MOA和耦合地线配合使用的10 kV架空线路防雷方法

2023-10-28王延夫蒋凌峰吴文锋胡嘉宴

电瓷避雷器 2023年5期

王延夫,汤昕,蒋凌峰,吴文锋,胡嘉宴,杨鑫

(1.国网湘潭供电公司,湖南湘潭 411100;2.长沙电力职业技术学院,长沙410131;3.长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙 410114)

0 引言

在我国的配电网络中,10 kV架空线路占据比较重要的地位,其电压等级低、分布范围广、雷击跳闸率高[1-4]。有效的提升10 kV架空配电线路的耐雷水平是提升电力系统稳定性的关键[5-10]。

目前,10 kV架空配电线路的防雷设置较少,大都在配电变压器、负荷开关等设备处[11-12],在10 kV架空配电线路中所使用的氧化锌避雷器也较少[13-14]。针对氧化锌避雷器(MOA)应用于10 kV架空线路,文献[13]证明了在直击雷的作用下,加装MOA能有效降低绝缘子闪络概率,且MOA安装数量越多,密度越大,相间闪络概率越低。文献[14]中提出,尽可能将10 kV避雷器以全线安装的方式设在雷电较为严重的区域内。MOA对于提高直击线路、雷击杆塔以及感应雷的耐雷水平都具有很好的效果。不过10 kV线路中的MOA出现故障而导致出现短路点的可能性很大,若全线装设MOA,将导致维修费用与工作量大大提升。同时由于地形的原因,在装设MOA之后必须降低易受直击线路杆塔的接地电阻,其中成本费用以及施工困难程度值得深思,因此不能过量装设MOA。

针对10 kV架空线路雷击跳闸率较高的问题,有学者提出在雷击跳闸率较高的10 kV架空配电线路中架设架空地线,可以起到良好的防雷作用,使得线路耐雷水平得以显著提升[15-16],但该方法对10 kV架空线路改装难度大,成本较高。然而,架设耦合地线的方式也能起到相同的效果。文献[17]建立了架设耦合地线的感应过电压模型,证明了架设耦合地线后可明显提升10 kV架空线路感应雷耐雷水平。文献[18-19]针对不同形式的10 kV架空配电线路,指出当雷击杆塔时,架设耦合地线可以起到对雷电流的分流效果以及耦合作用,从而提高其耐雷水平。

加装耦合地线的方法,相对于架空地线,便于施工,降低成本。根据前期研究成果[19],通过分析耦合地线在10 kV架空线路中的防雷机理、安装方式和适用性,认为:1)在现有杆塔和导线型号条件下应仅加装1根耦合地线,挂于横担正下方距离最下侧导线4.2 m处,在该距离下,可确保在多种较差的环境下耦合地线与各相导线之间不发生空气击穿现象;2)对于裸导线,在架设耦合地线后,感应雷及反击耐雷水平都有所提升,可提升36.2%～86.3%。但加装耦合地线后,若雷电直击导线,此时的耐雷水平并不会得到大幅度的提升,仅提升4%;3)在穿过山坡、河流以及公路等对地限高的情况下无法安装耦合地线,需要分段架设。而分段后使用整条线路的耐雷水平仍无法提高。

因此采用加装耦合地线的10 kV架空线路防雷方法,仍需解决雷电直击塔顶导线时耐雷水平低和耦合地线因分段导致感应雷耐雷水平下降的问题。这些问题尤其对山区等地形的架空配电线路意义重大。

考虑耦合地线和MOA各自的特点,笔者提出在10 kV架空配电线路中同时装设MOA与耦合地线。基于ATP-EMTP电磁暂态仿真软件建立10 kV架空线路雷电过电压仿真计算模型,研究在线路易遭受直击雷的杆塔上MOA的安装方式,并与耦合地线配合使用,使感应雷及雷击杆塔耐雷水平有显著提升,以解决单独耦合地线无法提高直击雷耐雷水平的问题;将MOA设置在耦合地线分段的位置,能够有效缓解由于耦合地线分段造成线路耐雷水平被降低的问题。本研究所提出的MOA与耦合地线的综合应用方式,可为实际工程项目中的应用提供理论及方法指导。

