吳文鋒,楊 鑫,蔣凌峰,周 秀,王延夫

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長沙 410114; 2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,銀川 750002)

0 引言

在我國經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的環(huán)境下,人們對配電網(wǎng)供電的可靠性作出了更高的要求。10 kV配電網(wǎng)作為將電能輸送至用戶的重要部分,保證其安全穩(wěn)定運行意義重大[1-4]。

目前,10 kV架空線路防雷措施少,氧化鋅避雷器在線路防雷中的作用尤為突出[5-10]。10 kV線路避雷器的安裝密度越大,線路的防雷效果越好,但會大量增加運維人員的工作量,需要綜合考慮其技術(shù)經(jīng)濟效益。因此,針對性研究10 kV架空線路的避雷器的保護范圍,形成合理的避雷器安裝方式具有重要意義[11-19]。

針對氧化鋅避雷器保護范圍的計算方法已有較多研究。文獻[20-21]通過計算配電線路下感應(yīng)雷過電壓來波時的情況,分析避雷器遭受感應(yīng)雷時的保護范圍,計算得知避雷器的保護距離隨著線路高度的增加而減小,且當(dāng)線路平均高度一定時,避雷器的保護范圍隨著雷電流幅值的增大而增大;文獻[22]則通過仿真分析了配電線路中,直擊雷擊中安裝避雷器桿塔塔頂與安裝避雷器桿塔周圍桿塔塔頂時,線路來波和高電位轉(zhuǎn)移時的保護范圍;文獻[23-26]使用ATP-EMTP對雷電流在輸電線路中的繞擊高電位轉(zhuǎn)移的機理進行了分析,提出了使用多基桿塔連續(xù)安裝線路避雷器防治高電位轉(zhuǎn)移的方法,研究結(jié)果表明在易發(fā)生繞擊的桿塔及其前后桿塔應(yīng)連續(xù)安裝線路避雷器。

可見,目前對于避雷器保護范圍的研究主要有2種原理,線路來波時折反射過程和伏秒特性曲線的配合原理,及雷擊避雷器所在桿塔的高電位轉(zhuǎn)移原理。然而,針對10 kV架空線路用避雷器的保護范圍有自身的特點,目前所得結(jié)果并不完善。1)大多針對某一種落雷形式或過電壓來波形式的影響,沒有針對10 kV架空線路的雷電過電壓形式進行系統(tǒng)全面的研究。10 kV架空線路的雷擊形式包含:感應(yīng)雷過電壓,雷擊桿塔塔頂和雷擊桿塔導(dǎo)線3種,應(yīng)分別進行計算再綜合討論分析。2)對10 kV架空線路來說,線路來波時的折反射原理可以得到避雷器的最大保護范圍,高電位轉(zhuǎn)移原理則可以得到最大不能保護的范圍。目前的結(jié)果,只針對線路來波時的保護范圍進行計算,沒有綜合2種計算原理得到系統(tǒng)的結(jié)果。3)未針對10 kV線路的跳閘機制來確定保護范圍的判據(jù)。我國配電線路中性點一般采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式,跳閘機制允許單相接地故障帶電運行一段時間,只有線路發(fā)生相間短路時才會發(fā)生跳閘,該特性將使避雷器保護范圍的原理判據(jù)發(fā)生變化,而目前的研究結(jié)果并未突出該問題。

針對上述問題,本研究為系統(tǒng)研究避雷器在10 kV架空配電線路中保護范圍,使用ATP-EMTP軟件搭建過電壓仿真計算模型,分別研究線路來波(落雷點在安裝MOA桿塔之外)和高電位轉(zhuǎn)移(落雷點在安裝MOA桿塔上)時,以MOA的通流能量閾值和線路是否發(fā)生相間短路為判據(jù),分別研究在感應(yīng)雷過電壓、雷擊導(dǎo)線、雷擊桿塔塔頂3種雷擊方式下避雷器的保護范圍;并研究桿塔接地電阻對保護范圍的影響效果。為避雷器在10 kV架空配電線路中的應(yīng)用方法提供理論基礎(chǔ)和方法指導(dǎo)。

