10kV线路穿刺型避雷器安装配置方式实验与仿真研究

梁开旺 冯 珊

10kV线路穿刺型避雷器安装配置方式实验与仿真研究

梁开旺 冯 珊

（云南电网有限责任公司昭通供电局，云南 昭通 657000）

穿刺型避雷器是目前10kV架空线路使用数量最多的避雷器类型，其安装位置及安装密度直接影响线路的防雷效果。本文通过实验及仿真研究穿刺型避雷器的最优安装配置方式：结合P—15针式、PS—20柱式两种典型10kV线路绝缘子，开展雷电冲击放电实验工作，研究安装位置对放电路径的影响；基于ATP-EMTP软件建立感应雷过电压计算模型，分析不同避雷器安装密度下的感应雷耐雷水平变化情况。研究结果表明，避雷器的穿刺电极中轴线到绝缘子中轴线的距离不得低于300mm，对应的避雷器外串联空气间隙宜调整为120mm。建议在安装避雷器的同时将绝缘子更换为PS—20柱式绝缘子，安装密度以隔基安装三相为宜。实际线路运行效果验证了仿真结论，按照上述原则改造后的线路实际雷击跳闸率下降75%左右。

穿刺型避雷器；安装配置方式；放电路径；感应雷；安装密度

0 引言

10kV架空线路绝缘水平低、基本不配置避雷线、大部分电杆自然接地，故耐雷水平较低，雷击跳闸故障频繁，雷击已成为10kV架空线路跳闸故障的主要原因之一[1-2]。用于10kV架空线路防雷的措施众多[3]，如放电间隙[4]、防雷绝缘子[5]、多腔室吹弧防雷装置[6-7]、接闪器[8]，目前使用数量最多的防雷措施为避雷器，特别是穿刺型避雷器，由于安装方便、间隙可调，可有效截断工频续流，其在10kV架空线路中得到了广泛应用，安装数量庞大。但在实际应用中，穿刺型避雷器仍存在以下问题：①安装位置不当，间隙放电位置偏移，导致避雷器不能有效动作；②安装密度不当，导致线路整体耐雷水平提升有限。因此，对10kV线路穿刺型避雷器的安装配置方式开展研究，对提升配电网防雷性能具有重要意义。

目前对10kV线路避雷器的安装配置方式，国内外开展了部分研究。文献[9]仿真分析了在不同接地条件下只安装单相避雷器对同基其他相绝缘子的影响及只安装一级对相邻级绝缘子的影响，并提出接地电阻的安装要求；文献[10]分析不同避雷器类型、不同杆塔冲击接地电阻及雷击位置等对避雷器防护效果的影响并分析其保护范围，提出需要每隔6～8基杆塔安装一组避雷器的建议；文献[11]对比分析采用避雷线和避雷器对线路感应过电压的防护效果，得出避雷器抑制过电压效果更为明显的结论；文献[12]计算避雷器安装间距与线路闪络降低百分数之间的关系曲线，建议每隔300m装一组避雷器。上述研究为避雷器的安装配置方式提供了参考，但仍存在较大的局限性：①10kV线路以遭受感应雷为主，雷击会导致附近的杆塔均可能发生雷击闪络，未加装避雷器的杆塔会成为雷击薄弱点，线路雷击跳闸风险依然较高，安装密度问题仍有待继续优化；②10kV线路避雷器大部分都带有串联空气间隙，其防雷效果与安装位置关系密切，放电间隙距离调节、金具安装位置均成为防雷效果的关键影响因素。

本文首先开展穿刺型避雷器雷电冲击放电实验，分析避雷器安装方式对放电路径的影响；然后基于ATP-EMTP电磁暂态程序建立安装有避雷器的10kV线路雷击过电压仿真模型，对避雷器不同密度配置方式下的耐雷水平进行对比分析；最后综合实验及仿真结果，提出10kV线路穿刺型避雷器最优安装配置方式。

