梁開旺 馮 珊

10kV線路穿刺型避雷器安裝配置方式實驗與仿真研究

梁開旺 馮 珊

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通 657000）

穿刺型避雷器是目前10kV架空線路使用數(shù)量最多的避雷器類型，其安裝位置及安裝密度直接影響線路的防雷效果。本文通過實驗及仿真研究穿刺型避雷器的最優(yōu)安裝配置方式：結(jié)合P—15針式、PS—20柱式兩種典型10kV線路絕緣子，開展雷電沖擊放電實驗工作，研究安裝位置對放電路徑的影響；基于ATP-EMTP軟件建立感應(yīng)雷過電壓計算模型，分析不同避雷器安裝密度下的感應(yīng)雷耐雷水平變化情況。研究結(jié)果表明，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300mm，對應(yīng)的避雷器外串聯(lián)空氣間隙宜調(diào)整為120mm。建議在安裝避雷器的同時將絕緣子更換為PS—20柱式絕緣子，安裝密度以隔基安裝三相為宜。實際線路運行效果驗證了仿真結(jié)論，按照上述原則改造后的線路實際雷擊跳閘率下降75%左右。

穿刺型避雷器；安裝配置方式；放電路徑；感應(yīng)雷；安裝密度

0 引言

10kV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，故耐雷水平較低，雷擊跳閘故障頻繁，雷擊已成為10kV架空線路跳閘故障的主要原因之一[1-2]。用于10kV架空線路防雷的措施眾多[3]，如放電間隙[4]、防雷絕緣子[5]、多腔室吹弧防雷裝置[6-7]、接閃器[8]，目前使用數(shù)量最多的防雷措施為避雷器，特別是穿刺型避雷器，由于安裝方便、間隙可調(diào)，可有效截斷工頻續(xù)流，其在10kV架空線路中得到了廣泛應(yīng)用，安裝數(shù)量龐大。但在實際應(yīng)用中，穿刺型避雷器仍存在以下問題：①安裝位置不當，間隙放電位置偏移，導(dǎo)致避雷器不能有效動作；②安裝密度不當，導(dǎo)致線路整體耐雷水平提升有限。因此，對10kV線路穿刺型避雷器的安裝配置方式開展研究，對提升配電網(wǎng)防雷性能具有重要意義。

目前對10kV線路避雷器的安裝配置方式，國內(nèi)外開展了部分研究。文獻[9]仿真分析了在不同接地條件下只安裝單相避雷器對同基其他相絕緣子的影響及只安裝一級對相鄰級絕緣子的影響，并提出接地電阻的安裝要求；文獻[10]分析不同避雷器類型、不同桿塔沖擊接地電阻及雷擊位置等對避雷器防護效果的影響并分析其保護范圍，提出需要每隔6～8基桿塔安裝一組避雷器的建議；文獻[11]對比分析采用避雷線和避雷器對線路感應(yīng)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(jié)論；文獻[12]計算避雷器安裝間距與線路閃絡(luò)降低百分數(shù)之間的關(guān)系曲線，建議每隔300m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，但仍存在較大的局限性：①10kV線路以遭受感應(yīng)雷為主，雷擊會導(dǎo)致附近的桿塔均可能發(fā)生雷擊閃絡(luò)，未加裝避雷器的桿塔會成為雷擊薄弱點，線路雷擊跳閘風(fēng)險依然較高，安裝密度問題仍有待繼續(xù)優(yōu)化；②10kV線路避雷器大部分都帶有串聯(lián)空氣間隙，其防雷效果與安裝位置關(guān)系密切，放電間隙距離調(diào)節(jié)、金具安裝位置均成為防雷效果的關(guān)鍵影響因素。

本文首先開展穿刺型避雷器雷電沖擊放電實驗，分析避雷器安裝方式對放電路徑的影響；然后基于ATP-EMTP電磁暫態(tài)程序建立安裝有避雷器的10kV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對比分析；最后綜合實驗及仿真結(jié)果，提出10kV線路穿刺型避雷器最優(yōu)安裝配置方式。

1 實驗研究

1.1 實驗樣品

實驗選用兩種典型10kV絕緣子：P—15針式絕緣子和PS—20柱式絕緣子。干弧距離分別為16cm、20.8cm，如圖1所示。選用的穿刺型避雷器型號為YH5CX—13/40，如圖2所示，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。穿刺電極外串間隙避雷器的高壓穿刺電極擠壓穿透導(dǎo)線絕緣層接觸芯線，將導(dǎo)線電位引出，避雷器本體高壓端設(shè)置一個半球電極，高壓穿刺電極與半球電極構(gòu)成串聯(lián)空氣間隙。

