趙鐵英， 王玉梅， 李鵬霄

(1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作454000；2.國網(wǎng)新疆電力公司， 新疆哈密839000)

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鶴煤礦區(qū)35 kV供電線路防雷方案研究

趙鐵英1， 王玉梅1， 李鵬霄2

(1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作454000；2.國網(wǎng)新疆電力公司， 新疆哈密839000)

摘要：通過對鶴煤礦區(qū)雷雨大風天氣下35 kV線路跳閘情況進行分析，發(fā)現(xiàn)樹線矛盾是導致事故的主要原因，為了提高礦區(qū)35 kV供電系統(tǒng)的可靠性，采取架空絕緣導線代替架空裸導線，分析絕緣導線防雷的特殊性，采用安裝防雷懸式絕緣子的方法，以鶴煤礦區(qū)35 kV胡柴線為例，利用ATP-EMTP軟件進行仿真，結果表明該防雷方案可以有效降低雷電過電壓水平，減小雷電斷線機率。

關鍵詞：絕緣導線；防雷保護；防雷懸式絕緣子

0引言

鶴煤礦區(qū)位于太行山東麓和華北平原的過渡地帶，地勢起伏，煤礦35 kV供電線路經(jīng)過山頂高點，且多與其他線路有交叉，近年來高壓走廊附近的樹木不斷生長，與線路多有觸碰，樹木引起的跳閘逐漸增多，通過現(xiàn)場調研分析可知雷雨大風天氣下樹線矛盾是導致事故多發(fā)的主要原因。

為了解決礦區(qū)雷雨大風天氣下樹線矛盾問題，可以選擇架空絕緣導線替換原來的架空裸導線，相對于裸導線，絕緣導線有無法比擬的優(yōu)越性：適用于多雷區(qū)，表面比裸導線多了一層絕緣層，使其絕緣性能優(yōu)越，可以降低線路的引雷概率，即使發(fā)生雷電，影響也會減?。贿m用于風力較大的地方，采用架空絕緣導線后，導線瞬間相碰不再會造成短路現(xiàn)象，減少了跳閘故障的概率，使線路的抗風能力增強；適用于樹木較多的地方，可以解決線路架設與樹木之間產(chǎn)生的矛盾，從而減少對樹木的砍伐。

采用絕緣導線，可以有效解決鶴煤礦區(qū)35 kV供電系統(tǒng)雷雨大風天氣線路跳閘高的問題；但是鶴煤礦區(qū)雷電活動頻繁且強烈，為了保證供電線路的可靠性，需要進一步對絕緣導線的防雷方案進行研究。

1絕緣導線防雷研究現(xiàn)狀

架空絕緣導線代替架空裸導線可以解決線路與走廊附近樹木、耕地之間的矛盾，將其與電力電纜進行比較，可知其具有投資建設節(jié)省快捷的優(yōu)勢，但卻產(chǎn)生了一個相當突出的問題——雷擊斷線[1, 2]。

據(jù)統(tǒng)計，一年中裸導線發(fā)生故障的總數(shù)、絕緣導線發(fā)生故障的總數(shù)、絕緣導線發(fā)生雷擊事故的總數(shù)和絕緣導線雷擊事故中發(fā)生雷擊斷線事故的總數(shù)四者比例如圖1所示[3-5]。

圖1　導線故障數(shù)相對比值圖

從圖1可以直觀的看出，絕緣導線運行時發(fā)生的故障總數(shù)遠遠低于裸導線運行時發(fā)生的故障總數(shù)，絕緣導線雷擊斷線事故與絕緣導線雷擊事故發(fā)生概率幾乎相等，絕緣導線雷擊后極易發(fā)生斷線事故。圖1說明礦區(qū)采用架空絕緣導線之后可以有效地解決雷擊事故，但需解決雷擊斷線問題。

2絕緣導線防雷方案

2.1絕緣導線雷擊斷線機理

絕緣導線上雷電流的傳播過程與裸導線有著顯著的差異。絕緣導線在遭受雷擊過電壓時引起絕緣子發(fā)生閃絡，絕緣層被擊穿形成一個針孔狀的擊穿孔。當雷擊過電壓進一步造成兩相或三相閃絡時，便會在雷擊閃絡通道上產(chǎn)生工頻續(xù)流，接續(xù)的工頻短路電流受擊穿孔處四周絕緣材料的阻礙，電流無法像裸導線那樣迅速的朝線路兩側移動，此時高達數(shù)千攝氏度的工頻短路續(xù)流弧根被固定在擊穿孔處，由于鋁線的熔點約六百多攝氏度且電弧部位被固定在一點，絕緣導線在張力的作用下，瞬間就會被電弧整齊的燒斷而落地。此外，由于絕緣材料和鋁線材料的特性不同，導致導線斷線之后斷口處的鋁導線會被絕緣材料包裹，以致靠近電源側的斷線端口不一定接觸地面，致使線路沒有單相接地或相間短路的特征量，使斷線故障不能夠及時的處理。顯然架空絕緣導線的雷擊斷線率比裸導線高。

