110 kV架空線路避雷器安裝方式仿真研究

董新偉，張曉文，劉麗麗

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

110 kV架空線路避雷器安裝方式仿真研究

董新偉1，張曉文1，劉麗麗2

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

簡單介紹了110 kV輸電線路的防雷措施，重點應(yīng)用PSCAD軟件進行仿真建模，模擬雷擊桿塔情況，分析研究易擊桿塔及附近多基連續(xù)桿塔線路避雷器的安裝位置對線路耐雷水平、絕緣子串閃絡(luò)相以及導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓的影響。仿真結(jié)果表明，不同的線路避雷器安裝方式下，線路的耐雷水平提升變化不盡相同；高于線路最高耐雷水平10%的雷電流造成的絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的桿塔和相別有所不同；低于線路最低耐雷水平10%的雷電流造成導(dǎo)線中的雷電沖擊過電壓峰值和衰減速度均有所不同。結(jié)合線路避雷器造價高、工程量大以及實用性，在實際應(yīng)用中對于110 kV上字型桿塔建議采用兩邊相安裝線路避雷器來提高其防雷效果。

110 kV輸電線路；安全運行；PSCAD；避雷器；耐雷水平

0 引言

在110 kV輸電線路運行使用中，雷電是其可靠性和安全性的最關(guān)鍵影響因素[1]。在我國架空輸電線路中，110 kV電壓等級占有重要的地位，一旦其因為遭受雷擊而造成電氣故障，帶來的后果會很嚴(yán)重，所以有必要對110 kV架空輸電線路進行防雷技術(shù)研究，提高其防雷安全性能，既可以防止線路及線路上的設(shè)備因雷擊受到損壞，還能使變電站和發(fā)電廠的安全運行得到保障，從而可以減少電力系統(tǒng)中的雷害事故并減少所引起的電量損失，提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。

1 110 kV輸電線路常用防雷措施

1.1 降低桿塔接地電阻

降低桿塔的接地電阻有助于提高線路的耐雷水平，當(dāng)輸電線路遭到雷擊時，隨著接地電阻的減少，桿塔的電位也會隨之減少，從而使得絕緣子兩端的電壓減少。在我國現(xiàn)有的常用防雷措施中，降低桿塔的接地電阻是最經(jīng)濟的方式，也是最優(yōu)先考慮的方式[2]。

1.2 加強線路絕緣

絕緣子是輸電線路中的重要設(shè)備之一，無論是雷擊大地、雷擊避雷線、雷擊導(dǎo)線還是雷擊桿塔，均有可能在絕緣子兩端產(chǎn)生過電壓。對于絕緣子，可以通過分別增多其片數(shù)和其長度來提高輸電線路的耐雷水平[3]。一是增多絕緣子的片數(shù)，也就增強了絕緣子抵抗雷電的作用，從而增加了其抵抗雷電過電壓的能力；二是通過加大絕緣子的長度來降低保護角，有助于避雷線的屏蔽保護。

1.3 安裝線路避雷器

高土壤電阻率、地形復(fù)雜地區(qū)的桿塔接地電阻很大，也不容易降低，此時，除了上邊提及的通過加強絕緣的方法來提高耐雷水平外，還可以考慮加裝線路避雷器。線路避雷器有兩個作用：一是被保護輸電線路線段內(nèi)的桿塔遭受雷擊時，保證被保護線段內(nèi)的絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)；二是被保護線段外，與安裝避雷器相近的桿塔遭受雷擊時，保證被保護線段內(nèi)的絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)。

1.4 架設(shè)耦合地線

耦合地線可以有效提高導(dǎo)線與導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與避雷線之間的耦合系數(shù)，同時雷電流在流經(jīng)桿塔時也可以沿除避雷線之外的耦合地線向兩側(cè)分流，降低絕緣子串兩端的過電壓，提高線路耐雷水平[4]。

1.5 架設(shè)避雷線

110 kV線路一般沿全線架設(shè)避雷線，在雷電活動特殊強烈地區(qū)，宜架設(shè)雙避雷線。避雷線可以使導(dǎo)線避免遭受直擊雷，同時，利用避雷器的分流作用，可以減少流經(jīng)桿塔的雷電流；利用避雷線的耦合作用，可以降低絕緣子串上的電位；利用避雷線的屏蔽作用，可以降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓?？梢娋€路上架設(shè)避雷線是提高線路耐雷水平的主要措施。

2 110 kV上字型桿塔線路避雷器安裝方式研究

在常見的110 kV架空線路中，上字型桿塔廣泛應(yīng)用于直線和轉(zhuǎn)角桿塔來完成輸電任務(wù)[2]。其三相導(dǎo)線的空間位置不同，避雷器的安裝方式是否會對其防雷相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生影響是未知數(shù)，所以選擇110 kV上字型桿塔架空線路作為防雷仿真的研究對象有一定的研究意義。