圖1 實驗用典型絕緣子

圖2 穿刺型避雷器

表1 YH5CX—13/40型穿刺型避雷器技術(shù)參數(shù)

1.2 實驗布置

根據(jù)DL/T 1292—2013《配電網(wǎng)架空絕緣線路雷擊斷線防護導(dǎo)則》中實驗內(nèi)容進行布置。絕緣子固定在高度不小于1m的絕緣支柱頂端，絕緣子鋼腳有效接地，采用的絕緣導(dǎo)線型號為JKYJ—150，絕緣導(dǎo)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是否合適，在實驗中需進行調(diào)整。沖擊電壓發(fā)生器或工頻電壓發(fā)生器引出的高壓引線加在模擬導(dǎo)線上，與模擬導(dǎo)線任一側(cè)端部電氣相連。示波器接在與沖擊電壓發(fā)生器配套的分壓器信號輸出口，具體的實驗布置如圖3所示。

圖3 實驗布置

1.3 實驗結(jié)果

在實驗過程中不斷調(diào)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(yīng)合適的間隙下正負極性50%雷電沖擊放電電壓見表2，避雷器保護絕緣子時的閃絡(luò)放電路徑如圖4和圖5所示。

表2 穿刺型避雷器對應(yīng)間隙的雷電沖擊放電電壓

圖4 穿刺型避雷器保護P—15絕緣子的閃絡(luò)放電路徑

實驗過程中發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)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(xiàn)兩種異常放電現(xiàn)象，一種放電路徑是從穿刺電極導(dǎo)弧角開始對絕緣子底座放電，如圖6所示；另一種放電路徑是從穿刺電極內(nèi)部金屬部件開始沿著絕緣導(dǎo)線外表面對絕緣子捆線放電，然后將絕緣子擊穿，如圖7所示。這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(xiàn)此兩種情況。經(jīng)過多次實驗，當調(diào)節(jié)穿刺電極中軸線到絕緣子中軸線的距離大于等于300mm，且間隙距離合適時，則不會出現(xiàn)異常放電現(xiàn)象。

圖5 穿刺型避雷器保護PS—20絕緣子的閃絡(luò)放電路徑

圖6 穿刺型避雷器異常閃絡(luò)路徑1

圖7 穿刺型避雷器異常閃絡(luò)路徑2

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(jù)實驗結(jié)果擬合出絕緣子、避雷器正負極性雷電沖擊伏秒特性曲線分別如圖8和圖9所示，即穿刺型避雷器用于保護兩種絕緣子時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(yōu)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型絕緣子。

圖8 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9 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

10kV配電線路雷害主要原因為感應(yīng)雷[13]，本文重點針對不同避雷器配置方式下的感應(yīng)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(chǎn)生感應(yīng)電壓波[14]，本文計算中不考慮三相導(dǎo)線之間的耦合作用，在計算時采用單相線路計算感應(yīng)雷過電壓。在電磁暫態(tài)計算軟件ATP-EMTP中，搭建配電架空線路的結(jié)構(gòu)模型，調(diào)用MODELS語言編程的MOD感應(yīng)過電壓子模塊仿真配電架空線路的感應(yīng)雷過電壓，建立雷電作用下配電架空線路感應(yīng)產(chǎn)生過電壓的模型。圖10為線路兩端的感應(yīng)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(shù)值的波阻抗，下端采用四個type60電源，分別代表配電架空線路的兩觀測位置電壓rA和rB。

圖10 ATP感應(yīng)過電壓子模塊

感應(yīng)過電壓在形成之后，將沿相反的方向產(chǎn)生兩個半波[15]。這就意味著離感應(yīng)雷的中心位置不同，感應(yīng)過電壓的最大值不同。在以下仿真計算中假設(shè)雷擊在距離線路65 m處，則可計算不同桿塔處的感應(yīng)過電壓幅值。仿真中，假設(shè)10kV配電線路采用PS—20柱式絕緣子，其50%全波沖擊閃絡(luò)電壓幅值為125kV，用閾值為125kV的壓控開關(guān)來模擬該絕緣子。避雷器用三相MOV壓敏電阻元件表示[16]，并輸入相應(yīng)伏安特性曲線數(shù)據(jù)，將元件與變壓器等效入口電容連接到對應(yīng)的過電壓計算模型進行仿真計算。