在對實際發(fā)生雷擊架空絕緣導線斷線的事故現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，通常情況下斷線為兩相，即使單相斷線也能發(fā)現(xiàn)明顯的相間故障的痕跡或異相接地的痕跡，斷線的位置基本位于絕緣子固定點的附近，一般位于線路絕緣子軸線兩側200mm處[6]，且導線斷點非常整齊。

2.2防雷方案選擇

根據(jù)絕緣導線雷擊斷線的機理，阻止或疏導雷擊引起的工頻續(xù)流是預防雷擊斷線事故的基本思路[7]。常規(guī)的防范原理為“堵塞”和“疏導”，各有優(yōu)缺點。近來人們根據(jù)“堵導”結合的思路研制出了一些設備，“堵塞”和“疏導”互補，具有很好的防雷效果，對應上述防范原理的防雷措施及原理如表1所示。

表1　防雷擊斷線措施及原理

由于斷線的位置一般位于絕緣子軸線兩側200 mm處，可以選擇箝位絕緣子和防雷懸式絕緣子等方案，又由于后者采用了“堵導”結合的原理，效果優(yōu)于只采用“疏導”原理的箝位絕緣子，所以本文采用防雷懸式絕緣子作為絕緣導線的防雷擊斷線措施。

防雷懸式絕緣子先通過“堵塞”的方式提高線路的絕緣水平，使線路遭受雷擊的概率減少，同時提高了線路的耐雷擊水平；當雷擊過電壓超過絕緣的“堵塞”限值時，再以“疏導”的方式將工頻短路續(xù)流引入高低壓電極放電燃燒釋放雷電流能量，防止工頻短路續(xù)流集中在一點燃燒燒斷導線。

2.3防雷懸式絕緣子防雷機理分析

本文以樂清匯能公司生產(chǎn)的FXG8-35/70型防雷懸式絕緣子為例，來分析防雷懸式絕緣子的工作原理，其結構如圖2所示，相關技術參數(shù)如表2所示。

圖2　防雷懸式絕緣子示意圖

通過FXG8-35/70和FXBW4-35/70的比較，可知它們的雷電沖擊耐受電壓(峰值)和1min工頻耐受電壓(有效值)技術參數(shù)一樣，但是FXG8-35/70的最小電弧距離和最小公稱爬電距離比FXBW4-35/70小，具有一定的優(yōu)勢，再配合以疏導工頻電流的高低壓電極，則其優(yōu)越性是后者所無法比擬的。

表2　絕緣子技術參數(shù)

防弧金具的引弧棒能夠將雷電流引至高低壓電極，此時的高低壓電極之間形成一個空氣間隙，間隙的伏秒特性曲線在絕緣子伏秒特性曲線的下方，于是高低壓電極之間的間隙先于絕緣子本體閃絡，使雷電流迅速的泄放掉，避免其固定在絕緣導線上一點處集中燃燒導致絕緣導線燒斷。由于絕緣子的引弧棒的耐高溫特性好，能夠經(jīng)得起工頻電流的多次灼燒，在防止絕緣子損壞和雷擊斷線方面有很好的效果。

3胡柴線路絕緣導線防雷仿真分析

本文以鶴煤礦區(qū)35 kV供電線路胡柴線為研究對象，采用ATP-EMTP電力系統(tǒng)暫態(tài)分析軟件[8-10]，搭建胡柴線路模型，線路為架空絕緣導線，安裝FXG8-35/70防雷懸式絕緣子，仿真電路如圖3所示。

圖3　胡柴線路仿真模型

選取胡柴線路穿越林區(qū)的6基桿塔，5個檔距，從線路末端向變電站方向開始依次命名為1號，2號，3號，4號，5號，6號桿塔。其中，線路的電壓等級設為35 kV，檔距為150 m，線路總長度750m，線路末端直接連負載。防雷懸式絕緣子型號FXG8-35/70，額定電壓35 kV，雷擊全波沖擊耐受電壓峰值不低于230 kV，工頻1 min濕耐受電壓有效值不低于95 kV。在ATPDraw中選取壓控開關為絕緣子模型，其閃絡電壓設置為230 kV，雷電流幅值5 kA，波形為1.2/50 μs標準波，雷擊點位于3號與4號桿塔之間，兼顧了近區(qū)雷擊和遠區(qū)雷擊。桿塔模型用兩個集中參數(shù)的電感串聯(lián)表示，其中一個L1=0.672 μH,另一個L2=14.448 μH[11.12]。

