李想，姜偉

（鄭州財經(jīng)學(xué)院機(jī)電工程系，鄭州 450000）

35 kV線路耐雷水平影響因素仿真研究

李想，姜偉

（鄭州財經(jīng)學(xué)院機(jī)電工程系，鄭州 450000）

開展輸電線路耐雷水平影響因素的研究是科學(xué)的輸電線路防雷設(shè)計的基礎(chǔ)。由于我國規(guī)程規(guī)定，35 kV的配電網(wǎng)是不需要全線架設(shè)避雷線的，這對農(nóng)網(wǎng)35 kV配網(wǎng)的線路防雷工作帶來了非常大的困難。選擇雷擊事故較為嚴(yán)重的35 kV某線作為研究對象，結(jié)合該線路的具體參數(shù)，利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算程序 （ATP－EMTP）進(jìn)行仿真計算。利用所建立的仿真模型，針對接地電阻、絕緣子片數(shù)、有無避雷線、桿塔呼稱高度、線路檔距等因素進(jìn)行了仿真，分析了其對35 kV輸電線路耐雷水平的影響。同時，分析研究了加裝線路型避雷器以及避雷器多種不同布置方式下，對輸電線路繞擊和反擊線路耐雷水平的影響，為工程實(shí)際中35 kV線路的綜合性防雷提供理論依據(jù)。

35 kV輸電線路；耐雷水平；ATP仿真

0 引言

開展輸電線路耐雷水平的影響因素研究是科學(xué)的輸電線路防雷設(shè)計的基礎(chǔ)，可以為輸電線路的綜合耐雷水平性能的評估以及發(fā)現(xiàn)線路防雷的薄弱環(huán)節(jié)提供理論依據(jù)。

雷電是一種十分嚴(yán)重的自然災(zāi)害，任何人造設(shè)備在強(qiáng)雷環(huán)境中都會受到巨大損失。在直擊雷和感應(yīng)雷等的影響下，容易造成配電線路及配電設(shè)備的損害[1]。

現(xiàn)今，常見的輸電線路的防雷措施，主要以架設(shè)避雷線為主，還有提升線路絕緣水平、降低桿塔的接地電阻、采用多重屏蔽、減小避雷線屏蔽角，甚至采用負(fù)角保護(hù)等保護(hù)措施。但由于受到桿塔的結(jié)構(gòu)以及走廊的寬度限制，使得提高線路絕緣水平的措施不太容易實(shí)施，即使可行也增加了投資成本。而在土壤電阻率較高的山區(qū)，降低桿塔的接地電阻非常困難，難以滿足規(guī)程要求[2]。并且采用多重屏蔽和減小屏蔽角以及負(fù)角保護(hù)的方法同樣受限于桿塔結(jié)構(gòu)，難以對一些老線路進(jìn)行改造，除此之外，由于山區(qū)地形的限制，處于山坡段的線路繞擊率更高，沒有較好的方法來解決線路繞擊跳閘率高的問題。

由于我國的規(guī)程規(guī)定，35 kV的配電網(wǎng)是不需要全線架設(shè)避雷線的，也不需要線路換位，對線路的絕緣水平要求不高，并且以前在進(jìn)線段上安裝的管型避雷器很多都已經(jīng)不能正常工作了，很多消弧線圈也都已停用，雖然仍有部分消弧線圈在使用，但是它們的運(yùn)行狀況也不是很理想[3]。以上因素對農(nóng)網(wǎng)35 kV配網(wǎng)的線路防雷工作帶來了非常大的困難。因此對于35 kV配網(wǎng)防雷措施的研究有著重要的理論與實(shí)踐價值。

筆者選擇雷擊事故較為嚴(yán)重的35 kV某線作為研究對象，結(jié)合該線路的具體參數(shù)，利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算程序（ATP-EMTP）進(jìn)行仿真計算。根據(jù)仿真模型，針對接地電阻、絕緣子片數(shù)、有無避雷線、桿塔呼稱高度、線路檔距等因素對35 kV輸電線路耐雷水平的影響進(jìn)行了仿真分析。同時，分析研究了雷擊導(dǎo)線時35 kV線路耐雷水平影響因素。