1 避雷器的保護范圍在10 kV架空配電線路中的計算方法

1.1 最大流通能量計算方法

為了研究避雷器在最苛刻情況下對線路的保護能力,應(yīng)以避雷器最大流通能量為指標(biāo)。因而,需要首先給出避雷器最大通流能量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)交流無間隙金屬氧化物避雷器的相關(guān)規(guī)范[18],10 kV線路避雷器應(yīng)能耐受持續(xù)時間為2 ms 的方波電流沖擊18次而不擊穿、不閃絡(luò)、不損壞[27]。

10 kV架空配電線路避雷器實際吸收的能量,可以在ATP-EMTP的過電壓仿真模型中,利用積分模塊對電壓和電流進行計算,其計算方法如式(1):

(1)

式(1)中,u(t)和i(t)分別為避雷器兩端電壓和放電電流瞬時值,t為短路電流持續(xù)時間,單位s。

利用式(1)可得到避雷器吸收的能量。當(dāng)避雷器吸收的能量W1低于避雷器的最大流通能量時,一般不會使避雷器損壞;反之則避雷器的老化程度甚至損壞概率將大增。

以10 kV線路典型采用的(YH)HY5WS-17/50型避雷器為例,其方波流通容量為150 A,由避雷器的伏安特性可知,該避雷器中流過150 A電流時對應(yīng)的電壓在41 kV左右,則單次通過2 ms方波電流150 A時,避雷器的最大流通能量為12 300 J。

由公式(1)得到的結(jié)果,在仿真中以雷電波使10 kV線路典型采用的(YH)HY5WS-17/50型避雷器吸收的能量小于等于12 300 J時,避雷器不損壞的前提下對其保護范圍進行分析。

1.2 保護范圍的計算原理

由于在10 kV配電網(wǎng)中允許單相接地故障帶電運行一段時間,只有發(fā)生兩相或三相(不一定在同一根桿塔上)雷電過電壓閃絡(luò)時線路才會跳閘。因此,需以相間短路時的最大雷電流幅值作為避雷器通流的閾值標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)2種避雷器的保護范圍計算原理,分別計算。

1.2.1 線路來波時避雷器的保護范圍

設(shè)落雷點(感應(yīng)點)位于安裝避雷器的桿塔之外,過電壓波傳至安裝避雷器的桿塔,此時的保護范圍指避雷器動作后,過電壓波最遠能使距離避雷器S米遠處的桿塔發(fā)生相間短路。

1)雷電波沿線路傳播的折反射過程

雷電波沿線傳播的速度為V=3×108m/s,桿塔檔距為L,如圖1所示,避雷器所能保護的最大范圍為n基桿塔,則雷電波第一次到達避雷器的時間為t1=nL/V;假設(shè)雷電波能使避雷器動作,避雷器動作后大部分雷電流經(jīng)避雷器泄入大地,避雷器在雷電波下動作時間為t2(避雷器動作時間很短,計算中可忽略);避雷器動作后,雷電流的反射波從入地點沿線路向兩側(cè)傳播,傳回雷擊點所用時間設(shè)為t3,t3=t1。為使避雷器可以保護線路不發(fā)生跳閘,在這段來回傳播的時間內(nèi),將沒有絕緣子發(fā)生相間閃絡(luò)。

圖1 雷電來波時的保護范圍Fig.1 Protection range of lightning incoming wave

2)避雷器和絕緣子伏秒特性曲線的配合

為了計算氧化鋅避雷器在最苛刻情況下的保護范圍,本文以避雷器最大流通能量為指標(biāo),當(dāng)改變雷電流大小為某一值使MOA達到最大流通能量時,導(dǎo)出此時的過電壓波形。