1 10 kV架空线路耦合地线和避雷器配合使用的过电压防护原理及仿真方法

1.1 耦合地线在10 kV架空线路的适用性

在10 kV架空配电线路杆塔设置耦合地线时必须充分考虑两个约束条件: 1)在多种恶劣的环境状况下,确保各相导线与耦合地线之间不出现放电的现象; 2)保证架设耦合地线后,在杆塔的承重范围以内,不会引起安全事故[20]。

1.1.1 耦合地线架设位置B的确定方法

考虑大风,覆冰以及脱冰等天气因素,各相导线与耦合地线之间的间距必须超过安全距离。查阅文献[20],耦合地线与导线在档至中央的距离需要满足下述条件:

M≥0.012L+1

(1)

式(1)中,M表示在档距中央时导线与耦合地线之间的距离;L表示线路档距。

假设H为极端情况下各个档距下的最大弧垂,利用式(1)计算的M,再根据几何关系,能够得出耦合地线的最佳装设位置B,见图1。

图1 耦合地线的安装方式Fig.1 Installation mode of coupling ground wire of single circuit 10 kV distribution line

1.1.2 杆塔承重核算方法

10 kV架空线路杆塔高度较低,档距也较小,在考虑承重时主要考虑垂直荷载的影响。参照《输电杆塔及基础设计》[21],在考虑覆冰的情况下,求出垂直荷载设计值的大小与垂直荷载值的大小,其中:

GDk=nγ1ALV+GJ+nγ2ALV+GJ(K-1)

(2)

(3)

式(2)、(3)中,n表示导线的数量;Lv表示杆塔的垂直档距大小,覆冰系数的大小用K表示;Gf为安装与检修过程中的附加垂直荷载的大小。

若GDK小于GD,则架设耦合地线后不会超出杆塔的承重范围[22]。

利用典型数值并按照上述方法进行计算[17],可得:1)在裸导线横担正下方4.2 m的位置处设置耦合地线,耦合地线与下层裸导线之间有2.13 m的间距。2)在只装设1根耦合地线时,符合杆塔承重的要求。

1.2 耦合地线和MOA配合使用的原理分析

见图2,在雷击杆塔上,在分流Ia/2到耦合地线上的同时,还通过MOA分流Ig/2到架空导线上,其余的雷电流经杆塔入地。在其相邻杆的绝缘子所承受的电压由3部分决定,一部分是由MOA分流到导线上的电流与自冲击阻抗乘积形成的电压IgZg/2、一部分为流经耦合地线而产生的电压IaZa/2,另一部分为耦合地线在相导体上产生的耦合电压IaZag/2。经耦合、分流后绝缘子两端的电压差为

图2 耦合地线和MOA配合使用时的原理分析图Fig.2 Analysis diagram of coupling ground wire and MOA

(4)

式(4)中,Ig为耦合地线上的电流,kA;Ia为经MOA分流到导线上的电流,kA;Za、Zg分别为相导体和耦合地线的自阻抗,Ω;Zag为相导体和耦合地线间的互阻抗,Ω。

此电压差若超过绝缘子的绝缘水平将导致闪络。在没有耦合地线的情况下,幅值为IgZg/2的电压直接作用在绝缘子两端,容易导致闪络。

在耦合地线和MOA同时使用时,由于因分流到耦合地线的雷电流而产生的耦合地线的对地电压和相导线的对地电压差,作用在绝缘子两端,故MOA和耦合地线同时使用时,其保护效果更佳。

2 10 kV架空线路过电压计算的仿真模型

计算不同防雷措施下10 kV架空线路的耐雷水平,所需参数较多。基于ATP-EMTP建立仿真计算模型,可使计算方法及结果更加准确、便捷。

2.1 配电线路模型

考虑到线路参数受高频雷电流影响的电磁暂态过程,10 kV架空线路采用JMarti模型。考虑到大风,覆冰等天气因素,在线路档距中央各相导线与耦合地线之间的间距必须超过安全距离的大小。查阅文献[21],并根据几何位置关系,能够得出耦合地线的最佳悬挂高度值,线路具体参数及架设位置见表1,线路全长4.96 km。

