絕緣橫擔類措施對10 kV變電站雷電侵入波的影響

江安烽，聶鵬晨，朱 炯，戴華彬，萬建順

（國網(wǎng)上海浦東供電公司，上海200122）

絕緣橫擔類措施對10 kV變電站雷電侵入波的影響

江安烽，聶鵬晨，朱 炯，戴華彬，萬建順

（國網(wǎng)上海浦東供電公司，上海200122）

絕緣橫擔類措施會增加10 kV變電站雷電侵入波造成的風險。采用ATP-EMTP建立了10kV變電站直擊與反擊雷電侵入波計算模型，推導了變電站內(nèi)主設備平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）的計算方法。計算并分析了進線段桿塔接地電阻、雷電流波頭和幅值概率分布、改善措施對主變、站用避雷器MTBF的影響。結果表明：采用絕緣塔頭或絕緣橫擔后，變電站主變雷電侵入波MTBF大幅降低；進線段桿塔接地電阻、雷電流波頭和幅值概率分布對10kV變電站雷電侵入波MTBF影響很大；在變電站進線段母線處增加站用避雷器或者提高站用避雷器吸收能力，可以顯著改善采用絕緣塔頭或絕緣橫擔后10 kV變電站的雷電過電壓耐受特性。

絕緣橫擔類措施；10kV變電站；雷電侵入波；平均故障間隔時間

0 引言

雷擊導致的10 kV配電線路跳閘是影響浦東配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的主要風險。浦東電網(wǎng)的運行經(jīng)驗表明，60%以上的10 kV配電線路跳閘由雷擊導致[1]。理論分析表明，無防雷措施下，配電線路雷擊跳閘主要由感應雷引起[2-3]。以往國內(nèi)外采用了大量諸如增加絕緣水平、架設架空地線、安裝配電線路避雷器等防雷措施[4-7]。配電線路避雷器有雷擊損壞的風險，會導致線路維護工作量大幅增加。例如，廣東電網(wǎng)統(tǒng)計表明，55.3%的配電線路避雷器損壞由雷擊導致[8]。由于架設架空地線花費巨大，國內(nèi)在10 kV配電線路上極少采用。Stanislaw Grzy?bowski等人開發(fā)了一種與復合絕緣子或瓷絕緣子組合的玻璃纖維配電線路桿塔，其作用是提高了配電線路的絕緣閃絡電壓[9-10]。中國電科院也設計了功能類似、用于10 kV線路防雷的絕緣橫擔[11]和絕緣塔頭[12]。此外，GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》[13]也規(guī)定，“除少雷區(qū)外，6 kV和10 kV鋼筋混凝土桿配電線路，宜采用瓷和其他絕緣材料的橫擔”。

Eriksson等人[14]的配電線路雷擊觀測表明，93%的雷電感應過電壓在三相導線上產(chǎn)生接近相同的波形。因此，絕緣橫擔類（絕緣塔頭）措施設計的主要目的是通過提高導線三相絕緣水平，降低感應過電壓閃絡率。理論分析表明，絕緣橫擔類[12]（絕緣塔頭）措施可以將10 kV配電線路雷擊閃絡率降低96%。試驗測試和廣東電網(wǎng)的運行統(tǒng)計表明，絕緣橫擔類措施經(jīng)濟、有效[12]。然而，采用絕緣橫擔類（絕緣塔頭）措施會增加10 kV變電站雷電侵入波故障風險，對變電站內(nèi)的設備帶來新的危害。以往并未對此研究，因此，當前亟需分析采用絕緣橫擔類（絕緣塔頭）措施后對10 kV變電站的雷電過電壓侵入波過電壓的影響。

筆者采用ATP-EMTP建立了10 kV配電線路和變電站模型，分析了采用絕緣橫擔類（絕緣塔頭）措施后10 kV變電站雷電侵入波過電壓特性。研究了雷電侵入波、站內(nèi)避雷器吸收能量、10 kV變電站平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MT?BF），比較了不同進線段配電線路絕緣水平、雷電流波頭、雷電流幅值分布、進線段桿塔接地電阻對站內(nèi)主變和站用避雷器MTBF的影響。