將標(biāo)準(zhǔn)雷電波形曲線與絕緣子和氧化鋅避雷器伏秒特性曲線繪制在同一幅圖上,示意圖如圖2所示。運用相交法[28]分別得到絕緣子與氧化鋅避雷器的相交時間tj和tb。若相交,第一次相交時刻即為閃絡(luò)時刻。tj和tb的差即1.2節(jié)中的t1與t3的和。

圖2 絕緣子與避雷器伏秒特性圖Fig.2 Volt-second characteristic diagram of insulator and arrester

由圖2可知,絕緣子與避雷器的伏秒特性是兩條固定不變的曲線,雷電波的幅值越高,陡度越大,時間差(tj-tb)越小,保護范圍S就越小。

由上述分析可知要計算來波時的保護范圍需要:1)以避雷器的最大通流能量為指標(biāo),確定雷電波的幅值;2)繪制避雷器和絕緣子伏秒特性曲線,通過與雷電波曲線的交叉點,確定tj和tb;3)結(jié)合式(2),計算來波情況下避雷器的保護范圍S。

(2)

雷電波經(jīng)由未安裝MOA的桿塔傳至安裝MOA的桿塔時,避雷器先于遭受雷擊桿塔絕緣子動作從而保護周圍桿塔,因此該情況下的保護范圍同時也是MOA能保護雷電波不入侵的距離,設(shè)來波所能入侵到距離MOA最近的點為d1,以安裝MOA桿塔為原點,[0,d1]m即為保護范圍S。

1.2.2 雷擊避雷器桿塔時避雷器的保護范圍

當(dāng)落雷點(感應(yīng)點)位于安裝避雷器的桿塔時,避雷器動作。此時,雷電流主要由:1)避雷器導(dǎo)通后通過桿塔然后泄放至大地;2)經(jīng)線路傳播后擊穿下一桿塔絕緣子經(jīng)過桿塔泄放至大地。過電壓傳至周圍的桿塔使之發(fā)生跳閘的現(xiàn)象稱之為高電位轉(zhuǎn)移。

設(shè)遭受雷擊桿塔為1號桿塔,使用避雷器最大流通能量作為判據(jù)。當(dāng)雷電流使MOA達到最大流通能量時,調(diào)整1號與2號桿塔間的檔距。若鄰近的2號桿塔在檔距為d2時恰好發(fā)生相間閃絡(luò)時,以1號桿塔為原點,[0,d2]范圍即高電位傳播的距離,則此時的保護范圍為[d2,∞)m。

在仿真中導(dǎo)致配電線路MOA能量超限的主要因素為雷電流傳播分量。示意圖如圖3。圖4為安裝避雷器后發(fā)生高電位轉(zhuǎn)移時的等值電路。

圖3 雷擊安裝MOA桿塔處示意圖Fig.3 Diagram of installing MOA Tower in lightning strike

圖4 高電位轉(zhuǎn)移的等值電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of high potential transfer

圖4中,i1為雷電流在高電位轉(zhuǎn)移時,從落雷桿塔傳播至鄰近桿塔擊穿絕緣子時的過電流分量;i2為雷電流經(jīng)安裝避雷器桿塔泄放至大地時的過電流分量;Lg為塔頂下方桿塔等值電感;Rg為桿塔接地電阻;Lx表示i1經(jīng)過的架空線路的等值電感,MOA用一個可變電阻表示。

由圖4,在ATP-EMTP中,以i2使MOA達到最大能量允許值為依據(jù),可以確定雷電流i的大小;通過調(diào)整檔距,以臨近桿塔發(fā)現(xiàn)相間短路為依據(jù),可以確定d2。

