35 kV架空线路避雷器安装方式的仿真研究

郝 捷，郑惠萍，薄利明，郝鑫杰，姚建国

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，太原 030001；2.江苏省电力公司检修分公司，南京210000）

35 kV架空线路避雷器安装方式的仿真研究

郝 捷1，郑惠萍1，薄利明1，郝鑫杰1，姚建国2

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，太原 030001；2.江苏省电力公司检修分公司，南京210000）

以某实际仿真线路为实例建立了上字型杆塔仿真模型，通过仿真其安装单相、两相和三相不同避雷器组合，分析了避雷器在不同安装方式下对杆塔的多重因素的影响。最终得出35 kV上字型杆塔以两边相同时安装线路避雷器防雷效果最佳。工程实践表明，研究成果应用于实际的防雷工程中具有良好的效果。

35 kV架空线路；耐雷水平；线路避雷器；ATP－EMTP

0 引言

避雷器在线路防雷中应用的越来越广泛，并取得了显著的效果。但由于避雷器造价较高，在防雷要求不高时为节约成本有时只在一相或两相安装线路避雷器[1]。笔者将从这方面对避雷器的安装方式进行仿真研究，并针对不同的安装方式对线路防雷效果的影响进行仿真分析[2－3]。

1 杆塔仿真模型的建立

35 kV架空线路中，上字型杆塔约占杆塔总数的80%以上，因此将上字型杆塔作为35 kV架空线路的研究对象具有一定的代表性。为统一标准，笔者所研究的上字型杆塔，均设B相与C相位于杆塔同侧，其中C相位于B相上方，而A相位于另外一侧[4]。

实际架空线路的各基杆塔所处地理环境不同，会造成杆塔参数有差别，笔者目的是研究线路避雷器不同安装方式对线路防雷性能的影响，因此必须屏蔽杆塔本身参数变化对研究结果造成影响。笔者使用ATP－EMTP电磁暂态软件根据实际参数建立了某实际35kV线路中的5基（2号－6号）上字型铁塔构成的防雷仿真系统，依据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620—1997）有关规定，确定35 kV线路单根导线和避雷线的波阻值为400 Ω，杆塔电感取 0.5μH/m，部分仿真模型见图1[5－6]。线路全线架设单避雷线，接地电阻和绝缘水平基本一致，其中接地电阻取10 Ω，绝缘水平采取4片XP－70瓷绝缘子配置，线路三相均不加设避雷器。呼称高均为15 m，对应的集中电感值为7.5，横担长度为2.3 m，对应的集中电感值为1.15，相邻杆塔之间的档距约为311m。

图1 线路避雷器仿真分析研究模型截图Fig.1 The model of the simulation analysis study on line arrester

该线路实际运行显示4号杆塔易受雷击，因此笔者以4号杆塔为研究对象，正常工作时其三相绝缘子串两端所承受的电压（绝缘子串横担侧对导线侧电压）为架空线路的相电压，仿真电压波形如图2所示。

图2 正常工作时导线相电压与绝缘子两端电压波形图Fig.2 Waveform of phase voltage and voltage on insulator under normal condition

图中，图注“上字型杆塔仿真模型：v：U4-D4A”表示正常运行时4号杆塔A相绝缘子两端电压波形图，“v：U4-D4B”表示4号杆塔B相绝缘子两端电压波形图，“v：U4-D4C”表示4号杆塔C相绝缘子两端电压波形图；“v：D1A”表示1号杆塔A相导线相电压波形图，“v：D1B”表示1号杆塔B相导线相电压波形图，以此类推，下同。

2 避雷器安装方式研究

2.1 避雷器安装方式对耐雷水平仿真研究

为对比不同安装方式下的线路避雷器对杆塔耐雷水平的影响，本节通过在4号杆塔加装不同组合的线路避雷器，装设的避雷器型号为YH5WX-51/134W，通过仿真分析4号杆塔耐雷水平的变化规律[7-11]。