表1 线路参数Table 1 Wire parameters

2.2 杆塔及接地电阻模型

在防雷计算中,若架空线路的杆塔高度不大于30 m,杆塔的波过程可忽略不计,此时同样可取得良好的计算精度[22]。笔者根据《国网典设》[23],仿真中选择的10 kV架空线路为单回三角形排列方式,中间为B相,左右两侧分别为A、C相,见图3。由于忽略了杆塔的波过程,杆塔建模采用了集中电感模型,杆塔等值电感取0.84 μH/m。由于10 kV架空线路杆塔不做接地装置,接地电阻一般值取30 Ω。

图3 单回杆塔结构图Fig.3 Single circuit tower

2.3 避雷器与绝缘子模型

ZnO阀片具有优异的非线性伏安特性,故氧化锌避雷器拥有良好的防雷特性。10 kV配电线路氧化锌避雷器(MOA)所使用的型号是YH5WS3-17/50。可用式(5)的指数函数描述ATP-EMTP中ZnO避雷器的非线性特性。

(5)

式(5)中,p、q均为常数,vref表示避雷器的参考电压值。

本仿真中采用P-15针式绝缘子,根据前期试验结果,P-15绝缘子的U0.1%=139 kV[24]。在ATP中绝缘子可用压控开关模拟,当电压大于设定值时开关导通,表示绝缘子闪络。

2.4 直击雷与感应雷模型

直击雷电流模型源于IEC1312-1中的Heilder模型,其波形与实际雷电流波形更相符,波头时间取2.6 μs,波尾时间取50 μs,通道波阻抗取300 Ω。

ATP中MODELS感应雷计算模块基于以下架设:

1)雷电主放电的回击过程中电流速度是不变的,等效为一条理想的传输线,故雷电回击通道采用TL模型(transmission line model)。通道中电流表达式为

(6)

式(6)中,v为电流回击速度,m/s;z′为电流高度,m;vf为主放电在通道中的速度,m/s。

2)过电压产生的原因是雷电通道电磁场的变化,在10 kV架空线路上产生的过电压为入射电压与散射电压之和[25]。

图4是以架空配电线路相导线和耦合地线为结构的感应雷计算模块。

图4 感应雷计算模块Fig.4 Inductive lightning calculation module

为验证感应雷模块的正确性,设定雷电流幅值I=40 kA,导线平均高度hc=15.2 m,雷击点与线路之间的距离是100 m,在上述感应雷模型仿真中,计算出的感应过电压幅值为151.2 kV,其过电压波形图见图5。

图5 感应雷过电压波形图Fig.5 Waveform of induced lightning overvoltage

根据防雷规程建议,当雷电流幅值I≤100 kA,且线路和雷击点之间的距离大于65 m,可以利用下述公式求出在雷击点附近的区域导线上的过电压

(7)

式(7)中,I为雷电流幅值;hc为导线的平均高度;S为雷击点与线路的距离。

按式(7)计算得到感应过电压幅值U=152 kV,与仿真结果相比仅偏差0.5%,影响很小,故在此基础上进行下文的感应雷仿真计算。

最终搭建的10 kV配电线路直击雷和感应雷过电压仿真计算模型分别见图6和图7。

图6 直击雷模型Fig.6 Direct lightning model

图7 感应雷模型Fig.7 Induction lightning model

2.5 10 kV架空线路的雷击形式和耐雷水平的仿真确定方法

引起10 kV架空线路雷击跳闸最主要的雷击形式是感应雷过电压。除此之外,山区、旷野等地形下也会遭受直击雷,由于10 kV架空线路没有避雷线,且多采用针式绝缘子,导线在横担上方,直击雷又可分为雷击导线和雷击杆塔(横担)2种情况。为了全面提高线路的耐雷水平,笔者对感应雷、雷击导线和雷击杆塔3种情况分别进行了分析和耐雷水平的提升方法研究。

