避雷器改善35kV配电线路耐雷水平的效果

1 引言 随着工农业的发展，对输配电线路供电可靠性要求越来越高。停电不仅影响设备的正常工作，而且将极大地影响人们的正常生活。然而，随着电力系统的发展，由于雷击输配电线路而引起的事故也日益增多[1]。例如，根据电网故障分类统计表明，在我国跳闸率比较高的地区，高压线路运行的总跳闸次数中，由雷击引起的次数约占40～70％，尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击输配电线路引起的事故率更高[2]，这将给社会带来巨大的经济损失。 为了减少输配电线路的雷击故障，采用了各种措施，如减小避雷线的屏蔽角、提高线路绝缘水平、降低杆塔接地电阻、多重屏蔽、双回线路采用不平衡绝缘等[3]。但采用减小屏蔽角的方法将受到杆塔结构的限制，提高绝缘水平将增加线路造价。自1980年开始，国外开展了应用避雷器来降低线路雷击事故的研究，并已成功地将避雷器应用到输配电线路上[4]-[6]。我国也已研制出10～500kV的线路避雷器，并已大量应用于输配电线路的雷电防护[7]。国内已对110kV及以上有避雷线的输电线路采用线路避雷器后的防雷效果进行了详细的分析[8]-[13]，但对无避雷线的35kV线路采用线路避雷器后的防雷效果目前还没有系统的研究。 35kV 配电线路纵横延伸，地处旷野，雷击线路造成的跳闸事故在电网总事故中占有很大的百分比。同时，雷击线路时自线路入侵变电所的雷电波也是威胁变电所的主要因素，因此，对线路的防雷保护应予充分重视[14,15]。本文采用电磁暂态计算程序（EMTP）研究了35kV线路采用金属氧化物避雷器后，在雷击杆塔时和雷击线路情况下的保护效果。 2 分析条件 计算选用的35kV配电线路杆塔为无拉线钢筋混凝土单杆，如图1所示。杆塔波阻抗为250，电感平均值为0.84μH/m。雷击杆塔时，雷电流流经杆塔通过杆塔接地装置流散到地中。在雷电流的作用下，接地装置的接地电阻呈现暂态电阻特性，用冲击接地电阻来表征。冲击接地电阻不同于工频接地电阻，它是土壤电特性、接地装置形状和埋深以及雷电流的函数。在计算中，一般杆塔的冲击接地电阻取为10，而对于山区，特别是岩石地区的杆塔冲击接地电阻要高得多。为了研究杆塔冲击接地电阻的影响，在计算时，使冲击接地电阻在5～100的较大范围内变化[16]。 图 1 计算用线路杆塔 图2为雷击杆塔时波过程的计算示意图。金属氧化物避雷器和悬式绝缘子并联安装，避雷器的额定电压为42kV。 图 2 雷击杆塔时波过程的计算示意图 计算所用线路避雷器的型号为YH5CX-42/120，表1与表2 分别是避雷器本体的电气参数和伏安特性。 3 杆塔冲击接地电阻对耐雷水平的影响 线路的耐雷水平是保证绝缘子不发生闪络所能承受的最大雷电流（当杆塔塔顶电压与导线上的感应电压的差值超过绝缘子串的50％放电电压时，绝缘子发生闪络[17] - [19]）。金属氧化物避雷器安装的目的就是基于提高线路的耐雷水平[20]。因此，在输配电线路上装设金属氧化物避雷器必须达到两个目的： 1）被保护线段内雷击时，保证被保护线段内绝缘子不发生闪络； 2）被保护线段外雷击时，保证被保护线段内绝缘子也不发生闪络。 有、无避雷线的35kV配电线路，当雷击0号塔时，在线路上装设不同方案的避雷器，线路耐雷水平与杆塔冲击接地电阻的关系如图3(a)、(b)所示。计算时所有杆塔冲击接地电阻均取同值。 （a）有避雷线线路 （b）无避雷线线路 图3 耐雷水平和杆塔冲击接地电阻的关系 从图3中可以看出，无论线路是否有避雷线，是否装有避雷器，线路的耐雷水平均随杆塔冲击接地电阻增大而减小。同一杆塔冲击接地电阻下，装设了避雷器的线路耐雷水平较无避雷器时高，提高程度与装设的避雷器组数有关。装设一组避雷器时，当冲击接地电阻在5~100的范围时，耐雷水平虽可提高到1.2~1.6倍（有避雷线线路），1.5~2倍（无避雷线线路），但仍然很低，尤其是在高接地电阻情况下。装设三组避雷器时，即在相邻的1、2号杆塔再各装一组金属氧化物避雷器，有、无避雷线的线路的耐雷水平分别可以提高到2~4.4倍和3~5.5倍。装设五组避雷器时，各冲击接地电阻下的耐雷水平都有很大幅度的提升，无避雷线的线路的耐雷水平可提高到4~7.5倍；有避雷线时更为明显，可达5.6~9.8倍。