1 仿真模型

選取雷害事故較為嚴(yán)重的35 kV某線進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際線路參數(shù)，確定用于仿真的輸電線模型、桿塔模型、絕緣子閃絡(luò)模型、避雷器模型，為利用ATP仿真計算線路耐雷水平做好準(zhǔn)備工作。

1.1 輸電線路模型

某線導(dǎo)線及避雷線參數(shù)：導(dǎo)線型號LGJ-120/25，導(dǎo)線計算直徑1.574 cm，直流電阻0.2345Ω/km。避雷線型號為GJ-35，計算直經(jīng)0.78 cm，直流電阻1.9Ω/km。

1.2 桿塔模型

目前在國內(nèi)外輸電線路防雷計算中，桿塔的模擬主要有集中參數(shù)電感模型、單一波阻抗模型以及多波阻抗3種模型[4]。

筆者采用集中參數(shù)電感模型對璧山35 kV配網(wǎng)所用的ZHB2門型塔結(jié)構(gòu)桿塔進(jìn)行建模，桿塔模型見圖1。

圖1 門型塔塔電感模型Fig.1 The gate type tower inductancemodel

圖中，R 為桿塔接地電阻；L1、L3、L4、L6分別為桿塔等效電感；L2、L5、L7、L8為桿塔橫擔(dān)等效電感。不同型式桿塔的等值電感見表1。

表1 桿塔等值電感的參考值Table 1 Reference value of tower equivalent inductance

1.3 絕緣子串閃絡(luò)模型

現(xiàn)今，國內(nèi)外比較認(rèn)可的研究絕緣子閃絡(luò)模型有3種：50%絕緣子閃絡(luò)法；相交法；先導(dǎo)法[5-6]。本文采用50%絕緣子閃絡(luò)法建模。

35 kV某線采用3片、4片或者5片XWP2-70絕緣子，按下式計算絕緣子串的50%放電電壓

式中，N為絕緣子片數(shù)。

1.4 避雷器模型

計算所用線路型避雷器的型號為YH5CX-42/120，其基本參數(shù)見表2。其正常使用條件：工作電壓不超過產(chǎn)品的持續(xù)運(yùn)行電壓；電源頻率范圍40Hz~62Hz；環(huán)境溫度范圍-40~40°C；地震強(qiáng)度在里氏7級及以下；最大的風(fēng)速不超過35m/s。在ATP建模計算時，線路型避雷器的伏安特性利用分段線性化來模擬，其伏安特性見表3。

表2 35 kV線路型避雷器基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of 35 kV line type arrester

表3 35 kV避雷器伏安特性Table 3 Voltam pere characteristic of 35 kV arrester

2 雷擊桿塔時35 kV線路耐雷水平影響因素的仿真分析

2.1 桿塔接地電阻對35 kV線路反擊耐雷水平的影響

雷擊桿塔時，因輸電導(dǎo)線及避雷線的波阻抗遠(yuǎn)大于桿塔接地電阻，故雷電流大多經(jīng)桿塔流入大地。因此，有必要計算分析不同桿塔接地電阻下的線路反擊耐雷水平。

桿塔的引雷面積隨著桿塔高度增加而增大，從而落雷次數(shù)也增加，與此同時，當(dāng)雷擊中塔頂后，雷電流波以及反射波在橫擔(dān)或塔頂上傳播的時間也會變長，導(dǎo)致橫擔(dān)或塔頂?shù)碾娢辉龈撸菀仔纬煞磽?。因此，有必要計算分析不同桿塔高度下的線路反擊耐雷水平[7]。