2.1.1 未安装避雷器

通过试探法即逐次改变击中4号杆塔顶部的雷电流幅值以观察各基杆塔三相绝缘子所承受的电压波形，从而确定该杆塔的耐雷水平[12]。

当幅值分别为31 kA和32 kA的雷电流击到4号杆塔时，4号塔及相邻杆塔绝缘子串两端的电压波形如图3所示。

由图3可知，所加雷电流为31 kA时，4号塔的A、B、C三相绝缘子均未发生闪络，但其绝缘子两端所承受的电压最大值明显高于相邻杆塔3号、5号塔，而3号塔绝缘子串两端电压波形与5号杆塔基本重合，2号、6号塔绝缘子两端电压最小（图3（a）、（c）、（e））。产生这种现象的原因是雷电流除了通过杆塔自身接地装置泄放入地之外，仍有部分雷电流沿避雷线传播至其他相邻杆塔，雷电流在传播过程中存在衰减，3号、5号塔距离4号杆塔之间的档距均为311m，而2号、6号塔与4号杆塔距离较远，其衰减幅值随距离的增加而增大。

当雷电流提升至32 kA时，4号塔的A、B两相及相邻2号、3号、5号和6号杆塔三相绝缘子均未闪络，而只有4号杆塔的C相绝缘子发生闪络，其两端电压变为0，波形为一条直线（图3（b）、（d）、（f）），这是由于未发生雷击时，4号杆塔C相导线电压为负值，如图2所示，C相绝缘子承受着杆塔侧相对于导线侧为正值的相电压，且该电压值随正弦曲线逐渐升高，而A相导线电压为正值，杆塔电位相对于导线为负值，B相导线电压虽然同为负值，但其电压波形随正弦曲线逐渐上升，绝缘子承受的电压有下降的趋势。此时，雷击使杆塔电位升高，C相绝缘子两端电压差被进一步增大，从而先于A、B两相闪络。

综上所述，根据耐雷水平的定义，未安装线路避雷器时，4号塔的耐雷水平为31 kA。

图3 未安装避雷器时绝缘子串两端电压波形Fig.3 The voltage waveform of insulator string,no arresters is installed

2.1.2 安装避雷器对杆塔耐雷水平的影响

由于A、B、C三相导线在空间位置上的不同，任意一相安装线路避雷器对于线路耐雷水平与防雷效果的影响均有所不同，因此，本节将依次对单相及多相安装避雷器时的防雷效果进行仿真分析[13]。

在4号塔A相安装线路避雷器后，保持其他条件不变，通过仿真不同雷电流雷击4号杆塔，观察绝缘子串两端电压波形，从而确定其耐雷水平。仿真可知，当雷电流幅值分别为37 kA和38 kA时，4号塔及相邻杆塔绝缘子串两端的电压波形如图4所示。

由图4可知，当雷击4号杆塔雷电流为37 kA时，4号及相邻杆塔A、B、C三相绝缘子串均未发生闪络（图4（a）、（c）、（e）），同时，B、C 两相绝缘子两端电压与峰值为31 kA的雷电流击于未安装避雷器的4号杆塔时B、C绝缘子串两端电压基本相同（图4（c）、（e））。4号杆塔A相安装线路避雷器，由于避雷器的“钳电位”作用，4号塔A相绝缘子两端电压被钳制在70 kV左右，雷电流通过避雷器进入导线，通过导线流至相邻杆塔，致使相邻杆塔A相绝缘子串承受过电压（图4（a））；当雷电流提升至 38 kA 时，4 号塔未安装避雷器的C相发生闪络而其余各杆塔各相均未闪络（图4（b）、（d）、（f））。由此可知，在 A 相单相安装线路避雷器后，4号塔的耐雷水平为37 kA。同理，可以分别仿真得出在B相、C相单相安装避雷器时4号塔的耐雷水平。由于上字型排列的三相导线空间位置的不同，单基杆塔两相安装避雷器也有三种情况，根据上述仿真方法也可仿真得出多相安装避雷器时4号塔的耐雷水平，如表1所示。

图4 A相安装避雷器时绝缘子串两端电压波形Fig.4 The voltage waveform of insulator string,an arresterinstalled on phase A

表1 4号杆塔耐雷水平随避雷器安装方式变化表Table 1 Change of 4 tower lightning withstand level with different arresters installation ways

2.1.3 对比分析

根据对上字型杆塔线路避雷器不同安装方式的仿真结果，对4号杆塔的耐雷水平进行分析。从表1可以看出，在安装了线路避雷器后，杆塔耐雷水平均有所提高，且在不同的安装方式下耐雷水平的提升幅度也不尽相同。单相安装时，将避雷器安装在与上相同侧边相即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即A、C两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两相安装时区别不大。