1 模型參數(shù)和計算方法

1.1 進線段配電線路模型

用于分析的典型10 kV變電站進線段線路結構如圖1所示。線路檔距60 m，三相導線采用JKLYJ-10/185型絕緣導線，導線外徑14.6 mm，直流電阻0.1 Ω/km，采用JMarti模型，不考慮沖擊電暈和工作電壓的影響。為消除線路末端雷電波引起的折反射，在線路末端接入400 Ω匹配阻抗。

10 kV進線段線路混凝土桿塔結構如圖2所示，采用單波阻抗模型，波阻抗取250 Ω[15]，傳播速度為3×108m/s。桿塔接地電阻取30 Ω。分析的進線段線路初始無防雷措施絕緣采用PS-15型針式支柱絕緣子。采用ATP-EMTP中的簡單壓控開關模擬絕緣子的閃絡特性，本文中用于分析的不同絕緣子雷電沖擊下50%臨界閃絡電壓（U50%）如表1所示。

圖1 用于分析的10kV進線段線路和變電站布置示意圖Fig.1 Layout of the analyzed 10kV distribution incoming line and substation

圖2 進線段10 kV混凝土桿塔參數(shù)圖Fig.2 Sketch figure of the 10 kV incoming line concrete pole

表1 不同絕緣子臨界閃絡電壓Table 1 Critical flashover voltage for different types of insulators

圖3所示為絕緣塔頭及其典型應用[12]，絕緣塔頭水平橫擔長1.8 m，垂直絕緣長0.35 m。絕緣塔頭的U50%為447 kV。

圖3 絕緣塔頭及其典型應用圖Fig.3 Insulated tower head and its typical application

用于分析的絕緣橫擔如圖4所示[11]，其使用結構由P-10T針式支撐絕緣子和70 cm長的絕緣橫擔組成。這類使用的絕緣橫擔U50%為718 kV。

圖4 絕緣橫擔及其典型應用圖Fig.4 Insulated cross arms and its typical application

1.2 雷擊電流參數(shù)模型

采用Heidler函數(shù)[6]表示雷電流波形，波頭波尾采用IEEE標準中推薦的3.83/77.5 μs[4]。雷電流幅值概率分布函數(shù)采用IEEE標準[4]中推薦的公式：

式中：I代表雷電流幅值，kA；α為中值雷電流，kA，β為分布無量綱系數(shù)，采用上海電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2003—2011年[16]統(tǒng)計的平均分布，α為26.7 kA，β為2.4。雷電流通道波阻抗取400 Ω。

1.3 變電站模型參數(shù)

變電站站內(nèi)設備、接線越多，對雷電侵入波的分流越大。因此，考慮高風險的單母線、單主變簡化10 kV變電站模型如圖5所示。由于雷電侵入波過電壓的高頻率、短波頭特性，站內(nèi)主設備可以采用入口電容模擬。圖中，電流互感器（CT）入口電容取200 pF，電壓互感器（PT1、PT2）入口電容取300 pF，主變（T）入口電容取500 pF，斷路器（GW1、GW2）入口電容取200 pF。母線采用波阻抗模擬。變電站接地電阻取1 Ω。站用避雷器采用YH5WZ-17/45，采用非線性電阻模擬如圖6所示的站用避雷器伏安特性。站用避雷器失效判據(jù)為，雷電侵入波吸收能量超過避雷器額定吸收能力40.8 kJ。

圖5 簡化的10 kV變電站模型Fig.5 Simplified model of 10 kV substation

1.4 計算變電站主設備雷電侵入波MTBF的方法

平均故障間隔時間（mean time between failure，MTBF）用于評估變電站雷電侵入波風險。采用EM?TP計算雷電直擊（擊中導線）、反擊（擊中塔頂）變電站進線段10 kV線路，得出使直擊、反擊侵入波過電壓超過10 kV變電站主變沖擊絕緣水平的直擊、反擊雷電流幅值，分別為Id和If，kA。變電站主變MT?BF計算如下：