10kV線路穿刺型避雷器伏安特性曲線如圖11所示，用三段線性化表示為

根據(jù)典型10kV線路參數(shù)，利用ATPDraw進行耐雷水平仿真，搭建的單相仿真模型如圖12所示。

2.2 仿真結(jié)果

當避雷器間隔裝設(shè)時，雷擊點不同，線路耐雷水平也不同，假定雷電通道至導(dǎo)線的垂直距離為50m，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(guī)律。

1）全線安裝

全線安裝計算模型如圖13所示，每相均配置有避雷器，計算得到感應(yīng)雷耐雷水平為180kA。

圖12 單相仿真模型

圖13 全線安裝耐雷水平計算模型

2）間隔一基安裝

間隔一基安裝避雷器的仿真模型參照圖13，只是避雷器安裝數(shù)量減少，落雷點主要考慮如圖14所示的兩種情況。

圖14 間隔一基安裝避雷器時的雷擊點

仿真計算結(jié)果見表3，當間隔一基安裝避雷器時：

表3 間隔一基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(yīng)雷耐雷水平為160kA，是常規(guī)線路感應(yīng)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(yīng)雷耐雷水平為80kA，是常規(guī)線路感應(yīng)雷耐雷水平的3.8倍，可見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

間隔二基安裝避雷器，雷擊點主要考慮如圖15所示的兩種情況。

圖15 間隔二基安裝避雷器時的雷擊點

仿真計算結(jié)果見表4，當間隔二基安裝避雷器時：

表4 間隔二基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器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160kA，和間隔一基安裝避雷器的耐雷水平一致。

4）間隔四基安裝避雷器

間隔四基安裝避雷器，雷擊點主要考慮如圖16所示的三種情況。

圖16 間隔四基安裝避雷器時的雷擊點

仿真計算結(jié)果見表5，當間隔四基安裝避雷器時：

（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。

表5 間隔四基安裝避雷器時線路的耐雷水平

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(yīng)雷耐雷水平與避雷器安裝密度無關(guān)，但未安裝避雷器的桿塔的感應(yīng)雷耐雷水平與安裝密度密切相關(guān)。綜合比較幾種安裝方式，建議隔基安裝避雷器，可使全線最低的感應(yīng)雷耐雷水平達到80kA，是常規(guī)未安裝避雷器線路感應(yīng)雷耐雷水平的3.8倍，可防范大部分感應(yīng)雷造成的危害。

3 典型應(yīng)用

云南昭通10kV水泥線，線路投運于2007年，平均海拔高度約1 700m，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20km，共310基電桿，導(dǎo)線全線采用JLG1A—150—20型導(dǎo)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(shù)經(jīng)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(jù)第2節(jié)圖13所示計算模型，可以擬合得到不同雷擊距離下線路單相感應(yīng)雷耐雷水平如圖17所示。

圖17 不同雷擊距離下線路單相感應(yīng)雷耐雷水平

參考IEEE標準[17]，可進一步計算線路感應(yīng)雷跳閘率，在沿導(dǎo)線垂直方向?qū)λ械孛媛淅仔^(qū)間進行積分，線路感應(yīng)雷跳閘率為

式中：為建弧率，一般取0.8；Ng為線路走廊地閃密度；S為雷擊距離。在雷電定位系統(tǒng)中統(tǒng)計得到該條線路2019年雷電地閃密度分布如圖18所示，地閃密度值為1.187 3次/(km2·a)。

根據(jù)上述參數(shù)，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/(100km·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/(100km·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(jié)論

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

1）為避免出現(xiàn)雷擊異常放電現(xiàn)象，導(dǎo)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低于300mm，對應(yīng)的避雷器外串聯(lián)空氣間隙宜調(diào)整為120mm。

2）穿刺型避雷器與PS—20型絕緣子的伏秒特性曲線配合優(yōu)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，建議在安裝避雷器的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，又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(wěn)定在160kA，與全線安裝密度無關(guān)，當安裝密度越小時，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(shù)經(jīng)濟性最優(yōu)，全線所有桿塔最低耐雷水平可達到80kA，實際防雷改造線路理論計算結(jié)果及實際運行效果初步印證了本文研究的避雷器安裝配置方式的有效性，待后期更長時間的運行數(shù)據(jù)來進一步印證最終實際效果。

[1] 薛蓉, 付慧, 馬勇, 等. 配網(wǎng)線路防雷措施分析與研究[J]. 高壓電器, 2017, 53(9): 17-22.

