

圖12 2019年線路走廊地閃密度分布

根據上述參數，計算得到該線路加裝避雷器后2019 年理論雷擊跳閘率為4.72 次/（100 km·A），當年實際雷擊跳閘1 次，同改造前的4 次相比下降了75%，換算為標準雷擊跳閘率為5 次/（100 km·A），實際運行值與理論值較為吻合，印證了本方案的改造效果。

4 結束語

本文通過實驗及仿真研究，對10 kV 線路穿刺型避雷器安裝配置方式進行了分析，獲得結論如下：

1）為避免出現雷擊異常放電現象，導致穿刺型避雷器本體沒有有效動作，建議避雷器的穿刺電極中軸線到絕緣子中軸線的距離不得低于300 mm，對應的避雷器外串聯空氣間隙跳閘宜調整為120 mm；

2）穿刺型避雷器與PS-20 型絕緣子的伏秒特性曲線配合優于P-15 型絕緣子，同時PS-20型絕緣子的放電電壓高于P-15 型絕緣子，建議在安裝避雷器同時將絕緣子更換為PS-20 型絕緣子，既提高了線路絕緣水平，也提高了避雷器動作準確性；

3）落雷點在安裝有避雷器的桿塔附近時，該基桿塔耐雷水平穩定在160 kA，與全線安裝密度無關，當安裝密度越小，安裝的避雷器對臨近桿塔防雷作用改善效果越不明顯，隔基安裝避雷器綜合技術經濟性最優，全線所有桿塔最低耐雷水平也可達到80 kA，云南實際防雷改造線路理論計算結果及實際運行效果印證了本文研究的避雷器安裝配置方式有效性。