筆者所采用的避雷器型號為HY10WX-100/260，具體參數(shù)如表1所示。

表1 避雷器相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of lightning arrester

為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，該研究的上字型桿塔，均假定B相與C相位于桿塔同側(cè)，其中B相位于C相上方，而A相位于另外一側(cè)[5]。據(jù)此建立了5基同樣參數(shù)的110ZS1-21型號上字型鐵塔構(gòu)成的110 kV線路防雷仿真系統(tǒng)，仿真模型部分截圖如圖1所示。

5基上字型鐵塔的三相導(dǎo)線按上字型排列，線路全線架設(shè)單避雷線，接地電阻和絕緣水平均設(shè)為一致，為保證系統(tǒng)耐雷水平不低于國家標(biāo)準(zhǔn)，其中沖擊接地電阻取10 Ω，絕緣水平采取8片F(xiàn)C-100/146型玻璃絕緣子，線路桿塔三相均不加設(shè)避雷器。桿塔的呼稱高均設(shè)為21 m，單位集中電感為0.5 μH/m[6]，相鄰桿塔之間的檔距為300 m。

2.1 避雷器安裝方式對耐雷水平的仿真研究

為研究線路避雷器不同安裝方式對桿塔耐雷水平的影響，通過在中間桿塔加裝不同組合形式的線路避雷器，探究分析中間桿塔耐雷水平的變化規(guī)律，應(yīng)用試探法（下同）逐次改變擊到中間桿塔頂部的雷電流幅值，然后觀察中間以及相鄰桿塔絕緣子串兩端電壓波形，從而確定該塔的耐雷水平。

通過對未安裝線路避雷器、單相安裝、兩相安裝及三相安裝幾種情況進行仿真，整理出如表2所示中間桿塔的耐雷水平。

從表2中可以看出，在不同安裝方式下安裝線路避雷器后，桿塔耐雷水平均有所提高，且耐雷水平的提升幅度不盡相同。單相安裝時，將避雷器安裝在與B相同相的下邊相（C相）比安裝于其他兩相時的耐雷水平提升幅度大。兩相安裝時，將避雷器安裝在下側(cè)兩邊相（A相、C相）優(yōu)于其他兩種安裝方式。而三相安裝線路避雷器時，耐雷水平提升幅度與下側(cè)兩邊相安裝時差別不大。

綜上所述，根據(jù)避雷器不同的安裝方式對線路耐雷水平的影響，并且考慮經(jīng)濟實用性，可得出如下結(jié)論：下面兩邊相（A相、C相）安裝線路避雷器對于110 kV上字型桿塔是最佳選擇。

圖1 仿真模型部分截圖Fig.1 Part of the simulation model screenshot

表2 中間桿塔耐雷水平隨避雷器安裝方式變化表Table 2 The middle tower lightning withstand level with different arresters installation ways

2.2 避雷器安裝方式對閃絡(luò)相的仿真研究

線路避雷器發(fā)生動作后會有分流效應(yīng)，這樣會導(dǎo)致雷電流沿導(dǎo)線傳播，當(dāng)雷擊電流超過線路耐雷水平時，觀察相關(guān)桿塔絕緣子串的閃絡(luò)情況，對于防止故障擴大有著重要意義。為對比避雷器安裝方式對各基桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的影響，本節(jié)選取峰值為94.6 kA（高于線路最高耐雷水平10%）的雷電流擊于中間桿塔頂部，仿真分析其本身以及相鄰桿塔絕緣子的閃絡(luò)情況。

通過對上字型桿塔線路避雷器不同安裝方式的仿真結(jié)果，當(dāng)幅值為94.6 kA的雷電流擊到中間桿塔頂部時，中間桿塔絕緣子發(fā)生擊穿閃絡(luò)情況如表3所示。

從表3中可以看出，未安裝線路避雷器時，雷擊中間桿塔時，中間桿塔兩相絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，增加了兩相接地短路故障發(fā)生的可能性；單相安裝避雷器后，中間桿塔有單相和兩相絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)的情況；A相、B相和B相、C相兩相分別安裝線路避雷器時，中間桿塔也均有單相絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)；下面兩相（A相、C相）和三相安裝線路避雷器時，中間桿塔三相絕緣子串均未發(fā)生閃絡(luò)。

綜上所述，在不同的線路避雷器安裝方式下，當(dāng)高于耐雷水平10%的雷電流擊到中間桿塔時，根據(jù)其各相絕緣子的閃絡(luò)情況，并且考慮經(jīng)濟實用性，可得出以下結(jié)論：下面兩邊相（A相、C相）安裝線路避雷器對于110 kV上字型桿塔是最佳選擇。

