双回配电线路直击雷雷击导线过电压传播特性研究

陈 鹏，金 杨，林万成，曾繁杰

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.广东电网有限责任公司云浮供电局，广东 云浮 527300）

0 引 言

10 kV配电线路以架空线路居多，供电范围广，受到地形、用户密集程度以及线路走廊等多方面限制，双回线路同杆架设情况较多[1-2]。架空配电线路故障70%以上是雷击事故造成的[3-4]。国内学者近年对配电线路各种防雷措施的研究均有开展[5-6]，主要集中在感应雷过电压方面[7-8]，对直击雷的研究相对较少。一般认为雷电感应过电压会造成绝缘子闪络，较小的直击雷电流也可造成绝缘子闪络。配电线路一旦遭受直击雷，产生的过电压幅值非常高，将造成严重的雷害事故[9]。因此，对双回不同长度的配电线路直击雷过电压和防雷特性进行对比分析，可以指导不同类型配电线路的防雷改造，对配电线路的防雷具有重大意义。

本文针对10 kV双回配电线路开展全线杆塔ATPEMTP建模，分析双回配电线路直击雷雷击导线过电压传播特性，研究杆塔在3 kA、10 kA、30 kA雷电流时各相线路上电压的沿线波形特性并进行比较，总结配电线路导线遭受雷电直击绝缘子闪络后的电压传播特性。

1 双回配电线路计算模型

本文计算模型参数根据“南方电网标准设计和典型造价平台”《国家电网公司配电网工程典型设计》[10]和DL/T5220-2005《10 kV及以下架空配电线路设计技术规程》[11]，选取JL/G1A钢芯铝绞线作为裸导线线路的导线。基于我国南方地区全年气温-10～40 ℃、覆冰少、风速较大等气候特征，选取最大安全系数情况下的导线。计算选用JL/G1A-240/30型导线，档距设置70 m，计算平均弧垂值1.562 m。在ATP-EMTP中采用LCC元件模拟，仿真时根据精度需要，选用J.Marti线路模型。该模型能直接计算架空避雷线与相导线之间的耦合和大地回路的趋肤效应，简化了计算步骤。

配电线路受到地形、用户密集程度以及线路走廊等多方面的限制，线路长度变化较大。为了减少线路走廊，配电线路通常采用双回线路同杆架设。本文建立的双回配电线路模型，如图1所示。电能从变电站处发出经过一段电缆送至架空线路，在电缆和架空线路的连接处设有避雷器保护；架空线路终端有配电变压器，配电变压器处设有避雷器保护。双回线路采用3层横担双垂直排列，横担采用角钢横担HD-75/09-230，杆塔图如图2所示。全线架空线路长5 km，其中电缆长200 m，1.5 km线路有23个杆塔，3 km线路有44个杆塔。在软件ATP-EMTP中建立仿真计算电路，线路杆塔编号从首端至线路末端依次为1～67号。我国常规10 kV配电线路大多没有架设避雷线。在没有架设避雷线的情况下，配电线路导线与杆塔易遭受雷电直击。图3为雷击导线时双回线路示意图。

图1 双回配电线路计算模型

图2 杆塔

2 雷击导线时过电压传播特性分析

2.1 雷击导线绝缘子电压

雷电流直击在1.5 km双回线路11、12号杆塔之间档距中央的1A相导线上，双回线路对称分布，1A相和2A相导线被击概率相同。本文考虑雷击在档距中央1A相导线，以下列举11号杆塔分别在3 kA、10 kA、30 kA雷电流时的绝缘子电压波形，分别如图4、图5和图6所示。

图3 雷击导线时双回线路示意图

图4 中雷电流大于3 kA后，11杆雷击相（1A）绝缘子发生闪络；雷电流3 kA时，闪络时刻约为0.97 μs。图5中雷电流大于10 kA的绝缘子闪络时间较雷电流大于3 kA时有所提前。图6中，雷电流30 kA以上时电压波形有针尖状突出。当双回线路同一水平线上某一相已经发生闪络后，绝缘子两端电势差为0；另一相发生闪络时，已经闪络的一相绝缘子电压突然升高而后为0，杆塔多相绝缘子发生闪络雷电流。非雷击相绝缘子电压波形分3个部分与单回线路相同：耦合的雷击相同极性波形；塔底反射波；雷电流上升杆塔电位升高引起的绝缘子电压反向升高。当雷击相未发生闪络时，杆塔电位高于导线电位，绝缘子电压为正。一旦雷击相发生闪络，则杆塔电位升高，杆塔电位高于导线电位，非雷击相电压极性反向。非雷击相梯形状波形来自杆塔底部的发射波叠加产生。当雷击相绝缘子发生闪络时，雷电波传到杆塔底部后，经过相同时间发射回杆塔顶部，从而影响绝缘子两端电压波。