衡量线路耐雷水平不应仅针对局部线路杆塔,而是将整条线路作为整体。因为10 kV架空配电线路的中性点采用的是非有效接地,当发生相间短路,线路才会跳闸。

仿真初始首先设置较小的雷电流,随后逐渐升高雷电流大小,当线路中任一基杆塔出现两相或三相同时闪络,该情况下的雷电流大小就是线路的耐雷水平。

3 MOA和耦合地线综合使用对耐雷水平的影响效果

为全面提高配电线路的耐雷水平,需要采用耦合地线和MOA配合使用的方法,关键要解决MOA的安装方式。

针对加装MOA防直击雷时杆塔降阻困难以及分段使用耦合地线之后耐雷水平降低的情况,笔者在上一章的仿真平台上,通过对MOA安装方式的合理设置,以达到不对杆塔进行接地处理就能取得更高的耐雷水平,进一步提高技术经济效益。

3.1 MOA吸收的能量阈值的校验方法

10 kV配电线路常用氧化锌避雷器通常选择YH5WS3-17/50型号,该避雷器应能耐受持续时间为2 ms/150 A的方波电流冲击18次而不损坏[26]。此时,避雷器的残压在41 kV左右,避雷器的流通能量W0为12 300 J,该能量值可作为避雷器通流阈值的判据。

在仿真中,根据流经避雷器的电压和电流,即可得到避雷器实际吸收能量W1,W1的计算方法见式8。

(8)

若避雷器的流通容量W0小于避雷器吸收的能量W1,雷电流将会使避雷器故障,导致MOA无法起到防雷的效果。

经仿真计算,幅值为100 kA的感应雷作用于线路时,MOA实际吸收能量仅为1.1 kJ,远低于MOA最大允许吸收能量,直击雷是导致MOA损坏的主要原因。

3.2 MOA安装方式对直击线路时耐雷水平的影响

雷电直击线路时,加装MOA的杆塔起到了泄流作用,但同时雷电流会沿线路向两侧传播,可能造成相邻杆塔闪络。因而,在雷击杆塔的相邻杆塔加装MOA将对提高线路耐雷水平具有重要作用。

在某些地形地势下,由于资金及施工困难等原因,在对易受直击的线路杆塔进行接地改造的过程中难度较大。因而,在重点杆塔安装MOA以外,研究易击杆塔的相邻杆塔MOA安装数量与安装方式,以达到不对杆塔进行接地处理就能取得更高的耐雷水平,具有重要的经济性和可操作性。

本节分析了全线杆塔接地电阻为30 Ω时,架设耦合地线前后,3种MOA安装方式对雷击线路耐雷水平的影响效果,并探究了每种安装方式下,MOA安装密度对耐雷水平的影响效果。

方式1:仅易击相(B相)安装。

方式2:两相(最高相和一边相,A、B或B、C,如果线路2侧地形形同,则2边相无区别)安装。

方式3:三相安装。

在探究MOA安装方式对耐雷水平的影响前,需按照3.1节的方法,得到雷击导线时不同雷电流幅值下的MOA实际吸收能量情况,见图8。

图8 雷击导线时不同雷电流下MOA的吸收能量Fig.8 Energy of MOA under different lightning currents when lightning strikes conductor

可见,雷击导线时,雷电流为20.9 kA时,MOA实际吸收能量曲线与最大允许吸收能量曲线相交,即MOA吸收能量达到限额。

以方式1,仅雷击杆塔的B相安装MOA时为例,在线路上逐渐加大雷电流幅值至4 kA,此时4号至10号杆塔均出现了两相或三相闪络。6号杆塔绝缘子两端的电流波形见图9,该基杆塔出现了三相闪络,且MOA吸收能量未达到限额。可见,此时线路的直击雷耐雷水平4 kA。

图9 仅B相安装MOA时闪络杆塔绝缘子电流波形Fig.9 Current waveform of flashover tower insulator only when phase B is installed with MOA

按照同样的方法,分别得到架设耦合地线前后,不同的避雷器装设密度下,3种安装方式对配电线路耐雷水平的变化规律,其结果见图10、图11。

图10 仅安装MOA时雷击线路耐雷水平变化规律Fig.10 Variation law of lightning withstand level of lightning line with MOA

