110 kV架空线路避雷器安装方式仿真研究

董新伟，张晓文，刘丽丽

（1.中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116；2.徐州工程学院，江苏 徐州 221018）

110 kV架空线路避雷器安装方式仿真研究

董新伟1，张晓文1，刘丽丽2

（1.中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116；2.徐州工程学院，江苏 徐州 221018）

简单介绍了110 kV输电线路的防雷措施，重点应用PSCAD软件进行仿真建模，模拟雷击杆塔情况，分析研究易击杆塔及附近多基连续杆塔线路避雷器的安装位置对线路耐雷水平、绝缘子串闪络相以及导线中雷电冲击过电压的影响。仿真结果表明，不同的线路避雷器安装方式下，线路的耐雷水平提升变化不尽相同；高于线路最高耐雷水平10%的雷电流造成的绝缘子发生闪络的杆塔和相别有所不同；低于线路最低耐雷水平10%的雷电流造成导线中的雷电冲击过电压峰值和衰减速度均有所不同。结合线路避雷器造价高、工程量大以及实用性，在实际应用中对于110 kV上字型杆塔建议采用两边相安装线路避雷器来提高其防雷效果。

110 kV输电线路；安全运行；PSCAD；避雷器；耐雷水平

0 引言

在110 kV输电线路运行使用中，雷电是其可靠性和安全性的最关键影响因素[1]。在我国架空输电线路中，110 kV电压等级占有重要的地位，一旦其因为遭受雷击而造成电气故障，带来的后果会很严重，所以有必要对110 kV架空输电线路进行防雷技术研究，提高其防雷安全性能，既可以防止线路及线路上的设备因雷击受到损坏，还能使变电站和发电厂的安全运行得到保障，从而可以减少电力系统中的雷害事故并减少所引起的电量损失，提高电力系统的供电可靠性。

1 110 kV输电线路常用防雷措施

1.1 降低杆塔接地电阻

降低杆塔的接地电阻有助于提高线路的耐雷水平，当输电线路遭到雷击时，随着接地电阻的减少，杆塔的电位也会随之减少，从而使得绝缘子两端的电压减少。在我国现有的常用防雷措施中，降低杆塔的接地电阻是最经济的方式，也是最优先考虑的方式[2]。

1.2 加强线路绝缘

绝缘子是输电线路中的重要设备之一，无论是雷击大地、雷击避雷线、雷击导线还是雷击杆塔，均有可能在绝缘子两端产生过电压。对于绝缘子，可以通过分别增多其片数和其长度来提高输电线路的耐雷水平[3]。一是增多绝缘子的片数，也就增强了绝缘子抵抗雷电的作用，从而增加了其抵抗雷电过电压的能力；二是通过加大绝缘子的长度来降低保护角，有助于避雷线的屏蔽保护。

1.3 安装线路避雷器

高土壤电阻率、地形复杂地区的杆塔接地电阻很大，也不容易降低，此时，除了上边提及的通过加强绝缘的方法来提高耐雷水平外，还可以考虑加装线路避雷器。线路避雷器有两个作用：一是被保护输电线路线段内的杆塔遭受雷击时，保证被保护线段内的绝缘子不发生闪络；二是被保护线段外，与安装避雷器相近的杆塔遭受雷击时，保证被保护线段内的绝缘子不发生闪络。

1.4 架设耦合地线

耦合地线可以有效提高导线与导线之间以及导线与避雷线之间的耦合系数，同时雷电流在流经杆塔时也可以沿除避雷线之外的耦合地线向两侧分流，降低绝缘子串两端的过电压，提高线路耐雷水平[4]。

1.5 架设避雷线

110 kV线路一般沿全线架设避雷线，在雷电活动特殊强烈地区，宜架设双避雷线。避雷线可以使导线避免遭受直击雷，同时，利用避雷器的分流作用，可以减少流经杆塔的雷电流；利用避雷线的耦合作用，可以降低绝缘子串上的电位；利用避雷线的屏蔽作用，可以降低导线上的感应过电压。可见线路上架设避雷线是提高线路耐雷水平的主要措施。

