雙回配電線路直擊雷雷擊導(dǎo)線過(guò)電壓傳播特性研究

陳 鵬，金 楊，林萬(wàn)成，曾繁杰

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司云浮供電局，廣東 云浮 527300）

0 引 言

10 kV配電線路以架空線路居多，供電范圍廣，受到地形、用戶(hù)密集程度以及線路走廊等多方面限制，雙回線路同桿架設(shè)情況較多[1-2]。架空配電線路故障70%以上是雷擊事故造成的[3-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者近年對(duì)配電線路各種防雷措施的研究均有開(kāi)展[5-6]，主要集中在感應(yīng)雷過(guò)電壓方面[7-8]，對(duì)直擊雷的研究相對(duì)較少。一般認(rèn)為雷電感應(yīng)過(guò)電壓會(huì)造成絕緣子閃絡(luò)，較小的直擊雷電流也可造成絕緣子閃絡(luò)。配電線路一旦遭受直擊雷，產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值非常高，將造成嚴(yán)重的雷害事故[9]。因此，對(duì)雙回不同長(zhǎng)度的配電線路直擊雷過(guò)電壓和防雷特性進(jìn)行對(duì)比分析，可以指導(dǎo)不同類(lèi)型配電線路的防雷改造，對(duì)配電線路的防雷具有重大意義。

本文針對(duì)10 kV雙回配電線路開(kāi)展全線桿塔ATPEMTP建模，分析雙回配電線路直擊雷雷擊導(dǎo)線過(guò)電壓傳播特性，研究桿塔在3 kA、10 kA、30 kA雷電流時(shí)各相線路上電壓的沿線波形特性并進(jìn)行比較，總結(jié)配電線路導(dǎo)線遭受雷電直擊絕緣子閃絡(luò)后的電壓傳播特性。

1 雙回配電線路計(jì)算模型

本文計(jì)算模型參數(shù)根據(jù)“南方電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和典型造價(jià)平臺(tái)”《國(guó)家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)工程典型設(shè)計(jì)》[10]和DL/T5220-2005《10 kV及以下架空配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[11]，選取JL/G1A鋼芯鋁絞線作為裸導(dǎo)線線路的導(dǎo)線。基于我國(guó)南方地區(qū)全年氣溫-10～40 ℃、覆冰少、風(fēng)速較大等氣候特征，選取最大安全系數(shù)情況下的導(dǎo)線。計(jì)算選用JL/G1A-240/30型導(dǎo)線，檔距設(shè)置70 m，計(jì)算平均弧垂值1.562 m。在ATP-EMTP中采用LCC元件模擬，仿真時(shí)根據(jù)精度需要，選用J.Marti線路模型。該模型能直接計(jì)算架空避雷線與相導(dǎo)線之間的耦合和大地回路的趨膚效應(yīng)，簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟。

配電線路受到地形、用戶(hù)密集程度以及線路走廊等多方面的限制，線路長(zhǎng)度變化較大。為了減少線路走廊，配電線路通常采用雙回線路同桿架設(shè)。本文建立的雙回配電線路模型，如圖1所示。電能從變電站處發(fā)出經(jīng)過(guò)一段電纜送至架空線路，在電纜和架空線路的連接處設(shè)有避雷器保護(hù)；架空線路終端有配電變壓器，配電變壓器處設(shè)有避雷器保護(hù)。雙回線路采用3層橫擔(dān)雙垂直排列，橫擔(dān)采用角鋼橫擔(dān)HD-75/09-230，桿塔圖如圖2所示。全線架空線路長(zhǎng)5 km，其中電纜長(zhǎng)200 m，1.5 km線路有23個(gè)桿塔，3 km線路有44個(gè)桿塔。在軟件ATP-EMTP中建立仿真計(jì)算電路，線路桿塔編號(hào)從首端至線路末端依次為1～67號(hào)。我國(guó)常規(guī)10 kV配電線路大多沒(méi)有架設(shè)避雷線。在沒(méi)有架設(shè)避雷線的情況下，配電線路導(dǎo)線與桿塔易遭受雷電直擊。圖3為雷擊導(dǎo)線時(shí)雙回線路示意圖。