綜上,因為避雷器在上述兩種過電壓波傳播方式時所具有的保護范圍特點(以安裝避雷器桿塔為原點計算保護范圍時):過電壓來波時指避雷器到其周圍一定距離的線路為保護范圍[0,d1]m;在高電位轉(zhuǎn)移時指避雷器到其相鄰一定距離之外的線路為保護范圍[d2,∞)m。通過避雷器最大流通能量和絕緣子發(fā)生相間閃絡(luò)的保護范圍判斷方法,在兩種不同的過電壓波傳播方式的情況下取這兩種保護范圍[0,d1]和[d2,∞)的交集,可得到MOA在10 kV配電線路中的綜合保護范圍。

2 10 kV架空配電線路仿真計算方法

通過上述理論方法,建立MOA應(yīng)用在10 kV線路中來波和高電位轉(zhuǎn)移兩種情況的仿真模型。由于配電線路的檔距、塔高及其他參數(shù)會根據(jù)實際情況略有不同,通過ATP-EMTP進行計算,可更準(zhǔn)確、便捷地設(shè)置不同環(huán)境下的線路參數(shù)。由軟件中導(dǎo)出的MOA和絕緣子的電流波形圖可直觀地觀察線路實際閃絡(luò)情況,得到所需結(jié)果。

2.1 桿塔模型

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)工程典型設(shè)計—10 kV 架空線路分冊》(2016年版)[29]規(guī)定,在本研究中搭建了典型的“品”字形單回桿頭結(jié)構(gòu)的桿塔。對10 kV架空線路桿塔建模采用了集中電感模型,并忽略橫擔(dān)的影響。桿塔等值電感取0.84 μH/m,接地電阻用工頻電阻模擬。

由于10 kV架空配電線路中工頻接地電阻一般不超過30 Ω。本研究中為了探究不同接地電阻值對10 kV架空配電線路保護范圍的影響效果,仿真中接地電阻分別取10 Ω、20 Ω和30 Ω。

2.2 絕緣子及線路模型

在仿真中使用ATP中的壓控開關(guān)模擬P-15絕緣子,開關(guān)閉合時表示絕緣子閃絡(luò)。設(shè)置中,選擇P-15絕緣子0.1%閃絡(luò)概率的放電電壓U0.1%作為開關(guān)的放電電壓。根據(jù)前期試驗結(jié)果,P-15絕緣子的U0.1%=139 kV。導(dǎo)線參數(shù)按照J(rèn)L/G1A-70/10鋼芯鋁絞線的參數(shù)設(shè)定。

2.3 避雷器模型

氧化鋅避雷器本體使用ATP-EMTP中MOV Type92避雷器模塊進行仿真。以(YH)HY5WS-17/50型避雷器為實例,額定電壓取17 kV,伏安特性如表1所示。

表1 (YH)HY5WS-17/50型避雷器的伏安特性Table 1 1 Volt-ammetric characteristics of (YH)HY5WS-17/50 arrester

2.4 直擊雷和感應(yīng)雷電源模型

直擊雷電流模型選用IEC1312-1中提出Heilder模型,波頭時間取2.6 μs,波尾時間取50 μs,雷電通道波阻抗取300 Ω。其模型圖如圖5所示。

圖5 直擊雷模型圖Fig.5 Model diagram of direct lightning strike

感應(yīng)雷模型由文獻[30]提供的模型搭建,表達式見式(3):

(3)

公式(3)中,I為雷電流幅值,單位kA;H為導(dǎo)線平均高度,取15 m;S為導(dǎo)線任意點距雷擊點水平距離最近處導(dǎo)線的長度(S>65 m),Ug表示感應(yīng)電壓幅值(kV),以雷電流幅值為20 kA時感應(yīng)雷過電壓的波形為例,示例圖如圖6。其電源模型由波阻抗通道、RLC線路元件以及雷電流中Heidler模型構(gòu)成,模型如圖7所示。此感應(yīng)雷模型僅用于計算線路的雷電感應(yīng)過電壓。