3.1未加裝防雷懸式絕緣子

對不加裝防雷懸式絕緣子的線路進行仿真：仿真步長設為5E-9 s，仿真時長設為2.5E-5 s，雷擊處A、B、C三相電壓波形如圖4所示。

圖4　未加防雷懸式絕緣子時雷擊處電壓波形圖

從圖中可以看出，三相電壓迅速升高，波形陡度很大，尤其是C相電壓，幅值高達650 kV，電壓陡度明顯高于A、B兩相，如此高的電壓幅值和陡度瞬間產(chǎn)生了巨大能量，必定會造成導線絕緣層受損，若此時產(chǎn)生工頻續(xù)流，則會導致絕緣導線斷線。同時也可以看出一相遭受雷擊時會對另外兩相產(chǎn)生屏蔽耦合作用，電壓相對較低，但也產(chǎn)生了高達210 kV的過電壓。三相電壓會產(chǎn)生極不平衡的過電流，會使PT鐵芯不同程度的飽和，可能導致鐵磁諧振過電壓。

雷擊絕緣導線后，雷電波會沿線路兩側傳播，傳播的電壓波形圖如圖5和圖6所示，可知三相電壓幅值高，電壓波形陡度大，對線路的絕緣危害性大。所以對絕緣導線防雷方案的研究以及確定迫在眉睫。

圖5　未加防雷懸式絕緣子時4號-6號桿塔C相電壓波形圖

圖6　未加防雷懸式絕緣子時4號-1號桿塔C相電壓波形圖

3.2加裝防雷懸式絕緣子

對胡柴線路加裝FXG8-35/70防雷懸式絕緣子的情況進行仿真，仿真步長、仿真時長同上，得到雷擊處的電壓波形如圖7所示。

圖7　加防雷懸式絕緣子時擊點處電壓波形圖

從圖中可以看出雷擊初期雷電壓波形陡度都很大，其中C相電壓超過了FXG8-35/70防雷懸式絕緣子的雷擊全波沖擊耐受電壓峰值230 kV，C絕緣子相動作，使線路C相電壓恢復到正常水平。

圖8為4號桿塔上防雷懸式絕緣子的電壓波形，從圖中明顯看出C相防雷懸式絕緣子高低壓電極的電壓瞬間變?yōu)榱?，高低壓電極被擊穿，使雷電弧被轉移到高低壓電極之間燃燒，避免很大的雷電流集中在絕緣導線擊穿處燃燒，避免雷擊斷線。從圖8還可以看出，當雷電流能量釋放之后，另外兩相的過電壓情況大大緩解，從而保證了三相線路正常穩(wěn)定的運行。

圖8　加防雷懸式絕緣子時4號桿塔防雷懸式絕緣子電壓波形圖

當線路遭受雷擊之后，雷電波沿線路兩側傳播，各個桿塔的防雷懸式絕緣子都將承受不同程度的雷電壓，圖9和圖10為絕緣導線上FXG8-35/70防雷懸式絕緣子所承受的雷電壓波形。

圖9　加防雷懸式絕緣子時4號-6號桿塔防雷懸式絕緣子C相電壓波形圖

圖10　加防雷懸式絕緣子時4號-1號桿塔防雷懸式絕緣子C相電壓波形圖

從圖9和圖10可以看出，4號防雷懸式絕緣子已經(jīng)被擊穿，雷電流能量已經(jīng)通過高壓電極得到釋放，線路兩側絕緣子所承受的電壓大大降低，再加上雷電波在線路上的衰減，雷電過電壓對絕緣子就不再構成威脅，所以1號，2號，3號，5號，6號處C相防雷懸式絕緣子不會動作。由于擊點處的絕緣子及時動作，線路承受的過電壓顯著降低，不會對線路造成威脅，更不會造成雷擊斷線。從圖9和圖10也可以看出雷電波沿線路傳播時，波形有明顯的先導放電階段。