1 实验研究

1.1 实验样品

实验选用两种典型10kV绝缘子：P—15针式绝缘子和PS—20柱式绝缘子。干弧距离分别为16cm、20.8cm，如图1所示。选用的穿刺型避雷器型号为YH5CX—13/40，如图2所示，其主要技术参数见表1。穿刺电极外串间隙避雷器的高压穿刺电极挤压穿透导线绝缘层接触芯线，将导线电位引出，避雷器本体高压端设置一个半球电极，高压穿刺电极与半球电极构成串联空气间隙。

图1 实验用典型绝缘子

图2 穿刺型避雷器

表1 YH5CX—13/40型穿刺型避雷器技术参数

1.2 实验布置

根据DL/T 1292—2013《配电网架空绝缘线路雷击断线防护导则》中实验内容进行布置。绝缘子固定在高度不小于1m的绝缘支柱顶端，绝缘子钢脚有效接地，采用的绝缘导线型号为JKYJ—150，绝缘导线中部固定在绝缘子顶部的沟槽之中。安装穿刺电极外串间隙避雷器时，需要注意穿刺电极中轴线到绝缘子轴线距离取值是否合适，在实验中需进行调整。冲击电压发生器或工频电压发生器引出的高压引线加在模拟导线上，与模拟导线任一侧端部电气相连。示波器接在与冲击电压发生器配套的分压器信号输出口，具体的实验布置如图3所示。

图3 实验布置

1.3 实验结果

在实验过程中不断调整间隙的长度，直到避雷器的正负极性50%放电电压分别为绝缘子正负极性50%放电电压的70%～80%之间时认为满足保护性能要求。按照该原则，实验最终确定穿刺型避雷器配合不同绝缘子时，对应合适的间隙下正负极性50%雷电冲击放电电压见表2，避雷器保护绝缘子时的闪络放电路径如图4和图5所示。

表2 穿刺型避雷器对应间隙的雷电冲击放电电压

图4 穿刺型避雷器保护P—15绝缘子的闪络放电路径

实验过程中发现如下现象：如果穿刺电极中轴线到绝缘子中轴线的距离过短，以及避雷器外串间隙距离过大，可能会出现两种异常放电现象，一种放电路径是从穿刺电极导弧角开始对绝缘子底座放电，如图6所示；另一种放电路径是从穿刺电极内部金属部件开始沿着绝缘导线外表面对绝缘子捆线放电，然后将绝缘子击穿，如图7所示。这两种异常放电均没有通过避雷器泄流，实际安装中必须避免出现此两种情况。经过多次实验，当调节穿刺电极中轴线到绝缘子中轴线的距离大于等于300mm，且间隙距离合适时，则不会出现异常放电现象。

图5 穿刺型避雷器保护PS—20绝缘子的闪络放电路径

图6 穿刺型避雷器异常闪络路径1

图7 穿刺型避雷器异常闪络路径2

在选定的固定间隙长度下对穿刺型避雷器进行正负极性雷电冲击伏秒特性实验，并根据实验结果拟合出绝缘子、避雷器正负极性雷电冲击伏秒特性曲线分别如图8和图9所示，即穿刺型避雷器用于保护两种绝缘子时及该绝缘子的正负极性伏秒特性曲线，由图可见，穿刺型避雷器与PS—20型绝缘子的伏秒特性曲线配合明显优于P—15型绝缘子，建议在线路加装穿刺型避雷器的同时将绝缘子更换为PS—20型绝缘子。

图8 穿刺型避雷器与P—15绝缘子配合时正负极性伏秒特性曲线

图9 穿刺型避雷器与PS—20绝缘子配合时正负极性伏秒特性曲线

2 仿真研究

2.1 仿真模型

10kV配电线路雷害主要原因为感应雷[13]，本文重点针对不同避雷器配置方式下的感应雷耐雷水平进行分析。由于雷电作用下配电线路三相线路同时产生感应电压波[14]，本文计算中不考虑三相导线之间的耦合作用，在计算时采用单相线路计算感应雷过电压。在电磁暂态计算软件ATP-EMTP中，搭建配电架空线路的结构模型，调用MODELS语言编程的MOD感应过电压子模块仿真配电架空线路的感应雷过电压，建立雷电作用下配电架空线路感应产生过电压的模型。图10为线路两端的感应过电压子模块，该模块为与配电架空线路特性阻抗具有相同数值的波阻抗，下端采用四个type60电源，分别代表配电架空线路的两观测位置电压rA和rB。