圖1 雙回配電線路計(jì)算模型

圖2 桿塔

2 雷擊導(dǎo)線時(shí)過(guò)電壓傳播特性分析

2.1 雷擊導(dǎo)線絕緣子電壓

雷電流直擊在1.5 km雙回線路11、12號(hào)桿塔之間檔距中央的1A相導(dǎo)線上，雙回線路對(duì)稱(chēng)分布，1A相和2A相導(dǎo)線被擊概率相同。本文考慮雷擊在檔距中央1A相導(dǎo)線，以下列舉11號(hào)桿塔分別在3 kA、10 kA、30 kA雷電流時(shí)的絕緣子電壓波形，分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖3 雷擊導(dǎo)線時(shí)雙回線路示意圖

圖4 中雷電流大于3 kA后，11桿雷擊相（1A）絕緣子發(fā)生閃絡(luò)；雷電流3 kA時(shí)，閃絡(luò)時(shí)刻約為0.97 μs。圖5中雷電流大于10 kA的絕緣子閃絡(luò)時(shí)間較雷電流大于3 kA時(shí)有所提前。圖6中，雷電流30 kA以上時(shí)電壓波形有針尖狀突出。當(dāng)雙回線路同一水平線上某一相已經(jīng)發(fā)生閃絡(luò)后，絕緣子兩端電勢(shì)差為0；另一相發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，已經(jīng)閃絡(luò)的一相絕緣子電壓突然升高而后為0，桿塔多相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)雷電流。非雷擊相絕緣子電壓波形分3個(gè)部分與單回線路相同：耦合的雷擊相同極性波形；塔底反射波；雷電流上升桿塔電位升高引起的絕緣子電壓反向升高。當(dāng)雷擊相未發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，桿塔電位高于導(dǎo)線電位，絕緣子電壓為正。一旦雷擊相發(fā)生閃絡(luò)，則桿塔電位升高，桿塔電位高于導(dǎo)線電位，非雷擊相電壓極性反向。非雷擊相梯形狀波形來(lái)自桿塔底部的發(fā)射波疊加產(chǎn)生。當(dāng)雷擊相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，雷電波傳到桿塔底部后，經(jīng)過(guò)相同時(shí)間發(fā)射回桿塔頂部，從而影響絕緣子兩端電壓波。

圖4 3 kA雷電流

圖5 10 kA雷電流

2.2 雷電流3 kA時(shí)沿線波形特性

圖7 為3 kA雷電流直擊1.5 km雙回線路中央導(dǎo)線時(shí)雷擊相（1A相）和與雷擊相緊鄰的兩非雷擊相（1B相、2A相）沿線電壓波形以及未發(fā)生閃絡(luò)的10號(hào)桿塔三相絕緣子電壓波形。雷電流3 kA時(shí)，線路僅11、12號(hào)桿塔發(fā)生閃絡(luò)，沿線電壓波形形狀清晰，可以明顯看到首端反射波疊加和閃絡(luò)桿底發(fā)射波造成的波形變化。

圖6 30 kA雷電流

（1）圖7（a）虛線處為首端發(fā)射波到達(dá)2號(hào)桿塔時(shí)對(duì)波形的疊加時(shí)刻。雷擊相與非雷擊相電壓波形到達(dá)時(shí)間規(guī)律和幅值規(guī)律與單回線路相同，非雷擊相電壓幅值衰減更明顯，相同雷電流下單回線路非雷擊相衰減在10 kV以?xún)?nèi)。圖7（b）和圖7（c）中1B相正向幅值從10號(hào)桿塔的約95 kV到2號(hào)桿塔約65 kV，1A相正向幅值從10號(hào)桿塔約75 kV到2號(hào)桿塔約48 kV，都相差30 kV左右。