[2] 萬壽雄. 10kV不接地系統(tǒng)兩相故障導(dǎo)致電壓互感器避雷器爆炸事故分析[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(11): 56-62.

[3] 傅景偉, 李小平, 姚堯, 等. 10kV架空配電線路常用防雷措施防雷性能對比研究[J]. 水電能源科學(xué), 2019, 37(12): 132-135.

[4] 朱秀蘭, 李夢達. 10kV配電線路防雷保護間隙的設(shè)計[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2010, 31(10): 7755-7759.

[5] 夏欣, 淡淑恒, 李翔宇, 等. 10kV防雷絕緣子引弧板參數(shù)對絕緣子電場與電位分布的影響[J]. 電瓷避雷器, 2020(2): 189-195.

[6] 沈海濱, 雷挺, 賀子鳴, 等. 10kV線路用多腔室間隙防雷裝置工頻續(xù)流遮斷能力選擇建議[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2019, 43(4): 1480-1486.

[7] 賈文彬, 司馬文霞, 袁濤, 等. 半密閉滅弧腔室內(nèi)電弧運動特性的三維仿真和實驗[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(1): 321-329.

[8] 羅佳俊, 周長江, 蔡劍碧. 基于先導(dǎo)傳播模型的化工戶外裝置區(qū)排放設(shè)施接閃器保護范圍研究[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(11): 73-76.

[9] 劉素芳, 陳康, 劉思賢. 10kV串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器在配電網(wǎng)防雷中的優(yōu)化配置[J]. 電瓷避雷器, 2020(1): 76-81.

[10] 王志剛, 阮觀強. 基于ATP-EMTP的配電線路避雷器防雷效果及保護范圍仿真分析[J]. 電瓷避雷器, 2020(1): 66-70.

[11] 周玉娟, 李凱. 架空線路雷電感應(yīng)過電壓的避雷器與避雷線防護比較[J]. 電瓷避雷器, 2018(6): 86-90.

[12] 王羽, 文習(xí)山, 藍磊, 等. 提高架空配電線路耐雷水平的仿真分析[J]. 高電壓技術(shù), 2011, 37(10): 2471- 2476.

[13] 張金波, 彭曉宇, 王磊, 等. 復(fù)雜地形下架空線雷電感應(yīng)過電壓特性仿真研究[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(11): 3718-3713.

[14] 何金良, 曾嶸. 配電線路防雷保護[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2013.

[15] 邊凱, 陳維江, 李成榕, 等. 架空配電線路雷電感應(yīng)過電壓計算研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(31): 191-199.

[16] 張龍, 黃亭. 基于混合式閥片的新型過電壓防護裝置的仿真研究[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(9): 52-58.

[17] IEEE guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribution lines: IEEE Std. 1410—2010[S]. US: IEEE, 2011.

Experimental and simulation study on installation and configuration mode of 10kV transmission line piercing arrester

LIANG Kaiwang FENG Shan

(Zhaotong Power Supply Company of Yunnan Power Grid Co., Ltd, Zhaotong, Yunnan 657000)

Piercing arrester is the most used type of lightning arrester for 10kV overhead lines. Its installation location and installation density directly affect the lightning protection effect of the line. Therefore, this paper studies the optimal installation and configuration of the piercing arrester through experiments and simulation. Combined with P—15 pin type and PS—20 post type two typical 10kV line insulators, lightning impulse discharge experiment is carried out to study the effect of installation position on discharge path. Based on ATP-EMTP software, the calculation model of induced lightning overvoltage is established, and the variation of lightning withstand level under different installation densities of lightning arresters is analyzed. The results show that the distance between the central axis of the piercing electrode and the central axis of the insulator should not be less than 300 mm, and the air gap in series outside the arrester should be adjusted to 120 mm. It is suggested that the insulator should be replaced with PS—20 post insulator while installing arrester, and the installation density should be separate one base pole. The actual line operation verifies the simulation conclusion. According to the above principles, the actual lightning trip rate of the reconstructed line decreases by about 75%.

piercing arrester; installation and configuration mode; discharge path; induced lightning; installation density

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司重點科技項目（0507002019030101SC00097）

2021-12-14

2022-01-20

梁開旺（1982—），男，云南昭通人，本科，高級工程師，主要從事輸配電線路運維工作。