图10 ATP感应过电压子模块

感应过电压在形成之后，将沿相反的方向产生两个半波[15]。这就意味着离感应雷的中心位置不同，感应过电压的最大值不同。在以下仿真计算中假设雷击在距离线路65 m处，则可计算不同杆塔处的感应过电压幅值。仿真中，假设10kV配电线路采用PS—20柱式绝缘子，其50%全波冲击闪络电压幅值为125kV，用阈值为125kV的压控开关来模拟该绝缘子。避雷器用三相MOV压敏电阻元件表示[16]，并输入相应伏安特性曲线数据，将元件与变压器等效入口电容连接到对应的过电压计算模型进行仿真计算。

10kV线路穿刺型避雷器伏安特性曲线如图11所示，用三段线性化表示为

根据典型10kV线路参数，利用ATPDraw进行耐雷水平仿真，搭建的单相仿真模型如图12所示。

2.2 仿真结果

当避雷器间隔装设时，雷击点不同，线路耐雷水平也不同，假定雷电通道至导线的垂直距离为50m，通过仿真计算，可以得到避雷器不同配置方式下线路耐雷水平的变化规律。

1）全线安装

全线安装计算模型如图13所示，每相均配置有避雷器，计算得到感应雷耐雷水平为180kA。

图12 单相仿真模型

图13 全线安装耐雷水平计算模型

2）间隔一基安装

间隔一基安装避雷器的仿真模型参照图13，只是避雷器安装数量减少，落雷点主要考虑如图14所示的两种情况。

图14 间隔一基安装避雷器时的雷击点

仿真计算结果见表3，当间隔一基安装避雷器时：

表3 间隔一基安装避雷器时线路的耐雷水平

（1）落雷点在1号位置时，线路感应雷耐雷水平为160kA，是常规线路感应雷耐雷水平的7.7倍，防雷效果显著。

（2）落雷点在2号位置时，线路感应雷耐雷水平为80kA，是常规线路感应雷耐雷水平的3.8倍，可见避雷器能有效改善相邻未安装避雷器的杆塔的防雷水平。

3）间隔二基安装避雷器

间隔二基安装避雷器，雷击点主要考虑如图15所示的两种情况。

图15 间隔二基安装避雷器时的雷击点

仿真计算结果见表4，当间隔二基安装避雷器时：

表4 间隔二基安装避雷器时线路的耐雷水平

（1）避雷器安装间隔增大时，避雷器对相邻未安装避雷器杆塔防雷效果的改善作用有所降低。

（2）落雷点在1号位置时，线路耐雷水平仍为160kA，和间隔一基安装避雷器的耐雷水平一致。

4）间隔四基安装避雷器

间隔四基安装避雷器，雷击点主要考虑如图16所示的三种情况。

图16 间隔四基安装避雷器时的雷击点

仿真计算结果见表5，当间隔四基安装避雷器时：

（1）落雷点距离避雷器安装杆越远，线路的耐雷水平越低。

（2）随着避雷器安装间隔的加大，线路平均耐雷水平越低，防雷效果越差。

表5 间隔四基安装避雷器时线路的耐雷水平

由上述分析可得，雷击安装有避雷器的杆塔时，该基杆塔的感应雷耐雷水平与避雷器安装密度无关，但未安装避雷器的杆塔的感应雷耐雷水平与安装密度密切相关。综合比较几种安装方式，建议隔基安装避雷器，可使全线最低的感应雷耐雷水平达到80kA，是常规未安装避雷器线路感应雷耐雷水平的3.8倍，可防范大部分感应雷造成的危害。