4結論

本文通過分析煤礦35 kV供電線路雷雨天線路跳閘原因，發(fā)現(xiàn)樹木搭接到線路上是引起線路跳閘的主要原因，因此選用架空絕緣導線替換原裸導線；但是絕緣導線雷擊后易發(fā)生斷線，解決雷擊斷線的有效方法是避免雷電流引起的工頻續(xù)流固定在絕緣導線上一點燃燒。本文選擇FXG8-35/70防雷懸式絕緣子作為絕緣導線防雷擊斷線防雷措施，并利用ATP-EMTP軟件進行仿真分析，當未加裝防雷懸式絕緣子時，雷擊時發(fā)生斷線或者導線絕緣層因雷擊受損嚴重；加裝防雷懸式絕緣子之后，雷電過電壓可以通過防雷懸式絕緣子的高低壓電極進行釋放，避免了高溫的電弧弧根固定在絕緣導線擊穿孔處集中燃燒造成雷擊斷線，大幅度的降低雷擊閃絡的概率。鶴煤礦區(qū)35 kV供電線路采用絕緣導線加裝FXG8-35/70防雷懸式絕緣子，克服了樹線矛盾，同時提高了線路的耐雷水平，解決了雷雨大風天氣雷擊跳閘率高的問題。

參考文獻:

[1]鄭暉，廖華武，李既明，等. 架空配電線路雷擊分析與防治措施[J]. 廣東電力, 2013,26(1): 89-92.

[2]何建林. 江北地區(qū)10kV絕緣導線線路防雷綜合措施應用研究[D]. 重慶：重慶大學, 2008:1-6.

[3]韋鈺. 上海10kV城郊配電線路防雷措施的研究[D]. 上海：華東理工大學, 2014:24-41.

[4]黃慶祥. 中壓架空絕緣線路雷擊斷線淺析[J]. 高電壓技術,2001, 27 (z1): 62-63.

[5]韓晉平，王曉豐，馬心良，等. 10kV架空絕緣導線雷電過電壓與防雷綜合措施研究[J]. 高電壓技術,2008,34(11): 2395-2399.

[6]余虹云. 配電網(wǎng)絕緣導線接續(xù)與防雷技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2012.

[7]黃石，衛(wèi)志農(nóng)，吳國梁，等. 35kV配電線路防雷擊斷線措施的應用研究[J]. 華東電力, 2012,40(9): 1571-1575.

[8]馮亮，梁沛然. 基于ATP-EMTP的輸電線路防雷仿真[J]. 煤礦機電，2013(1): 71-73.

[9]劉曉倩，董新偉，楊瑞靜. 輸電線路防雷措施的仿真與分析[J]. 電瓷避雷器,2012 (4): 64-68.

[10]江安烽，包炳生，顧承，等.后續(xù)雷擊對10 kV配電線路耐雷性能及防雷措施的影響[J].電網(wǎng)技術，2014，38 (6): 1657-1663.

[11]張彥軍.油田6-10kV配電線路防雷措施與方案評估的研究[D].保定：華北電力大學,2012:21-30.

[12]周利兵，付興，周勇，等. 某礦區(qū)110kV主變雷害事故原因及改造措施仿真分析[J].電力科學與工程，2014,30(3):59-63.

Research of Lightning Protection in Hebi Coal Mine 35 kVPower Supply Line

ZHAO Tieying1， WANG Yumei1， LI Pengxiao2(1. School of Electrical and Engineering and Automation, Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000,China；2. State Grid Xinjiang Electric Power Corporation, Hami 839000, China)

Abstract：The reasons of 35 kV line tripping in Hebi coal mine power grid under thunderstorm and strong wind weather are analyzed in this paper, and that the main one causing the faults lies in the contradiction between trees and lines is discovered. In order to improve reliability of coal mine power grid, this paper proposes a method of adopting the overhead insulated distribution wires instead of overhead bare wires. The lightning protection of insulated distribution wires is analyzed considering of its specific characteristics, and hence the method of installing lightning protection suspension insulator in overhead insulated distribution wires is posed in this paper. An instance of Hebi coal mine power grid 35 kV Hu-chai line is taken, and software ATP-EMTP is used to set up a simulation model. Simulation results show that by using the proposed method, the lighting overvoltage level drops remarkably and probability of lightning breaking decrease as well.

Keywords：insulated distribution wire; lightning protection; lightning protection suspension insulator

中圖分類號:TM726.3

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.008

作者簡介：趙鐵英(1977-)，女，講師，研究方向為電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及故障限流技術，E-mail:hnjzzty@163.com。

基金項目：河南理工大學博士基金(60807/008)；河南省高等學校重點科研項目(16A470010)。

收稿日期：2015-12-25。