10 kV线路穿刺型避雷器安装配置实验与仿真研究

陈辉荣，陈朝兴

（云南电网有限责任公司昭通供电局，云南 昭通 657000）

0 前言

10 kV 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，耐雷水平较低，雷击跳闸故障频繁，雷击已成为10 kV 架空线路跳闸故障的主要原因之一[1]。用于10 kV 架空线路防雷的措施众多[2]，如放电间隙[3]、防雷绝缘子[4]、多腔室吹弧防雷装置[5]，但目前使用量最大的措施为避雷当器，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，穿刺型避雷器在10 kV 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穿刺型避雷器安装位置不当，间隙放电位置偏移，导致避雷器不能有效动作；②穿刺型避雷器安装密度不合适，导致线路整体耐雷水平提升有限。因此，对10 kV 线路穿刺型避雷器安装配置方式开展研究，对配网防雷性能提升具有重要意义。

目前对10 kV 线路避雷器的安装配置方式，国内外开展了部分研究。文献[6]仿真分析了在不同接地条件下只安装单相避雷器对同级其它相绝缘子的影响及只安装一级对相邻级绝缘子的影响，提出了接地电阻的安装要求；文献[7]分析不同避雷器类型、不同杆塔冲击接地电阻以及雷击位置等对避雷器防护效果的影响并并分析其保护范围，提出需要每隔6～8 基杆塔安装一组避雷器的建议；文献[8]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[9]计算了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300 m 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指导建议，但仍存在较大的局限性：①10 kV 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，在安装密度上仍有待继续优化；②10 kV 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。

本文首先开展了穿刺型避雷器雷电冲击放电试验，分析了避雷器安装方式对放电路径的影响效果；然后基于ATP-EMTP 电磁暂态程序建立了安装有避雷器的10 kV 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了对比分析，综合实验及仿真结果，提出了10 kV 线路穿刺型避雷器最优安装配置方式，研究可为10 kV 线路防雷治理提供科学化参考建议。

1 实验研究

1.1 实验样品

试验选用两种典型10 kV 绝缘子：P-15 针式绝缘子，PS-20 柱式绝缘子，干弧距离分别为16 cm、20.8 cm，选用的穿刺型避雷器型号为YH5CX-13/40，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。

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1 m 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应该合适，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，具体的试验布置如图1 所示。

图1 实验布置图

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%雷电冲击放电电压如表1 所示。

表1 穿刺型避雷器对应间隙的雷电冲击放电电压

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；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。这种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种情况。经过多次试验，当调节穿刺电极中轴线到绝缘子中轴线的距离大于等于300 mm 时，且间隙距离合适，则不会出现异常放电现象。

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。图2 和图3 为穿刺型避雷器用于保护两种绝缘子时以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 绝缘子。

图2 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3 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

10 kV 配电线路雷害主要原因为感应雷[10]，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[11]，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4 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，下端采用的4 个type60 电源，分别代表配电架空线路的两观测位置电压UrA和UrB。

图4 ATP 感应过电压子模块

在感应过电压形成之后，将沿相反的方向产生两个半波[12]。这就意味着离感应雷的中心位置不同，则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10 kV 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125 kV，用阀值为125 kV 的压控开关来模拟该绝缘子。避雷器用三相MOV 元件表示，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。

10 kV 线路穿刺型避雷器伏安特性特性曲线用三段线性化表示为：

伏安特性曲线图形表示如图5 所示：

图5 避雷器伏安特性曲线

根据典型10 kV 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6所示。

图6 单相仿真模型

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50 m，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

全线安装计算模型图如图7 所示，每相均配置有避雷器，计算得到感应雷耐雷水平为180 kA。

图7 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如参照图8所示，只是避雷器安装数量减少。

图8 间隔一杆安装避雷器时的雷击点

如表2 所示的仿真计算结果，当间隔二杆安装避雷器时：

表2 间隔一杆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160 kA，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80 kA，是常规线路感应雷耐雷水平的3.8倍，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

间隔二杆安装避雷器，雷击点主要考虑如图9 所示的两种情况。

图9 间隔二杆安装避雷器时的雷击点

如表3 所示的仿真计算结果，当间隔二杆安装避雷器时：

表3 间隔二杆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160 kA，和间隔一杆安装避雷器耐雷水平一致。

4）间隔四基安装避雷器

间隔四杆安装避雷器，雷击点主要考虑如图10 所示的3 种情况。

图10 间隔四杆安装避雷器时的雷击点

如表4 所示的仿真计算结果，当间隔二杆安装避雷器时：

表4 间隔四杆安装避雷器时线路的耐雷水平

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。

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，但临近未安装避雷器的杆塔的感应雷耐雷水平与安装密度关系密切相关。综合比较几种安装方式，建议以隔基安装避雷器为宜，全线最低的感应雷耐雷水平可达到80 kA，是常规未安装避雷器的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10 kV 水泥线，线路投运于2007年，平均海拔高度约1700 m，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20 km，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 章图7 计算模型，可以拟合得到不同雷击距离下线路耐雷水平，如图11 所示。

图11 不同雷击距离下线路感应雷耐雷水平

参考IEEE 标准[13]，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，η为建弧率，一般取0.8；Ng为线路走廊地闪密度，在雷电定位系统中统计得到该条线路2019 年雷电地闪密度图，如图12 所示，地闪密度值为1.1873 次/（km2·A）。

图12 2019年线路走廊地闪密度分布

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/（100 km·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/（100 km·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 结束语

本文通过实验及仿真研究，对10 kV 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得低于300 mm，对应的避雷器外串联空气间隙跳闸宜调整为120 mm；

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，也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160 kA，与全线安装密度无关，当安装密度越小，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也可达到80 kA，云南实际防雷改造线路理论计算结果及实际运行效果印证了本文研究的避雷器安装配置方式有效性。