图4 3 kA雷电流

图5 10 kA雷电流

2.2 雷电流3 kA时沿线波形特性

图7 为3 kA雷电流直击1.5 km双回线路中央导线时雷击相（1A相）和与雷击相紧邻的两非雷击相（1B相、2A相）沿线电压波形以及未发生闪络的10号杆塔三相绝缘子电压波形。雷电流3 kA时，线路仅11、12号杆塔发生闪络，沿线电压波形形状清晰，可以明显看到首端反射波叠加和闪络杆底发射波造成的波形变化。

图6 30 kA雷电流

（1）图7（a）虚线处为首端发射波到达2号杆塔时对波形的叠加时刻。雷击相与非雷击相电压波形到达时间规律和幅值规律与单回线路相同，非雷击相电压幅值衰减更明显，相同雷电流下单回线路非雷击相衰减在10 kV以内。图7（b）和图7（c）中1B相正向幅值从10号杆塔的约95 kV到2号杆塔约65 kV，1A相正向幅值从10号杆塔约75 kV到2号杆塔约48 kV，都相差30 kV左右。

图7 3 kA雷电流时线路电压波形

（2）图7（d）所示的S部分波形变化与图7（b）所示波形原因相同，为11号杆塔闪络后杆塔底部反射波影响。

2.3 雷电流10 kA时沿线波形特性

图8为10 kA雷电流直击1.5 km双回线路雷击相与非雷击相过电压波形以及闪络的10号杆塔三相绝缘子电压波形与未闪络的9号杆塔绝缘子电压波形。

（1）观察沿线波形可发现，首端反向发射波虽然波形大致形状仍与传播来的波形相似，但是发生了一定变形，2号杆塔雷击相绝缘子两端电压幅值较低，首端反射波的叠加影响了线路过电压幅值的升高部分。

（2）雷击相波形在11号杆塔底部的发射波影响后，由于雷电流增大，接地泄流不理想，杆塔底部电压升高，沿线波形都有一个电压缓慢升高的过程，使得10号杆塔雷击相绝缘子发生闪络，两杆塔泄流使得线路电压得以控制而降低，其他杆塔不再闪络。

（3）10号杆塔闪络，杆塔底部的反射波相对于11号杆塔底部反射波较弱，在9号杆塔绝缘子电压波形中也有反映，如图8（e）中的S'部分。

图8 雷电流10 kA时线路电压波形

2.4 雷电流30 kA时沿线波形特性

图9 为30 kA雷电流直击1.5 km双回线路雷击相与非雷击相沿线电压波形以及8、9、10、11号杆塔三相绝缘子电压波形。

图9 雷电流30 kA时沿线波形

（1）相比于雷电流10 kA和3 kA时，1B相电压幅值小于2A相电压幅值。如图9（e）中标注的1、2、3处波形变化，表明图7（d）所标的S段波形增多，雷电流的增加幅值较大，由闪络杆塔底部的反射波增多形成。

（2）图9（d）中10号杆塔1A、2C相发生了闪络，图9（e）中9号杆塔雷击相1A未发生闪络而非雷击相2A相发生了闪络，图9（f）中8号杆塔仅2A相和2C相发生了闪络。当雷电流足够大，使得雷击点附近杆塔发生多相闪络时，闪络杆的附近杆非雷击相也会发生闪络，雷击相反而不发生闪络。

3 结 论

（1）线路直击雷过电压波形由3部分组成：①雷电流通过线路引起的导线电位升高；②绝缘子闪络后传播至杆塔底部电压波反射回导线的塔底发射波；③电压波传播至线路首端后反射至观测点的首末端发射波。雷击导线时，闪络杆塔底部的反射波会影响沿线杆塔的电压波形。

（2）雷电流大于3 kA后，11杆雷击相（1A）绝缘子发生闪络；雷电流大于10 kA绝缘子闪络时间较雷电流大于3 kA时有所提前；雷电流30 kA以上时，电压波形有针尖状突出，杆塔多相绝缘子发生闪络雷电流；当双回线路同一水平线上某一相已经发生闪络后，绝缘子两端电势差为0；另一相发生闪络时，已经闪络的一相绝缘子电压突然升高而后为0。