2 110 kV上字型杆塔线路避雷器安装方式研究

在常见的110 kV架空线路中，上字型杆塔广泛应用于直线和转角杆塔来完成输电任务[2]。其三相导线的空间位置不同，避雷器的安装方式是否会对其防雷相关参数产生影响是未知数，所以选择110 kV上字型杆塔架空线路作为防雷仿真的研究对象有一定的研究意义。

笔者所采用的避雷器型号为HY10WX-100/260，具体参数如表1所示。

表1 避雷器相关参数Table 1 Parameters of lightning arrester

为统一标准，该研究的上字型杆塔，均假定B相与C相位于杆塔同侧，其中B相位于C相上方，而A相位于另外一侧[5]。据此建立了5基同样参数的110ZS1-21型号上字型铁塔构成的110 kV线路防雷仿真系统，仿真模型部分截图如图1所示。

5基上字型铁塔的三相导线按上字型排列，线路全线架设单避雷线，接地电阻和绝缘水平均设为一致，为保证系统耐雷水平不低于国家标准，其中冲击接地电阻取10 Ω，绝缘水平采取8片FC-100/146型玻璃绝缘子，线路杆塔三相均不加设避雷器。杆塔的呼称高均设为21 m，单位集中电感为0.5 μH/m[6]，相邻杆塔之间的档距为300 m。

2.1 避雷器安装方式对耐雷水平的仿真研究

为研究线路避雷器不同安装方式对杆塔耐雷水平的影响，通过在中间杆塔加装不同组合形式的线路避雷器，探究分析中间杆塔耐雷水平的变化规律，应用试探法（下同）逐次改变击到中间杆塔顶部的雷电流幅值，然后观察中间以及相邻杆塔绝缘子串两端电压波形，从而确定该塔的耐雷水平。

通过对未安装线路避雷器、单相安装、两相安装及三相安装几种情况进行仿真，整理出如表2所示中间杆塔的耐雷水平。

从表2中可以看出，在不同安装方式下安装线路避雷器后，杆塔耐雷水平均有所提高，且耐雷水平的提升幅度不尽相同。单相安装时，将避雷器安装在与B相同相的下边相（C相）比安装于其他两相时的耐雷水平提升幅度大。两相安装时，将避雷器安装在下侧两边相（A相、C相）优于其他两种安装方式。而三相安装线路避雷器时，耐雷水平提升幅度与下侧两边相安装时差别不大。

综上所述，根据避雷器不同的安装方式对线路耐雷水平的影响，并且考虑经济实用性，可得出如下结论：下面两边相（A相、C相）安装线路避雷器对于110 kV上字型杆塔是最佳选择。

图1 仿真模型部分截图Fig.1 Part of the simulation model screenshot

表2 中间杆塔耐雷水平随避雷器安装方式变化表Table 2 The middle tower lightning withstand level with different arresters installation ways

2.2 避雷器安装方式对闪络相的仿真研究

线路避雷器发生动作后会有分流效应，这样会导致雷电流沿导线传播，当雷击电流超过线路耐雷水平时，观察相关杆塔绝缘子串的闪络情况，对于防止故障扩大有着重要意义。为对比避雷器安装方式对各基杆塔绝缘子发生闪络的影响，本节选取峰值为94.6 kA（高于线路最高耐雷水平10%）的雷电流击于中间杆塔顶部，仿真分析其本身以及相邻杆塔绝缘子的闪络情况。

通过对上字型杆塔线路避雷器不同安装方式的仿真结果，当幅值为94.6 kA的雷电流击到中间杆塔顶部时，中间杆塔绝缘子发生击穿闪络情况如表3所示。

从表3中可以看出，未安装线路避雷器时，雷击中间杆塔时，中间杆塔两相绝缘子串发生闪络，增加了两相接地短路故障发生的可能性；单相安装避雷器后，中间杆塔有单相和两相绝缘子串发生闪络的情况；A相、B相和B相、C相两相分别安装线路避雷器时，中间杆塔也均有单相绝缘子串发生闪络；下面两相（A相、C相）和三相安装线路避雷器时，中间杆塔三相绝缘子串均未发生闪络。