2.2 避雷器安装方式对闪络相仿真研究

线路避雷器具有分流效应，当避雷器动作时雷电流会沿导线传播，当雷电流超过线路耐雷水平时，线路避雷器能否不造成故障扩大至关重要，因此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，本文选取峰值为50 kA（超过线路耐雷水平）的雷电流击于4号杆塔顶部，仿真分析相邻杆塔绝缘子发生闪络的规律[14-15]。

2.2.1 未安装避雷器

当幅值为50kA的雷电流击到4号杆塔时，4号塔及相邻杆塔绝缘子串两端的电压波形如图5所示。

图5 未安装避雷器时绝缘子串两端电压波形Fig.5 The voltage waveform of insulator string，no arresters is installed

由图5可知，当幅值为50kA的雷电流击到未加避雷器的4号杆塔时，3号、4号和5号杆塔的C相绝缘子发生闪络，除此之外，4号杆塔的A相绝缘子也发生闪络。这就有可能使线路产生两相接地短路故障，对供电系统造成危害。

2.2.2 安装避雷器对闪络相的影响

在4号塔A相安装线路避雷器后，保持其他条件不变，当幅值为50 kA的雷电流击到4号杆塔时，4号塔及相邻杆塔绝缘子串两端的电压波形如图6所示。

图6 A相安装避雷器时绝缘子串两端电压波形Fig.6 The voltage waveform of insulator string，an arrester installed on phase A

由图6可知，当幅值为50kA的雷电流击到A相加装避雷器的4号杆塔时，3号、4号和5号杆塔的C相绝缘子发生闪络。4号杆塔的A相绝缘子由于受到线路避雷器的保护，从而未发生闪络。同理，可以分别仿真得出在B相、C相单相以及多相安装避雷器后4号塔受雷击时发生闪络的杆塔及闪络相，如表2所示。

表2 雷击4号杆塔时绝缘子闪络相随避雷器安装方式变化表Table 2 Change of flashover phases with different arresters installation ways on tower 4

2.2.3 对比分析

根据上述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50kA的雷电流击到4号杆塔顶部时，各杆塔绝缘子发生击穿闪络情况如表2所示。

从表2中可以看出，未安装线路避雷器时，雷击4号杆塔，造成4号杆塔的A、C两相绝缘子及相邻3、5号杆塔C相绝缘子均发生闪络，将造成两相接地短路故障，线路跳闸中断供电，降低了系统可靠性。在4号杆塔单相安装避雷器后，避免了4号杆塔两相绝缘子发生闪络，但依然造成4号及相邻3、5号杆塔单相绝缘子发生闪络。在4号杆塔两相安装线路避雷器时，当上相与下一相同时（B、C和B、A）安装时，将造成相邻多级杆塔单相或两相同时发生闪络，扩大了线路中绝缘子的损坏范围，增加了两相接地短路故障发生的可能性。当下面两边相（A、C）安装线路避雷器时，只有距离较远的2号和6号两基杆塔绝缘子发生闪络。在4号杆塔三相安装线路避雷器时，与下面两边相安装避雷器情况相同，同样也只有距离较远的2号和6号两基杆塔绝缘子发生闪络，只是闪络相与A、C两相安装避雷器时有所不同。

2.3 避雷器安装方式对雷电冲击过电压仿真研究

为对比线路避雷器不同安装方式对导线雷电冲击过电压的影响，本节通过在4号杆塔加装不同组合的线路避雷器，选取峰值为31 kA（低于线路耐雷水平）的雷电流击于4号杆塔顶部，仿真分析导线中雷电冲击过电压的变化规律。

2.3.1 未安装避雷器

当雷电流为31 kA时，雷击4号杆塔，绝缘子未闪络，此时4号杆塔三相导线电压波形与未遭雷击时电压波形对比如图7所示。

图7 未安装避雷器时三相导线电压波形对比图Fig.7 Contrast waveform of three phases voltage without arresters installed

由图7可知，当幅值为31 kA雷电流击于4号杆塔，导线中产生感应过电压，其峰值最高可达120 kV以上。随着雷电流的入地和雷电波在传播过程中的衰减，导线中的过电压也随着时间变化而不断降低，最终趋于正常工作相电压。线路相电压恢复正常运行所需时间表征着线路对外界过电压的抗干扰能力。笔者选择三相导线过电压波形第一次衰减到正常工作时相电压的时间节点作为衡量导线中过电压衰减速度的指标，对线路抗雷击干扰进行分析研究。图7中，遭受雷击时三相导线过电压第一次恢复至正常工作电压的时间约为66。