線路采用4片XWP2-70絕緣子，利用ATP軟件在桿塔接地電阻分別取為5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω，桿塔呼稱高度取為10.5m、12.5m、14.5m、16.5 m、18.5 m的情況下，對檔距為220 m的ZHB2直線塔進(jìn)行仿真，得出其反擊耐雷水平。

針對無避雷線的35 kV線路、有1根避雷線的35 kV線路、有2根避雷線的35 kV線路3種情況進(jìn)行仿真分析，在不同呼稱高度以及不同桿塔接地電阻值條件下線路的具體反擊耐雷水平分別見圖2、圖 3 和圖 4。

圖2 桿塔高度和桿塔接地電阻對無避雷線35 kV線路耐雷水平的影響Fig.2 Influence of the tower heightand the tower grounding resistance on lightningwithstand level of 35 kV line without lightning line

圖3 桿塔高度和桿塔接地電阻對有1根避雷線35 kV線路耐雷水平的影響Fig.3 Influence of the tower heightand the tower grounding resistance on lightning withstand level of 35 kV line with 1lightning line

圖4 桿塔高度和桿塔接地電阻對有2根避雷線35 kV線路耐雷水平的影響Fig.4 Influence of the tower heightand the tower grounding resistance on lightningwithstand level of 35 kV linewith 2 lightning line

對比仿真結(jié)果可以得出：1）對于無避雷線的線路，當(dāng)桿塔的呼稱高度一定時，35 kV線路的反擊耐雷水平都隨著桿塔接地電阻值的增加而降低；當(dāng)桿塔接地電阻值一定時，35 kV線路的反擊耐雷水平隨著桿塔呼稱高度的增加而降低。2）隨著避雷線數(shù)量的增加，線路反擊耐雷水平也越來越高。有避雷線時，桿塔的耐雷水平要比沒有避雷線時高出許多，這是由于增加的避雷線為雷電流提供了新的流散通道，從而提高了線路的耐雷水平。

2.2 絕緣子片數(shù)對35kV線路耐雷水平的影響

為了探究不同絕緣水平情況下線路的耐雷水平變化，選擇桿塔的接地電阻為10Ω，利用ATP軟件在 XWP2-70 絕緣子片數(shù)為 3、4、5、6，桿塔呼稱高度值取10.5m、14.5m、18.5m時，對檔距為220m的ZHB2直線塔進(jìn)行仿真計算，得到線路反擊耐雷水平。

同樣分別對無避雷線、有1根避雷線、有2根避雷線的35 kV線路進(jìn)行仿真分析。在不同呼稱高度以及不同絕緣子片數(shù)條件下，線路的具體反擊耐雷水平分別見圖5、圖6和圖7。

圖5 絕緣子片數(shù)對無避雷線35 kV線路耐雷水平的影響Fig.5 Effectof number of insulators on lightningwithstand level of 35 kV transmission line without lightning line

圖6 絕緣子片數(shù)對有1根避雷線35 kV線路耐雷水平的影響Fig.6 Effectof number of insulators on lightning withstand level of 35 kV transmission linewith 1 lightning line

圖7 絕緣子片數(shù)對有2根避雷線35 kV線路耐雷水平的影響Fig.7 Effectof insulatorswith 2 lightning line 35 kV line lightning protection level

結(jié)合圖中數(shù)據(jù)可知：1）當(dāng)桿塔的呼稱高度一定時，35 kV線路的反擊耐雷水平隨著絕緣子片數(shù)的增加而增加。這是由于耐雷水平的增加得益于絕緣子串的U50%沖擊放電電壓的增加，而絕緣子串的U50%沖擊放電電壓在不同的絕緣子片數(shù)下非線性，所以造成耐雷水平在不同的絕緣子片數(shù)下呈現(xiàn)非線性。2）隨著絕緣子片數(shù)的增加，桿塔呼稱高度對線路耐雷水平的影響增大。因為桿塔呼稱高度增加，導(dǎo)致線路耐雷水平的降低幅度增大。同樣對于有1根和有2根避雷線的情況，依然符合此規(guī)律。3）隨著桿塔呼稱高度的增加，絕緣子片數(shù)的增加導(dǎo)致線路耐雷水平的提高幅度減小，絕緣子片數(shù)對線路耐雷水平的影響減小。