圖6 感應(yīng)雷過電壓波形圖Fig.6 Inductive lightning overvoltage waveform diagram

圖7 感應(yīng)雷模型圖Fig.7 Model diagram of inductive lightning

當(dāng)落雷點距線路為65 m時,雷電流在線路上產(chǎn)生的過電壓理論值與模型測量值比較如表2所示。

表2 雷電流在線路上產(chǎn)生的理過電壓理論值與模型測量值比較Table 2 Comparison between theoretical value and model measurement value of rational overvoltage caused by lightning current on line

通過感應(yīng)雷過電壓的理論值與模型測量值的比較,在建立的感應(yīng)雷模型中,輸出的感應(yīng)雷過電壓在波形特征和幅值方面均與理論值接近,因此采用此模型作為仿真中的感應(yīng)雷模型。

2.5 整體仿真結(jié)構(gòu)

結(jié)合上述給出的各模塊的模型及參數(shù),在ATP-EMTP中建立上述10 kV配電線路仿真模型,仿真考慮了桿塔的檔距、接地電阻大小等因素。模型包括13基桿塔,線路檔距為50 m,最左側(cè)為10 kV三相交流電源、中間的桿塔設(shè)為安裝了氧化鋅避雷器的1號桿塔,1號桿塔右側(cè)依次為2號、3號桿塔。整體仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 10 kV配電線路氧化鋅避雷器保護范圍模型圖Fig.8 Diagram of 10 kV distribution line zinc oxide arrester protection range model

2.6 仿真原理及保護范圍評判依據(jù)

針對10 kV架空線路的雷擊形式:1)感應(yīng)雷落雷;2)雷擊塔頂;3)雷擊導(dǎo)線。分別采用ATP仿真模型中的直擊雷和感應(yīng)雷電源模塊。

測量線路來波的保護范圍:1)將落雷點設(shè)置在2號桿塔右側(cè)某一點;2)調(diào)整雷電流大小,當(dāng)傳播至MOA的雷電流使之達到最大能量允許值時,導(dǎo)出此時標(biāo)準(zhǔn)過電壓波形圖;3)最后,通過1.2.1節(jié)中所述的來波時的保護范圍計算方法得到保護范圍。

測量高電位轉(zhuǎn)移時的保護范圍:1)設(shè)置落雷點為安裝MOA桿塔;2)逐漸改變雷電流幅值,觀察當(dāng)MOA吸收能量達到最大能量允許值時2號桿塔的閃絡(luò)情況。若2號桿塔發(fā)生相間短路,則適當(dāng)增大1、2號桿塔間檔距,當(dāng)檔距為某一值使2號桿塔正好不發(fā)生相間短路時,此時檔距視為保護距離。

3 避雷器保護范圍的計算實例及接地電阻的影響

為了計算過電壓來波時MOA的最佳安裝方式,本研究基于ATP-EMTP仿真軟件對上述3種雷擊場景探究避雷器的保護范圍。仿真模型以安裝MOA的桿塔為中心,由于桿塔兩側(cè)線路參數(shù)相同,因而只需考慮一側(cè)的保護距離情況即可。以安裝MOA的桿塔作為1號桿塔(1號桿塔右側(cè)桿塔分別為2號、3號桿塔…以此類推),描述保護范圍時均以1號桿塔為原點。

3.1 線路來波時MOA的保護范圍計算

由于10 kV架空線路沒有避雷線,當(dāng)雷擊桿塔時,需要先經(jīng)過絕緣子或避雷器放電,過電壓波才能傳到下一基桿塔。因而,該雷擊形勢下,避雷器只能保護本基桿塔。