圖6 站用避雷器伏安特性曲線Fig.6 V-I characteristic of 10 kV substation surge arrester

式中，Pd（Id）和Pf（If）為根據(jù)雷電流幅值概率分布函數(shù)，得出雷電流幅值超過Id和If的概率，Nd和Nf為年預計直擊、反擊雷電侵入波發(fā)生次數(shù)，采用IEEE標準[4]推導的配電線路年預計雷擊次數(shù)公式：

式中：Ng為地閃密度，次/（km2/年），取1用于相對比較；b為兩根邊相之間的距離，hc為邊相導線平均高度，m。根據(jù)國內(nèi)規(guī)程[15]，無避雷線線路擊桿率為0.5，則Nd和Nf都為0.5NL。

2 10 kV變電站雷電侵入波計算結果

2.1 雷電侵入波幅值

反擊雷電流幅值取50 kA，計算得出在表1不同變電站進線段線路絕緣水平下的10 kV變電站反擊過電壓侵入波如圖7所示。

圖7 雷電反擊在變電站設備上產(chǎn)生的過電壓侵入波Fig.7 Impinging lightning surges on 10 kV substation equipment due to back-flashover

直擊雷電流幅值取20 kA，計算得出在表1不同變電站進線段線路絕緣水平下的10 kV變電站直擊過電壓侵入波如圖8所示。

考慮到主變是變電站內(nèi)最重要的設備，其雷電全波沖擊耐受電壓幅值為75 kV，絕緣配合系數(shù)取1.15，則主變雷電侵入波耐受電壓為65 kV。根據(jù)圖7-圖8所示的結果，可得：

圖8 雷電直擊在變電站設備上產(chǎn)生的過電壓侵入波Fig.8 Impinging lightning surges on 10kV substation equipment due to direct lightning stroke

1）50 kA反擊雷電流下，當變電站進線段線路絕緣水平超過280 kV時，主變反擊過電壓侵入波超過65 kV，采用絕緣塔頭和絕緣橫擔后，主變反擊過電壓侵入波遠大于65 kV。

2）20 kA直擊雷電流下，只有采用絕緣橫擔后，主變直擊過電壓侵入波超過65 kV。

3）變電站進線段線路絕緣水平增加，尤其是采用了絕緣塔頭或絕緣橫擔后，變電站直擊、反擊侵入波過電壓幅值顯著增加。

2.2 雷電流波頭的影響

采用三種IEEE標準[4]中的中值波頭（td10/90,td30/90,tm）分析雷電流波頭的影響，波尾都采用77.5 μs。不同雷電流波頭（5.63 μs,3.83μs,1.28 μs）下，變電站主變MTBF的計算結果如圖9所示。

圖9 3種不同雷電流波頭下主變MTBFFig.9 MTBF of main transformer for three lightning surge front times

根據(jù)圖9所示的結果，可得：

1）雷電流波頭對變電站主變MTBF影響很大，波頭越短，MTBF越小，即變電站侵入波故障風險越高。

2）變電站進線段線路絕緣水平增加，主變MT?BF顯著下降。當雷電流波頭為3.83 μs時，線路絕緣水平從105 kV提高到718 kV，主變MTBF下降79.3%，低于限值80年。

3）當雷電流波頭為1.28μs時，主變MTBF顯著下降，在所有進線段絕緣水平情況下，MTBF都在14年左右。

2.3 雷電流幅值分布的影響

為了分析雷電流幅值分布的影響，采用如表2所示5種首次雷電流中值分布，計算得出不同雷電流幅值分布下[17]變電站主變MTBF如圖10所示。

圖10 五種不同雷電流幅值分布下主變MTBFFig.10 MTBF of main transformer under five peak current distributions

根據(jù)圖10所示的結果，可得：

1）雷電流幅值分布中值電流增大，MTBF下降。在105 kV和150 kV變電站進線段絕緣水平下，上海地區(qū)的MTBF比惠州地區(qū)分別下降61.2%和58.3%。