另外，当接地电阻大于20时，线路耐雷水平随冲击接地电阻增大而下降的陡度变缓，原因是冲击接地电阻虽然直接决定了雷击杆塔塔顶电位的高低和雷电流分流大小，但是避雷器的分流钳位作用使塔顶电位与导线电位接近，接近的程度与冲击接地电阻无关，从而减小了冲击接地电阻的影响。 比较图3(a)和(b)可以得出，在各种加装避雷器方案下，冲击接地电阻相同时，有避雷线线路的耐雷水平均比无避雷线时高。原因在于避雷线为雷电流提供了新的流散通道，从而提高了线路耐雷水平。 表3(a)和(b)分别为有、无避雷线的线路，在雷击0号杆塔时，没有装避雷器和装一组、三组和五组避雷器时线路的耐雷水平和被击杆塔冲击接地电阻的关系。表中“1组（0#塔）”表示在0号塔上安装一组避雷器。计算时，除0号杆塔外，其余杆塔的冲击接地电阻均取为10，主要分析被击杆塔的冲击接地电阻对线路耐雷水平的影响。 对于有避雷线的配电线路，通过比较图3（a）和表3（a）可以发现，不装避雷器和装一组避雷器时，线路耐雷水平与冲击接地电阻取为同值时差别不大，也就是说，此时耐雷水平主要取决于雷击杆塔的冲击接地电阻，受其他杆塔的冲击接地电阻的影响较小；但当装设三组和五组避雷器时，线路耐雷水平较冲击接地电阻取为同值时明显增大，尤其是在接地电阻较大的情况下，例如，冲击接地电阻同样是在40~100的范围变化时，这种情况下的耐雷水平是接地电阻取为同值时的2~3.9倍（装三组避雷器）和2.4~4.8倍（装五组避雷器），因此，此时线路耐雷水平不仅受被击杆塔的冲击接地电阻的影响，还受其它杆塔冲击接地电阻的制约。 而比较表图3（b）和表3（b）可以得出，对于无避雷线的线路，这种情况下的耐雷水平与冲击接地电阻取为同值时完全相同，也就是说，耐雷水平主要取决于雷击杆塔的冲击接地电阻，其他杆塔的冲击接地电阻的影响很小，可以忽略。 4 雷击线路时的耐雷水平 图4（a）和5（b）分别为有、无避雷线的配电线路，在加装不同组避雷器方案下，当雷击两杆塔之间线路不同位置时线路的耐雷水平变化曲线图。雷击0号杆塔与1号杆塔之间，档距为200m。计算中所有杆塔冲击接地电阻均为10。 （a）有避雷线 （b）无避雷线 图4 雷击两杆塔之间线路不同位置时线路的耐雷水平 从图4中可以看出，没有装设避雷器时，配电线路耐雷水平不受雷击位置的影响，并且耐雷水平很低，仅为2.6kA（有避雷线）和2.5kA（无避雷线），远低于雷击杆塔塔顶情况下的38.4 kA和24.9 kA。当0号杆塔安装一组避雷器时，耐雷水平随雷击点离0号杆塔的距离的增大而降低，雷击在1号杆塔处时的耐雷水平最低，只有2.7kA（有避雷线）和2.6kA（无避雷线），与0号杆塔无避雷器时的计算值几乎没有差别。当0、1号杆塔各安装一组避雷器时，有无避雷线的配电线路的耐雷水平沿线分布曲线均以档距中央为对称轴分布，与只在0号杆塔安装避雷器时比较，耐雷水平均有明显的提高，在雷击档距中央线路时，耐雷水平最高，达43.2 kA和33.8 kA。因此，通过对有无避雷线的35kV的配电线路的模拟计算，可以得出，在没安避雷器情况下，在雷电流大于2.6kA和2.5kA的时将发生闪络，采用避雷器来增大雷击于导线时的耐雷水平是很重要的。 另外，对于有避雷线的配电线路，避雷线的保护也不是绝对的，而是有一定的绕击率。当雷电流大于某一值，将不会发生绕击，雷电流较小时，则绕击的可能性增大。下面用绕击几何分析模型求这一临界雷电流幅值Ik，与Ik对应的击距称为临界击距rsk。首先，根据公式（1）算出临界击距rsk[21]： 式中hb为避雷线的高度，hd为导线的高度，为保护角。 根据35kV配电线路杆塔参数可以求得此时A相导线下的临界击距rAsk为25.5m，B相导线下的临界击距rBsk为16.7m（C相与之相等）。根据公式（2）[21]，可以分别求出与之相应的雷电流幅值，IAk为5.5kA，IBk为3.1 kA。因此在低于5.5kA的雷电流作用下很可能会发生绕击。 根据如图4(a)对35kV的有避雷线的配电线路的模拟计算结果，可以得出，在不装避雷器的情况下，线路耐雷水平只有2.6kA，很可能发生绕击闪络，只在0号塔上装避雷器，也很难避免。如果绕击点为0号杆塔，再在1号塔加装一组避雷器，耐雷水平可提高到25 kA以上，可完全保护配电线路免于绕击闪络。 5 结论 （1）对于有避雷线的35kV配电线路，装设一组、三组、五组避雷器，耐雷水平最高可分别提高到1.6倍、