運用2.6節(jié)中仿真原理及保護范圍評判依據(jù)對感應(yīng)雷和雷擊導(dǎo)線2中雷擊形式下,線路來波時的保護范圍進行分析。

3.1.1 感應(yīng)雷

感應(yīng)雷在三相導(dǎo)線中同時存在。仿真中,桿塔接地電阻設(shè)為30 Ω,由圖7的仿真模型中,選取2號桿塔右側(cè)線路為落雷點。當(dāng)改變雷電流幅值至52.5 kA時,仿真得到此時MOA吸收能量達到12 300 J,此時感應(yīng)到1號桿塔上的過電壓幅值為189 kV,1號桿塔三相線路上的過電壓波形如圖9。

圖9 感應(yīng)雷電流為52.5 kA時1號桿塔上的過電壓波形Fig.9 Overvoltage waveform on tower No.1 when inductive lightning current is 52.5 kA

通過圖9的過電壓波形,由相交法得到tb=3.09×10-7s、tj=1.46×10-6s,結(jié)合(2)式可得到此時保護范圍為172 m,相交法示意圖如圖10所示。

圖10 感應(yīng)雷下189 kV過電壓時相交法求解保護范圍Fig.10 Solution of protection range by intersection method of 189 kV overvoltage in inductive lightning

同理,將安裝1號桿塔接地電阻分別設(shè)置為20 Ω和10 Ω,落雷點和檔距等設(shè)置不變,可得到MOA在12 300 J的過電壓分別為175 kV和156 kV。運用相交法,可得接地電阻分別為20 Ω和10 Ω時的保護范圍分別為188 m和214 m。

3.1.2 雷擊導(dǎo)線

1號桿塔接地電阻設(shè)為30 Ω,落雷點為2號桿塔右側(cè)B相導(dǎo)線上。當(dāng)逐漸調(diào)整雷電流大小為37.1 kA時,位于1號桿塔的避雷器吸收能量達到12 300 J,線路上過電壓大小為210 kV,電壓波形如圖11所示。

圖11 雷擊導(dǎo)線電流為37.1 kA時1號桿塔上的過電壓波形Fig.11 Overvoltage waveform on tower No.1 when lightning conductor current is 37.1 kA

將此時的電壓波形結(jié)合相交法得到tb=1.5×10-7s、tj=7.92×10-7s,相交法示意圖如圖12所示,由公式(2)得此時保護范圍為96.3 m。

圖12 雷擊導(dǎo)線時210 kV過電壓時相交法求解保護范圍Fig.12 Solution of protection range by intersection method of 210 kV overvoltage in lightning stroke conducter

同理,將1號桿塔接地電阻設(shè)為20 Ω和10 Ω,落雷點設(shè)檔距設(shè)置不變。MOA流通能量達到12 300 J時過電壓值分別為198 kV和180 kV,由相交法和公式(2)可分別得此時保護范圍為102.8 m和115.4 m。

3.2 雷擊安裝MOA桿塔時的保護范圍計算

發(fā)生高電位轉(zhuǎn)移的落雷點都為1號桿塔,因此只需研究位于1號桿塔的MOA在吸收能量達到最大能量允許值12 300 J時周圍桿塔發(fā)生閃絡(luò)的情況。計算原理采用高電位轉(zhuǎn)移原理。

3.2.1 感應(yīng)雷

設(shè)置1號桿塔接地電阻為30 Ω,當(dāng)感應(yīng)雷電流的幅值為41.3 kA時,仿真顯示1號桿塔上的MOA吸收能量達到12 300 J,MOA上的過電壓波形如圖13所示,此時2號桿塔發(fā)生B、C相絕緣子閃絡(luò)。

圖13 感應(yīng)雷電流為41.3 kA時MOA上的電壓波形Fig.13 Voltage waveform on MOA when inductive lightning current is 41.3 kA

調(diào)整此時檔距,仿真測得當(dāng)2號桿塔距離1號桿塔55 m時,桿塔只發(fā)生B相閃絡(luò),電流波形如圖14所示。因此當(dāng)桿塔接地電阻為30 Ω時,MOA的保護范圍為[55, ∞)m。

圖14 2號桿塔距1號桿塔55 m時的電流波形Fig.14 Current waveform of tower No.2 over 55 m from tower No.1