3 典型应用

云南昭通10kV水泥线，线路投运于2007年，平均海拔高度约1 700m，地形分布多为山顶或山坡，线路容易遭受雷击。主线段全长约20km，共310基电杆，导线全线采用JLG1A—150—20型导线，绝缘子主要采用R5ET105L型柱式绝缘子。2018年前每年平均雷击跳闸4次左右，2018年底进行防雷专项治理，综合考虑技术经济性，治理方案采取隔一基三相加装穿刺型避雷器的方式。根据第2节图13所示计算模型，可以拟合得到不同雷击距离下线路单相感应雷耐雷水平如图17所示。

图17 不同雷击距离下线路单相感应雷耐雷水平

参考IEEE标准[17]，可进一步计算线路感应雷跳闸率，在沿导线垂直方向对所有地面落雷小区间进行积分，线路感应雷跳闸率为

式中：为建弧率，一般取0.8；Ng为线路走廊地闪密度；S为雷击距离。在雷电定位系统中统计得到该条线路2019年雷电地闪密度分布如图18所示，地闪密度值为1.187 3次/(km2·a)。

根据上述参数，计算得到该线路加装避雷器后2019年理论雷击跳闸率为4.72次/(100km·a)，当年实际雷击跳闸1次，同改造前的4次相比下降了75%，换算为标准雷击跳闸率为5次/(100km·a)，实际运行值与理论值较为吻合，印证了本方案的改造效果。

4 结论

本文通过实验及仿真研究，对10kV线路穿刺型避雷器安装配置方式进行了分析，获得结论如下：

1）为避免出现雷击异常放电现象，导致穿刺型避雷器本体没有有效动作，建议避雷器的穿刺电极中轴线到绝缘子中轴线的距离不低于300mm，对应的避雷器外串联空气间隙宜调整为120mm。

2）穿刺型避雷器与PS—20型绝缘子的伏秒特性曲线配合优于P—15型绝缘子，同时PS—20型绝缘子的放电电压高于P—15型绝缘子，建议在安装避雷器的同时将绝缘子更换为PS—20型绝缘子，既提高了线路绝缘水平，又提高了避雷器动作准确性。

3）落雷点在安装有避雷器的杆塔附近时，该基杆塔耐雷水平稳定在160kA，与全线安装密度无关，当安装密度越小时，安装的避雷器对临近杆塔防雷作用改善效果越不明显，隔基安装避雷器综合技术经济性最优，全线所有杆塔最低耐雷水平可达到80kA，实际防雷改造线路理论计算结果及实际运行效果初步印证了本文研究的避雷器安装配置方式的有效性，待后期更长时间的运行数据来进一步印证最终实际效果。

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Experimental and simulation study on installation and configuration mode of 10kV transmission line piercing arrester

LIANG Kaiwang FENG Shan

(Zhaotong Power Supply Company of Yunnan Power Grid Co., Ltd, Zhaotong, Yunnan 657000)

Piercing arrester is the most used type of lightning arrester for 10kV overhead lines. Its installation location and installation density directly affect the lightning protection effect of the line. Therefore, this paper studies the optimal installation and configuration of the piercing arrester through experiments and simulation. Combined with P—15 pin type and PS—20 post type two typical 10kV line insulators, lightning impulse discharge experiment is carried out to study the effect of installation position on discharge path. Based on ATP-EMTP software, the calculation model of induced lightning overvoltage is established, and the variation of lightning withstand level under different installation densities of lightning arresters is analyzed. The results show that the distance between the central axis of the piercing electrode and the central axis of the insulator should not be less than 300 mm, and the air gap in series outside the arrester should be adjusted to 120 mm. It is suggested that the insulator should be replaced with PS—20 post insulator while installing arrester, and the installation density should be separate one base pole. The actual line operation verifies the simulation conclusion. According to the above principles, the actual lightning trip rate of the reconstructed line decreases by about 75%.

piercing arrester; installation and configuration mode; discharge path; induced lightning; installation density

云南电网有限责任公司重点科技项目（0507002019030101SC00097）

2021-12-14

2022-01-20

梁开旺（1982—），男，云南昭通人，本科，高级工程师，主要从事输配电线路运维工作。