2.3 線路檔距對35 kV線路耐雷水平的影響

由于雷擊中桿塔塔頂或者避雷線時，雷電流主要經(jīng)過桿塔流入大地，在塔頂或者橫擔(dān)處形成較高的電位，經(jīng)查閱資料顯示，改變線路檔距對提高雷擊塔頂時的耐雷水平無任何實(shí)際意義[8-9]。本文在此不做過多分析。

2.4 加裝金屬氧化物避雷器對35 kV線路耐雷水平的影響

雷擊桿塔時，由于雷擊暫態(tài)過程的時間短，可以忽略較遠(yuǎn)桿塔對被擊桿塔的分流作用[10]。因此筆者選取35 kV某線容易遭受雷擊的5基桿塔作為目標(biāo)計算桿塔的等值電路，見圖8，圖8為雷擊桿塔時的桿塔計算模型。按圖中所示將桿塔編號為1號，2號，3號，4號，5號桿塔。

圖8 雷擊桿塔計算模型Fig.8 The calculationmodel of lightning tower

從前面幾節(jié)的仿真結(jié)果可以看出，有無避雷線對線路耐雷水平的影響是顯著的，因此本節(jié)中將不再考慮無避雷線存在的35 kV線路加裝避雷器的情況。重點(diǎn)研究在架設(shè)1根和2根避雷線以及避雷器安置在不同位置的情況下，35 kV線路耐雷水平的變化。

2.4.1 安裝線路型避雷器對線路耐雷水平的影響

在桿塔呼稱高度為12.5m，線路檔距為220m，絕緣子片數(shù)為4片的情況下，利用ATP軟件對桿塔接地電阻分別取 5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω，有 1根和2根避雷線時，線路安裝線路型避雷器前后的線路耐雷水平進(jìn)行仿真計算。

假設(shè)每次雷均擊在中間3號桿塔。安裝1組避雷器時，避雷器裝于3號桿塔；安裝3組避雷器時，避雷器分別安裝于中間3基2號、3號、4號桿塔。因此，線路的反擊耐雷水平在安裝不同數(shù)目避雷器情況下的仿真計算結(jié)果見圖9。

通過對比分析圖9，可得出如下結(jié)論：1）線路反擊雷耐雷水平隨著避雷器的組數(shù)增大而提高。2）桿塔接地電阻的增大對線路型避雷器有削弱作用。隨著桿塔接地電阻的增大，反擊雷的耐雷水平下降的陡度逐漸變緩。原因是雖然雷電流分流的多少和桿塔塔頂電位的高低直接由桿塔接地電阻決定，但是由于避雷器具有分流鉗電位作用[11]，能使塔頂電位能夠與導(dǎo)線電位較為接近，接近的程度與桿塔接地電阻沒有關(guān)系，因此，減小了桿塔接地電阻對耐雷水平的影響。

圖9 不同組數(shù)避雷器時線路的耐雷水平Fig.9 The differentgroups of the lightningwithstand level of the line arrester

除此之外還能得到與前面章節(jié)類似的結(jié)論：在相同的避雷器安裝方案下，桿塔接地電阻相同時，有2根避雷線線路的耐雷水平均比有1根避雷線時高；還有在裝設(shè)的線路避雷器組數(shù)相同的情況下，線路反擊耐雷水平隨著桿塔接地電阻的增加而降低。

2.4.2 線路型避雷器布置方式對線路耐雷水平的影響

對于避雷器在線路上的具體安裝方式，針對具體的線路還需要探究其適當(dāng)?shù)牟贾梅绞健?/p>

以下將分別針對遭受雷擊的3號桿塔上一相、兩相、三相安裝避雷器的情況，做仿真分析。仿真假設(shè)雷擊點(diǎn)為3號桿塔的左側(cè)塔頂（見圖10），根據(jù)各項安裝避雷器的情況，分別選取A相，B、C相，A、B、C三相的反擊雷耐雷水平作為仿真輸出結(jié)果。