2.3.2 安装避雷器对雷电冲击过电压的影响

单相安装避雷器：当雷电流为31 kA，4号杆塔A相安装线路避雷器时，雷击4号杆塔，绝缘子未闪络，此时4号杆塔三相导线电压波形与未遭雷击时电压波形对比如图8所示。

图8 A相安装避雷器时三相导线电压波形对比图Fig.8 Contrast waveform of three phases voltage with an arrester installed on phase A

由图8可知，当幅值为31 kA的雷电流击于A相安装有避雷器的4号杆塔时，雷电流通过避雷器进入导线，致使导线中产生过电压，其中A相过电压峰值最高可达300 kV以上，明显高于未加避雷器时的电压峰值，而B、C两相导线过电压峰值也较未加避雷器时高。随着雷电流的入地和雷电波在传播过程中的衰减，导线中的过电压也随着时间变化而不断降低，最终趋于正常工作相电压。

如图8所示，时间约为17时，A相导线过电压第一次恢复至正常工作电压，此时B、C相过电压峰值突然升高，其原因是避雷器两端电压减小，通流能力减弱，雷电流无法泄放至A相导线，从而增加避雷线和杆塔接地的雷电流分流，致使B、C相过电压峰值突然升高，最终趋于正常值。B、C两相导线过电压第一次恢复至正常工作电压的时间节点为34。同理，可得B、C相以及多相安装避雷器时雷电冲击过电压峰值及其衰减时间，见表3。

2.3.3 对比分析

根据上述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31 kA的雷电流击到4号杆塔顶部时，导线中雷电冲击过电压的峰值及其衰减速度如表3所示。

其过电压的峰值较小。另外，从表3中还可以看出，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，尤以A相单相安装、AC相两相安装、AB相两相安装和三相安装时，导线中雷电冲击过电压衰减效果明显。

表3 雷电冲击过电压及衰减时间随避雷器安装方式变化表Table 3 Change of lightning impulse overvoltage with different arresters installation ways on tower 4#

3 结论

笔者通过仿真研究35 kV架空线路单基杆塔上线路避雷器的安装方式，得出以下结论：

1）采用ATP－EMTP电磁暂态仿真软件计算输电线路耐雷水平、导线中的雷电冲击过电压是可行的，仿真搭建的电气模型参数可满足35 kV输电线路防雷设计需求。

2）杆塔耐雷水平的提升幅度与避雷器的安装方式有关；而当遭受超过防雷等级的雷击时，由雷电流造成的绝缘子发生闪络的杆塔和相别有所不同。实验表明：两边相安装（A、C两相）与三相安装避雷器对于杆塔耐雷水平的提升效果最佳且在杆塔遭受雷击时的绝缘子损坏范围最小；而当遭受低于防雷等级的雷击时，三相安装避雷器对于杆塔遭受雷击时导线中雷电冲击过电压的抑制效果最佳。

3）所选35 kV线路采用本方案在易受雷击部分采用两边相加装线路避雷器，既减少了工程造价，也有效提高了线路的耐雷水平和防雷能力，同时也降低了防雷措施现场实施的难度。

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Simulation Study on Arresters Installation Method for 35 kV Overhead Lines

HAO Jie1，ZHENG Huiping1，BO Liming1，HAO Xinjie1，YAO Jianguo2
（1.Electric Power Research Institute，State Grid Shanxi Electric Power Company.Taiyuan 030001，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company.Nanjing 210000，China）

The lightning protection system of 35 kV overhead lines is analyzed.Based on the model of ‘shang’ shaped towers，through the simulation of the installation of single－phase，two－phase and three－phase lightning arrester combination，the different impact of the installation on the lightning withstand level，flashover phases of insulators and lightning impulse overvoltage are analyzed.The results show that installing line arresters on three phases or two side phases is the best choice.Engineering practice shows that the research results have a good effect in the actual lightning protection engineering.

overhead line；lightning withstand level；line arrester；ATP－EMTP

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.020

2016－04－05

郝 捷（1988—），男，硕士，主要从事工作电网系统分析。