表3 雷擊中間桿塔時絕緣子閃絡(luò)相隨避雷器安裝方式變化表Table 3 Change of flashover phases with different arresters installation ways on the middle tower

2.3 避雷器安裝方式對雷電沖擊過電壓仿真研究

雷電流擊到桿塔塔頂后會通過避雷器泄放到導(dǎo)線上，此時導(dǎo)線出現(xiàn)沖擊過電壓。為對比分析不同安裝方式下的線路避雷器對雷擊沖擊過電壓產(chǎn)生的影響，本節(jié)將在中間桿塔加裝不同組合的線路避雷器，選取峰值為48.6 kA（低于線路最低耐雷水平10%）的雷電流擊于其頂部，仿真分析三相導(dǎo)線雷電沖擊過電壓的變化，得到幅值48.6 kA（各相絕緣子串不閃絡(luò)）的雷電流擊于中間桿塔頂部時導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓的峰值及其衰減速度如表4所示。

從表4可以看出，在安裝了線路避雷器后，由于避雷器的分流作用，雷電流經(jīng)避雷器進入導(dǎo)線，從而使導(dǎo)線中的雷電沖擊過電壓明顯升高，不同的安裝方式下，雷電沖擊過電壓的峰值有所差別。在安裝避雷器的情況下，AC兩相安裝線路避雷器時，其導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓的峰值較小。另外，還可看出避雷器的安裝均能有效減少雷電沖擊過電壓載導(dǎo)線中的衰減時間，使導(dǎo)線中的雷電沖擊過電壓能較迅速地降到工作電壓值，最終趨于正常，其中，A相、AB兩相、AC兩相、BC兩相和三相安裝時，導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓衰減速度明顯。綜上所述，根據(jù)線路避雷器不同的安裝方式對導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓的影響，可得出如下結(jié)論：三相安裝避雷器對于110 kV上字型桿塔是最佳選擇。

表4 雷電沖擊過電壓及衰減時間隨避雷器安裝方式變化表Table 4 Change of lightning impulse overvoltage with different arresters installation ways on middle tower

3 結(jié)語

通過仿真手段，對110 kV上字型桿塔單基桿塔上線路避雷器的安裝方式對耐雷水平、絕緣子串閃絡(luò)相和導(dǎo)線中雷電沖擊過電壓等方面的防雷效果影響進行研究。仿真結(jié)果表明，不同的線路避雷器安裝方式下，線路的耐雷水平提升變化不盡相同；高于線路最高耐雷水平10%的雷電流造成的絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的桿塔和相別有所不同；低于線路最低耐雷水平10%的雷電流造成導(dǎo)線中的雷電沖擊過電壓峰值和衰減速度均有所不同。結(jié)合線路避雷器造價高、工程量大以及實用性，在實際應(yīng)用中對于110 kV上字型桿塔建議采用兩邊相安裝線路避雷器來提高其防雷效果。

[1]宮杰.輸電線路防雷研究與設(shè)計[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

[2]王益軍.深圳電網(wǎng)高壓輸電線路綜合防雷措施探討及其雷電定位系統(tǒng)的應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)，2006.

[3]譚湘海.輸電線路的防雷設(shè)計[D].長沙：湖南大學(xué)，2004.

[4]唐林.江津35 kV線路防雷新技術(shù)應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

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[6]史利.35 kV架空線路感應(yīng)過電壓研究[D].青島：中國石油大學(xué)，2011.

Study on Simulation of Arresters Installation Style in 110 kV Overhead Lines

DONG Xinwei1，ZHANG Xiaowen1，LIU Lili2
（1.School of information and Electrical Engineering China University of ming and Technolgy，Xuzhou 221116，China；2.Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China）

The 110 kV transmission line lightning protection measures are briefly introduced.Based on the PSCAD software，simulation modeling is built，the lightning hit tower is simulated；The tower easy be hit，the installation position of line lightning arrester nearby multi-based continuous towers，and the its influence on the lightning impulse withstand level，flashover of insulators and lines lightning impulse overvoltage are analyzed.The simulation results show that the different line arrester installation mode，the increase of the protection levels of transmission line are not the same;the tower and its phase of insulator flashover，which caused by the lightning current higher than the highest line insulator lightning protection level 10%，are different;lightning impulse overvoltage peak and its decay rate in conductor，which caused by the lightning current withstand level lower than 10%of the lowest line，are different.Considering the high cost line arrester，the large number of projects and practicability，in the practical application for 110 kV type tower，in order to improve the lightning protection effect，installing line surge arrester in the two side phase is suggested.

110 kV transmission line；safe operation；PSCAD；arrester；lightning protection level

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.009

2015-12-07

董新偉 （1971—），男，副教授，研究方向：智能電器、電氣安全方面的研究工作。