圖10 雷擊3號桿塔示意圖Fig.10 Schematic diagram of the lightning on No.3 tower

當(dāng)線路有1根、2根避雷線時的仿真結(jié)果分別見圖11和圖12。

圖11 有1根避雷線的線路在避雷器不同布置方式下的耐雷水平Fig.11 The lightning protection level of lightning arrester under differentarrangementwith 1 lightning line

圖12 有2根避雷線的線路在避雷器不同布置方式下的耐雷水平Fig.12 The level of lightning arrester is in under the different arrangements of the two lightning line

通過比較分析，可以得出如下結(jié)論：

1）桿塔接地電阻增大，線路反擊耐雷水平降低。

2）桿塔的反擊雷耐雷水平隨著安裝避雷器的個數(shù)的增多而提高。

3）仿真中，安裝避雷器的相鄰桿塔會先發(fā)生閃絡(luò)，結(jié)合上文的分析可知，避雷器的保護(hù)范圍是有限的，桿塔的反擊耐雷水平與鄰近桿塔是否裝避雷器也有關(guān)系。鄰近桿塔如裝有避雷器，可大大提高桿塔的反擊耐雷水平。

3 雷擊導(dǎo)線時35 kV線路耐雷水平影響因素

在無避雷線線路，或者因某些原因避雷線屏蔽失效時[12-13]，可能會發(fā)生雷電繞擊現(xiàn)象，即雷電就有繞過避雷線擊中導(dǎo)線。

由于雷繞擊輸電導(dǎo)線時，桿塔的接地電阻、桿塔呼稱高度對繞擊耐雷水平幾乎沒有影響[14]，因此僅對絕緣子片數(shù)以及線路型避雷器的布置方式對線路繞擊耐雷水平的影響進(jìn)行研究。

本節(jié)將分別針對絕緣子片數(shù)為3、4、5片的雙避雷線線路，在桿塔接地電阻為10Ω的情況下，雷電繞過避雷線擊中導(dǎo)線時（見圖13），絕緣子上一相、兩相以及三相安裝避雷器的情況，做出仿真計算。由于3相導(dǎo)線上方架設(shè)有避雷線，因此中間相導(dǎo)線，幾乎不容易被雷電擊中，重點(diǎn)探究雷電繞擊兩側(cè)導(dǎo)線時，避雷器的不同布置方式對線路繞擊耐雷水平的影響。下文將以圖中左側(cè)導(dǎo)線被雷擊中為例進(jìn)行仿真計算，結(jié)果見表4和圖14。

圖13 雷繞擊輸電線路示意圖Fig.13 Schematic diagram of lightning shielding transmission line

表4 有2根避雷線的線路在避雷器不同布置方式下的繞擊耐雷水平Table 4 The shielding levelof lightning arrester under the differentarrangements w ith two lightning line kA

圖14 有2根避雷線的線路在避雷器不同布置方式下的繞擊耐雷水平Fig.14 The shielding level of lightning arrester under the differentarrangementswith two lightning line

分析比較表4和圖14中仿真數(shù)據(jù)可知，以上7種布置方式的防雷效果優(yōu)劣順序為 g＞f＞e＞c＞d＞b＞a?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：

1）在被擊相安裝避雷器有較好的防雷效果。例如表 4和圖 14中，在絕緣子片數(shù)為 4片時，c、e、f、g布置方式下的線路繞擊耐雷水平最低為30.5 kA，最高為35.5 kA，相當(dāng)于其他的a、b、d幾種布置方式的平均耐雷水平6.5 kA的4.69～5.46倍。也就是說在被擊相安裝避雷器的布置方式能夠大大提高線路繞擊耐雷水平，是非常有效的安裝方式。