2）當進線段絕緣水平超過150 kV后，MTBF顯著下降且小于限值80年。

2.4 桿塔接地電阻的影響

為了分析變電站進線段桿塔接地電阻的影響，計算了進線段桿塔接地電阻為10 Ω、30 Ω和60 Ω時，主變和站用避雷器MTBF如圖11和圖12所示。

根據(jù)圖11、圖12所示的結果，可得：

1）進線段桿塔接地電阻對主變MTBF影響顯著。例如，在進線段線路絕緣水平為105kV時，桿塔接地電阻從10 Ω增加到30 Ω，主變MTBF下降14.9%。

圖11 3種不同桿塔接地電阻下主變MTBFFig.11 MTBF of main transformer under three type of different pole grounding resistances

圖12 3種不同桿塔接地電阻下站用避雷器MTBFFig.12 MTBF of substation surge arrester under three type of different pole grounding resistances

2）當進線段線路絕緣水平為280 kV和718 kV時，主變MTBF小于80年且站用避雷器MTBF小于60年，因此，有必要增加站用避雷器吸收能量耐受限值。

2.5 改善措施分析分析

以上分析結果表明，在采用絕緣塔頭或絕緣橫擔后，10 kV變電站雷電侵入波故障風險大幅提高。為降低變電站雷電侵入波，采用在進線處增加并采用更高吸收能量限值（68 kJ）的站用避雷器。計算該措施下變電站主變、站用避雷器MTBF如表3所示。

表3 改善措施下變電站主變、站用避雷器MTBFTable 3 MTBF of main transformer and surge arrester under improving measures

由以上結果可得，采用本措施后，變電站主變、站用避雷器MTBF大幅提高且滿足了限值要求，該措施有效。

3 結論

分析了絕緣橫擔類措施對10 kV變電站雷電侵入波、主設備平均故障間隔時間（MTBF）的影響，得到以下結論：

1）10 kV變電站進線段線路絕緣水平增加后，變電站雷電侵入波幅值增加且會超過站內(nèi)設備的絕緣水平，增加了變電站雷電侵入波導致故障的風險。

2）雷電流波頭、雷電流幅值概率分布函數(shù)和進線段桿塔接地電阻對10 kV變電站雷電侵入波MT?BF影響很大。

3）采用絕緣塔頭或絕緣橫擔后，變電站主變雷電侵入波MTBF低于80年，站用避雷器MTBF低于60年。

4）在變電站進線段母線處增加站用避雷器或者提高站用避雷器能量吸收能力，可以顯著改善采用絕緣塔頭或絕緣橫擔后10kV變電站的雷電過電壓耐受特性。

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Effects of Insulated Cross Arm Measures on Impinging Lightning Surges in 10 kV Substation

JIANG Anfeng,NIE Pengchen,ZHU Jiong,DAI Huabin,WAN Jianshun
（State Grid Shanghai Pudong Electric Power Supply Company,Shanghai 200122,China）

The kind of insulated tower head and cross arms used in 10 kV distribution lines may lead to the increase of lightning surge amplitude and to create hazards to the equipment in 10 kV substa?tions.In this paper,the computational model of lightning surges in 10 kV substation due to direct stroke and back flashover is developed in ATP-EMTP,the computational method of Mean Time Between Failure(MTBF)of main equipment in 10 kV substation is proposed.The influence of incoming line tower ground?ing resistance,current front time,peak current distribution and improving measures on MTBF of main transformer and substation surge arrester is analyzed.The results show that the MTBF of main transformer and substation surge arrester is greatly declined after adopt the insulated tower head and cross arms.The additional substation surge arrester at the incoming line and increase of absorption energy of substation surge arrester are adopted as the effective measures to improve the lightning surges withstand perfor?mance of 10 kV substation after adopt the insulated tower head and cross arms.

insulated cross arm measures；10 kV substation；lightning surges；mean time between failure

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.029

2016-07-10

江安烽（1987—），男，工程師，工學博士，從事電力系統(tǒng)過電壓與防雷保護研究工作。