圖7 3 kA雷電流時(shí)線路電壓波形

（2）圖7（d）所示的S部分波形變化與圖7（b）所示波形原因相同，為11號(hào)桿塔閃絡(luò)后桿塔底部反射波影響。

2.3 雷電流10 kA時(shí)沿線波形特性

圖8為10 kA雷電流直擊1.5 km雙回線路雷擊相與非雷擊相過(guò)電壓波形以及閃絡(luò)的10號(hào)桿塔三相絕緣子電壓波形與未閃絡(luò)的9號(hào)桿塔絕緣子電壓波形。

（1）觀察沿線波形可發(fā)現(xiàn)，首端反向發(fā)射波雖然波形大致形狀仍與傳播來(lái)的波形相似，但是發(fā)生了一定變形，2號(hào)桿塔雷擊相絕緣子兩端電壓幅值較低，首端反射波的疊加影響了線路過(guò)電壓幅值的升高部分。

（2）雷擊相波形在11號(hào)桿塔底部的發(fā)射波影響后，由于雷電流增大，接地泄流不理想，桿塔底部電壓升高，沿線波形都有一個(gè)電壓緩慢升高的過(guò)程，使得10號(hào)桿塔雷擊相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，兩桿塔泄流使得線路電壓得以控制而降低，其他桿塔不再閃絡(luò)。

（3）10號(hào)桿塔閃絡(luò)，桿塔底部的反射波相對(duì)于11號(hào)桿塔底部反射波較弱，在9號(hào)桿塔絕緣子電壓波形中也有反映，如圖8（e）中的S'部分。

圖8 雷電流10 kA時(shí)線路電壓波形

2.4 雷電流30 kA時(shí)沿線波形特性

圖9 為30 kA雷電流直擊1.5 km雙回線路雷擊相與非雷擊相沿線電壓波形以及8、9、10、11號(hào)桿塔三相絕緣子電壓波形。

圖9 雷電流30 kA時(shí)沿線波形

（1）相比于雷電流10 kA和3 kA時(shí)，1B相電壓幅值小于2A相電壓幅值。如圖9（e）中標(biāo)注的1、2、3處波形變化，表明圖7（d）所標(biāo)的S段波形增多，雷電流的增加幅值較大，由閃絡(luò)桿塔底部的反射波增多形成。

（2）圖9（d）中10號(hào)桿塔1A、2C相發(fā)生了閃絡(luò)，圖9（e）中9號(hào)桿塔雷擊相1A未發(fā)生閃絡(luò)而非雷擊相2A相發(fā)生了閃絡(luò)，圖9（f）中8號(hào)桿塔僅2A相和2C相發(fā)生了閃絡(luò)。當(dāng)雷電流足夠大，使得雷擊點(diǎn)附近桿塔發(fā)生多相閃絡(luò)時(shí)，閃絡(luò)桿的附近桿非雷擊相也會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，雷擊相反而不發(fā)生閃絡(luò)。

3 結(jié) 論

（1）線路直擊雷過(guò)電壓波形由3部分組成：①雷電流通過(guò)線路引起的導(dǎo)線電位升高；②絕緣子閃絡(luò)后傳播至桿塔底部電壓波反射回導(dǎo)線的塔底發(fā)射波；③電壓波傳播至線路首端后反射至觀測(cè)點(diǎn)的首末端發(fā)射波。雷擊導(dǎo)線時(shí)，閃絡(luò)桿塔底部的反射波會(huì)影響沿線桿塔的電壓波形。

（2）雷電流大于3 kA后，11桿雷擊相（1A）絕緣子發(fā)生閃絡(luò)；雷電流大于10 kA絕緣子閃絡(luò)時(shí)間較雷電流大于3 kA時(shí)有所提前；雷電流30 kA以上時(shí)，電壓波形有針尖狀突出，桿塔多相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)雷電流；當(dāng)雙回線路同一水平線上某一相已經(jīng)發(fā)生閃絡(luò)后，絕緣子兩端電勢(shì)差為0；另一相發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，已經(jīng)閃絡(luò)的一相絕緣子電壓突然升高而后為0。