2）線路繞擊耐雷水平隨絕緣子片數(shù)的增加而有所提高。結(jié)合圖14橫向比較表4中的線路繞擊耐雷水平，線路繞擊耐雷水平都隨著絕緣子片數(shù)的增加而提高。例如表4中g(shù)布置方式下的繞擊耐雷水平，絕緣子片數(shù)從3片增加到5片，繞擊耐雷水平從29.3 kA增加到35.5 kA。同樣對于其他布置方式仍有類似增長。

3）對于被擊相已經(jīng)安裝避雷器時，再增加安裝其他相避雷器作用不大。例如將e、f、g布置方式與c布置方式對比，表4中，當(dāng)絕緣子片數(shù)為5片時，線路繞擊耐雷水平分別增加了2.2 kA、0.9 kA、3.4 kA，增幅為6.8%、2.8%、10.6%。很明顯繞擊耐雷水平的增幅非常小，在考慮經(jīng)濟(jì)的情況下，可以只在雷擊相安裝線路避雷器。

4 結(jié)論

結(jié)合35 kV某線的具體運(yùn)行參數(shù)，利用暫態(tài)仿真軟件ATP對大丁線易擊桿塔段建立仿真模型，分別分析了線路反擊和繞擊耐雷水平的影響因素，并探究了加裝線路避雷器以及避雷器不同的安裝方式對耐雷水平的影響。得到了如下結(jié)論：

1）雷擊桿塔時，線路的反擊耐雷水平隨著桿塔呼稱高度、桿塔接地電阻的增加而降低，而隨著絕緣子片數(shù)的增加呈非線性增長。同時，在有避雷線時，線路桿塔的反擊耐雷水平明顯高于無避雷線的情況。而線路檔距對于35 kV線路的反擊耐雷水平基本沒有影響。

2）雷擊桿塔時，桿塔的耐雷水平與該桿塔以及鄰近桿塔是否裝設(shè)避雷器有關(guān)。桿塔的反擊耐雷水平隨著安裝避雷器的個數(shù)增多而提高。桿塔接地電阻的增大對線路型避雷器有削弱作用。隨著桿塔接地電阻的增大，反擊雷的耐雷水平下降的陡度逐漸變緩。

3）當(dāng)雷擊在導(dǎo)線上時，線路繞擊耐雷水平隨著絕緣子片數(shù)的增加而提高。線路的繞擊耐雷水平在加裝避雷器后相對無避雷器時有較大提高，其中，當(dāng)被擊相安裝有避雷器時效果最佳。

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Simulation Study on the Influence Factors of Lightning W ithstand Level of 35 kV Transm ission Line

LIXiang，JIANG W ei
（Zhengzhou Finance and Economics Institute ofMechanical and Electrical Engineering， Zhengzhou 450000， China）

The study on the influence factors of lightning withstand level of transmission line is the foundation of science of the lightning protection design of transmission line.National regulations stipulates that the 35 kV distribution network is not required to set up lightning lines across the board,which on the 35 rural kV network distribution line lightning protection work has brought great difficulties.In this paper,a 35 kV line with severe lightning accident is chosen as the object of study.According to the specific parameters of the circuit,the electromagnetic transient program (ATP－EMTP)is used for simulation calculation.Using the established simulation model,for access resistance,insulator number,lightning line,tower height and span length of line,and other factors that the simulation,analyzes its influence on the lightning withstand level of 35 kV Transmission lines.At the same time,the analysis of installation of line surge arrester and lightning arrester various different arrangement under,on transmission line shielding failure and counter the effects of the lightning withstand level of the line,so as to provide a theoretical basis for the comprehensive lightning protection of 35 kV line engineering.

35 kV distribution line； lightning withstand level； ATP

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.023

2016－04－27

李 想 （1981—），女，講師，主要研究方向為電力系統(tǒng)、控制類相關(guān)課程的教學(xué)和研究。