图11 雷击线路时耦合地线和避雷器配合耐雷水平变化规律Fig.11 Variation law of lightning withstand level of conductor when MOA and coupling ground wire

综合图10和图11的计算结果,在接地电阻30 Ω下,架设耦合地线前后,两相安装避雷器和三相安装避雷器的效果优于单相安装。其中,三相安装MOA的安装方式下防雷效果与两相安装避雷器的效果差别不大。

两相或三相避雷器与耦合地线配合使用并且将MOA覆盖到雷击杆塔左右各两基的情况下,雷击线路耐雷水平可达45.1 kA。但限于MOA吸收能量,雷击导线的雷电流大小为20.9 kA时,MOA吸收的能量已达限额,MOA已经损坏,故此时的耐雷水平为20.9 kA,与雷击杆塔左右各一基安装MOA时差别不大。

考虑到后期维护的经济因素,建议采用在易遭直击杆塔及其左右各一基杆塔的两相安装MOA的安装方式。该MOA的安装方式,具有更好的直击雷防护效果,且具有更好的经济性。

4 分段耦合地线与MOA的配合使用

10 kV架空配电线路杆塔高度相对较低,在某些跨越公路等特殊地区,不宜架设耦合地线,需将耦合地线分段。笔者所述的将MOA与耦合地线综合使用的方式,可以全面提高线路耐雷水平。

通过仿真计算,可得出不同雷击形式下,采用分段耦合地线后的耐雷水平,见表2。

表2 分段耦合地线的耐雷水平Table 2 Lightning withstand level of different coupling ground wire section spacing

可见,1)在分段使用耦合地线的情况下,当雷击杆塔时,未安装耦合地线和分段安装耦合地线的耐雷的水平相同;当耦合地线分段的距离增大时,感应雷耐雷水平将呈现减小的趋势。2)若间隔5基杆塔安装耦合地线,此时与未安装耦合地线的耐雷水平几乎相同,因而,本研究仿真中以最大间隔5基杆塔为准。

为解决分段架设耦合地线后,线路的综合耐雷水平减小的情况,使用了避雷器与分段耦合地线配合使用的防雷方法,分别探究在感应雷和雷击杆塔两种情况下,分段耦合地线和MOA的最佳配合使用方式。

由表2可知,在间隔5基杆塔安装耦合地线时,雷击杆塔、感应雷耐雷水平与不加耦合地线的耐雷水平几乎相同,因此在仿真实验中只将耦合地线间隔为5基与3基列入考虑因素中。

根据上节的仿真结果,MOA的安装方式选择两相安装和三相安装2种方式。

4.1 雷击杆塔时分段耦合地线与MOA配合使用的防雷效果

在仿真中,把5号至9号杆塔之间的耦合地线以及6号至8号杆塔之间的耦合地线断开,如图12是5号至9号杆塔之间的耦合地线断开的具体安装图。

图12 分段耦合地线示意图Fig.12 Schematic diagram of sectional coupling ground wire

同样按照按照2.1节的方法,得到雷击杆塔时不同雷电流幅值下的MOA实际吸收能量情况,见图13。

图13 雷击杆塔时不同雷电流下MOA的吸收能量Fig.13 Energy of MOA under different lightning currents when lightning strikes tower

可见,雷击杆塔时,雷电流为21.9 kA时,MOA实际吸收能量曲线与最大允许吸收能量曲线相交,即MOA吸收能量达到限额。

考虑最严重的情况,把7号杆塔设为雷击点。仿真计算得到两种MOA安装方式下,不同避雷器安装范围下的耐雷水平,其变化规律见图14和图15。

图14 雷击杆塔分段耦合地线与两相安装避雷器配合Fig.14 Lightning tower sectional coupling ground wire matching with the highest phase and one side phase MOA

图15 雷击杆塔时分段耦合地线与三相避雷器配合Fig.15 Coordination of sectional coupling ground wire with three MOA during lightning stroke on tower