圖15 雷擊塔頂雷電流為20.4 kA時MOA上的電壓波形Fig.15 Voltage waveform on MOA when lightning striking the tower top current is 20.4 kA

同理,將1號桿塔接地電阻設(shè)為20 Ω和10 Ω,仿真測得當(dāng)雷電流大小為37.9 kA和32 kA時MOA吸收能量達到最大能量允許值。在這兩種阻值下,測得2號桿塔距離1號桿塔小于50 m和47 m時發(fā)生相間短路,因此此時MOA在桿塔接地電阻為20 Ω和10 Ω時的保護范圍為 [50,∞)m和 [47,∞)m。

3.2.2 雷擊塔頂

落雷點設(shè)為1號桿塔塔頂,1號桿塔接地電阻設(shè)為30 Ω,雷電流大小逐漸調(diào)整為為20.4 kA時,1號 桿塔MOA電壓波形如圖17所示,此時MOA吸收能量達到最大能量允許值12 300 J,2號桿塔未發(fā)生絕緣子相間閃絡(luò)。

調(diào)整線路檔距,當(dāng)2號桿塔距離1號桿塔48 m時恰好發(fā)生B、C相間閃絡(luò),而檔距調(diào)整為49 m時,2號桿塔只發(fā)生B相閃絡(luò),電流波形圖如圖16所示。因此該情況下MOA的保護范圍為[49,∞)m。

圖16 2號桿塔距離1號桿塔49 m時的電流波形Fig.16 Current waveform of tower No.2 over 49 m from tower No.1

同理,將1號桿塔接地電阻設(shè)為20 Ω和10 Ω,仿真測得當(dāng)雷電流大小為22.9 kA和26.5 kA時MOA吸收能量達到最大能量允許值。在這兩種阻值下,測得2號桿塔距離1號桿塔小于45 m和43 m 時發(fā)生相間短路,因此此時MOA在桿塔接地電阻為20 Ω和10 Ω時的保護范圍為 [45,∞)m和 [43,∞)m。

3.2.3 雷擊導(dǎo)線

設(shè)落雷點設(shè)為1號桿塔B相導(dǎo)線上,設(shè)安裝了避雷器的1號桿塔接地電阻為30 Ω,當(dāng)雷電流大小為23.8 kA時,MOA吸收能量達到最大允許值12 300 J,此時1號桿塔上MOA電壓波形如圖17所示。

圖17 雷電流為23.8 kA時MOA上的電壓波形Fig.17 Voltage waveform on MOA when lightning conductor current is 23.8 kA

仿真測得在初始檔距為50 m時,2號桿塔只發(fā)生B相閃絡(luò),電流波形如圖18所示。調(diào)整此時檔距,發(fā)現(xiàn)當(dāng)2號桿塔距離1號桿塔距離小于50 m時,2號桿塔發(fā)生相間閃絡(luò)。因此當(dāng)桿塔接地電阻為30 Ω時,因此該情況下MOA的保護范圍為[50,∞)m。

圖18 2號桿塔距離1號桿塔50 m時的電流波形圖Fig.18 Current waveform of tower No.2 over 50 m from tower No.1

同理,將1號桿塔接地電阻設(shè)為20 Ω和10 Ω,仿真測得當(dāng)雷電流大小為18.8 kA和17.5 kA時MOA吸收能量達到最大能量允許值。在這兩種阻值下,測得2號桿塔距離1號桿塔小于47 m和44 m 時發(fā)生相間短路,因此此時MOA在桿塔接地電阻為20 Ω和10 Ω時的保護范圍為 [47,∞)m和 [44,∞)m。