综上所述，在不同的线路避雷器安装方式下，当高于耐雷水平10%的雷电流击到中间杆塔时，根据其各相绝缘子的闪络情况，并且考虑经济实用性，可得出以下结论：下面两边相（A相、C相）安装线路避雷器对于110 kV上字型杆塔是最佳选择。

表3 雷击中间杆塔时绝缘子闪络相随避雷器安装方式变化表Table 3 Change of flashover phases with different arresters installation ways on the middle tower

2.3 避雷器安装方式对雷电冲击过电压仿真研究

雷电流击到杆塔塔顶后会通过避雷器泄放到导线上，此时导线出现冲击过电压。为对比分析不同安装方式下的线路避雷器对雷击冲击过电压产生的影响，本节将在中间杆塔加装不同组合的线路避雷器，选取峰值为48.6 kA（低于线路最低耐雷水平10%）的雷电流击于其顶部，仿真分析三相导线雷电冲击过电压的变化，得到幅值48.6 kA（各相绝缘子串不闪络）的雷电流击于中间杆塔顶部时导线中雷电冲击过电压的峰值及其衰减速度如表4所示。

从表4可以看出，在安装了线路避雷器后，由于避雷器的分流作用，雷电流经避雷器进入导线，从而使导线中的雷电冲击过电压明显升高，不同的安装方式下，雷电冲击过电压的峰值有所差别。在安装避雷器的情况下，AC两相安装线路避雷器时，其导线中雷电冲击过电压的峰值较小。另外，还可看出避雷器的安装均能有效减少雷电冲击过电压载导线中的衰减时间，使导线中的雷电冲击过电压能较迅速地降到工作电压值，最终趋于正常，其中，A相、AB两相、AC两相、BC两相和三相安装时，导线中雷电冲击过电压衰减速度明显。综上所述，根据线路避雷器不同的安装方式对导线中雷电冲击过电压的影响，可得出如下结论：三相安装避雷器对于110 kV上字型杆塔是最佳选择。

表4 雷电冲击过电压及衰减时间随避雷器安装方式变化表Table 4 Change of lightning impulse overvoltage with different arresters installation ways on middle tower

3 结语

通过仿真手段，对110 kV上字型杆塔单基杆塔上线路避雷器的安装方式对耐雷水平、绝缘子串闪络相和导线中雷电冲击过电压等方面的防雷效果影响进行研究。仿真结果表明，不同的线路避雷器安装方式下，线路的耐雷水平提升变化不尽相同；高于线路最高耐雷水平10%的雷电流造成的绝缘子发生闪络的杆塔和相别有所不同；低于线路最低耐雷水平10%的雷电流造成导线中的雷电冲击过电压峰值和衰减速度均有所不同。结合线路避雷器造价高、工程量大以及实用性，在实际应用中对于110 kV上字型杆塔建议采用两边相安装线路避雷器来提高其防雷效果。

[1]宫杰.输电线路防雷研究与设计[D].北京：华北电力大学，2008.

[2]王益军.深圳电网高压输电线路综合防雷措施探讨及其雷电定位系统的应用[D].南京：河海大学，2006.

[3]谭湘海.输电线路的防雷设计[D].长沙：湖南大学，2004.

[4]唐林.江津35 kV线路防雷新技术应用研究[D].重庆：重庆大学，2004.

[5]刘建华，李鹏飞，庞乐乐，等.提高35 kV架空输电线路反击耐雷水平的仿真优化分析[J].电瓷避雷器，2015（1）：110-114.LIU Jianhua，LI Pengfei，PANG Lele，et al.Simulation analysis on improving the strike back lightning withstanding level of 35 kV overhead[J].Electromagnetic Arrester，2015（1）:110-114.

[6]史利.35 kV架空线路感应过电压研究[D].青岛：中国石油大学，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

董新伟 （1971—），男，副教授，研究方向：智能电器、电气安全方面的研究工作。