综合图14和图15可知,1)当雷击杆塔时,线路耐雷水平较低,为7.4 kA,若避雷器的安装密度提高至耦合地线断开的杆塔处,耐雷水平将会得到一定程度的提高,但限于MOA最大允许吸收能量,耐雷水平为21.9 kA,提升了196%;2)两种MOA安装方式下,雷击杆塔耐雷水平相差不大;3)雷击横担时,即使在耦合地线分段的位置设置MOA,其防雷效果也低于避雷器与全线耦合地线相互配合的防雷效果。原因在于全线架设耦合地线时,一部分雷电流可通过耦合地线向两侧传播,使得MOA吸收能量较少,不易损坏,从而耐雷水平可以更高。

因此,当雷击杆塔横担时,在分段的位置不间断的设置避雷器,能够解决线路综合耐雷水平降低的问题。其中,两相安装MOA方式的经济效益更高。故针对雷击杆塔横担,建议将两相MOA不间断的设置在耦合地线分段的位置。

4.2 感应雷时分段耦合地线与MOA配合使用的防雷效果

在仿真中,把5号至9号杆塔间的耦合地线以及6号至8号杆塔之间的地线断开,考虑极端情况,在距离7号杆塔一百米的位置设置感应雷的雷击点。通过仿真计算得到感应雷作用下,不同安装密度下的2相和3相装设避雷器下耐雷水平变化规律见图16、图17。

图16 感应雷时分段耦合地线与两相避雷器配合Fig.16 Coordination of segmented coupling ground wire with the highest phase and one side phase MOA during induced lightning

图17 感应雷时分段耦合地线与三相避雷器配合Fig.17 Coordination of piecewise coupling ground wire and MOA of three phases during induced lightning

综合图16和图17可知,1)耦合地线与MOA综合使用的情况下,感应雷耐雷水平与避雷器安装密度成正比;2)若耦合地线分段处位于6号杆塔至8号杆塔,则3相安装避雷器与2相安装避雷器所具备的防雷效果相似度极高;3)若耦合地线分段范围增大到5号杆塔至9号杆塔,那么3相安装避雷器所具备的防雷效果大于2相安装。

综上所述,在感应雷与雷击杆塔的情况下,避雷器与分段耦合地线综合使用的防雷效果明显提升。当耦合地线分段范围较小时,即间隔3基及以内杆塔,建议安装2相MOA于分段间隔处的逐级杆塔。当耦合地线分段间隔3基以上杆塔时,建议安装3相MOA于分段间隔处的逐级杆塔。能够使得由于耦合地线分段而造成的耐雷水平降低的问题得到妥善解决。

4.3 技术经济效益分析

考虑到避雷器与耦合地线配合使用的性价比,需计算出雷击杆塔跳闸率n1、雷击导线跳闸率n2和感应雷跳闸率n3[27-29]。

n1=0.28(b+4hd)ηgP1

(9)

n2=0.28(b+4hd)η(1-g)P2

(10)

n3=0.28(b+4hd)ηP3P4

(11)

式(9)-(11)中,b为导线的距离,m;hd为导线的平均高度,m;η为建弧率;g表示击杆率的大小;P1、P2分别表示超过雷击杆塔和导线耐雷水平的可能性大小;P3为发生感应雷的概率;用P4表示超过感应雷耐雷水平的可能性大小。其中感应雷发生的概率占70%左右。

各雷击概率可由式(12)计算

(12)

式(12)中,P为雷电流幅值概率;I为雷电流幅值,kA。

使用型号为GJ-25镀锌钢绞线作为耦合地线,价格约为1 182元/公里,且10 kV架空线路杆塔不单独做接地装置、后期无需工人维护,使用寿命约为20年。每支避雷器价格为150元。若线路长度为10 km,以耦合地线分段间隔3基杆塔时,例如,将两相MOA设置于分段间隔处的逐级杆塔的情况下,成本1.253万元;考虑到施工费用(附加30%),总成本为1.628 9万元。

以耦合地线分段间隔3基杆塔时,例如,将两相MOA设置于分段间隔处的逐级杆塔的情况下,3种雷击形式下的雷击跳闸率见表3。