4 避雷器的保護范圍和安裝密度

由上述仿真及計算可知,雷擊形式、接地電阻的大小是配電線路中MOA保護范圍的重要影響因素。在感應(yīng)雷、雷擊塔頂(僅高電位轉(zhuǎn)移情況)、雷擊導(dǎo)線時,綜合2種原理的保護范圍計算結(jié)果,將接地電阻值依次設(shè)為10 Ω、20 Ω和30 Ω,分別得到MOA在不同接地電阻大小、不同雷擊形式下的保護范圍如表3所示。

表3 MOA的綜合保護范圍Table 3 Comprehensive protection range of MOA m

通過在10 kV架空配電線路中對過電壓來波與高電位轉(zhuǎn)移情況下氧化鋅避雷器的保護范圍計算,由表3可知:

1)在感應(yīng)雷、雷擊導(dǎo)線2種情況下,氧化鋅避雷器在過電壓來波時的保護范圍隨著安裝MOA桿塔接地電阻的減小而增大。而在高電位轉(zhuǎn)移下MOA保護范圍受桿塔接地電阻的影響不明顯。

2)在感應(yīng)雷過電壓來波情況時,安裝MOA桿塔接地電阻的減小可顯著增大MOA的保護范圍。由感應(yīng)雷時的保護范圍數(shù)據(jù)可知,桿塔接地電阻大小為10 Ω時比接地電阻為30 Ω時的保護范圍增加24%。但在雷擊導(dǎo)線過電壓來波情況下接地電阻的減小對于MOA的保護范圍影響甚微。

3)落雷形式是影響MOA保護范圍的主要因素,接地電阻對MOA保護范圍的影響次之。

5 避雷器安裝方式的選擇

根據(jù)《10 kV配電線路典型設(shè)計手冊》,一般情況下配電線路桿塔接地電阻不大于30 Ω,桿塔檔距長度一般為50～80 m。

為統(tǒng)一計算,以平均70 m檔距,桿塔接地電阻取30 Ω為例,根據(jù)上節(jié)中對于MOA在10 kV線路中保護范圍的計算結(jié)果。為使避雷器可以全面保護線路,各種情況下保護范圍最小為[50,96]m。因此,避雷器的最佳安裝方式是隔一基桿塔安裝一組氧化鋅避雷器。

對于直擊雷危害較少的地區(qū),若主要考慮感應(yīng)雷危害。由于感應(yīng)雷落雷下MOA最小保護范圍分別為[55,172]m。當(dāng)使用隔兩基桿塔安裝一組氧化鋅避雷器時,可保護全線免遭大部分感應(yīng)雷危害。若對安裝避雷器桿塔接地電阻進行降阻,則可有效擴大MOA的保護范圍,例如接地電阻為10 Ω時,可每隔三基桿塔安裝一組MOA,即可保護全線免遭雷擊災(zāi)害。

6 結(jié)論

1)基于提高10 kV架空配電線路防雷配置可靠性與經(jīng)濟性的理念,降低人工維護避雷器的成本,本研究在避雷器安裝方式上進行了探究,給出了其適用性核算方法和具體的安裝方法。

2)以10 kV架空線路典型設(shè)計中的品字形桿塔和檔距為計算實例,得到了不同雷擊形式和不同雷電波傳播方式下的保護范圍的測算。當(dāng)安裝避雷器桿塔的接地電阻為30 Ω時,得到了感應(yīng)雷、雷擊塔頂、雷擊導(dǎo)線情況下MOA對線路的保護范圍分別為[55,172] m、[45,∞)m(僅高電位轉(zhuǎn)移情況)、[50,96]m。

3)桿塔接地電阻減小會明顯提高10 kV架空線路中感應(yīng)雷過電壓下線路保護范圍,尤其是線路來波時的保護范圍,但對于雷擊塔頂和雷擊導(dǎo)線的線路來波保護范圍提升甚微。

4)配電線路使用避雷器每隔兩基桿塔安裝一組的安裝方式具有維護次數(shù)少,效果好的優(yōu)點,可在多雷區(qū)的10 kV架空線路推廣使用。