10 kV架空線路中并聯間隙的單相同線安裝方式

祝歡歡，楊鑫，仇煒，彭杰，易俊華，王延夫

(1. 長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410114；2. 珠海供電局有限公司，廣東 珠海519000；3. 惠州供電局有限公司，廣東 惠州516000)

0 引言

10 kV架空線路是我國主要的配電線路，電壓等級低、網絡密集、結構復雜，其安全運行直接關系到用戶的供電可靠性[1 - 4]。由于10 kV架空線路的防雷措施較少，在雷電活動密集的特殊地形地貌下，其耐雷水平無法滿足要求，易發生雷擊跳閘。統計數據表明，配電網的雷害事故約占整個電力系統雷害事故的70%～80%[5 - 7]。因而，在雷擊易發地區需要采取有效措施提高10 kV架空線路耐雷水平，以提高電網的供電可靠性。

目前，10 kV架空線路的典型設計中，桿塔不單獨鋪設接地裝置，不加裝避雷線，僅在配變臺區等配電設備處鋪設接地裝置、加裝高低壓側避雷器等加強防雷[8 - 9]。雷擊概率較高的地段一般采取增加絕緣子片數、更換絕緣子類型(針改棒)、加裝線路避雷器等措施提高線路耐雷水平[10 - 11]，以上方法存在增加線路造價、增加運行維護工作量等問題。

在絕緣子旁安裝并聯間隙可以提供新的雷電流疏通通道，保護線路絕緣子，降低沿線路傳播的過電壓水平，是經濟有效的疏導式防雷保護措施[12 - 14]。目前對10 kV架空線路并聯間隙的研究主要有并聯間隙的結構設計方法[15]、間隙距離確定[16 - 17]和安裝位置及密度選擇等[18 - 19]。然而，目前使用的并聯間隙安裝方式大都是采用同基桿塔上一回線路的三相同時加裝的方式(簡稱“三相安裝方式”)。由于并聯間隙的放電電壓和放電距離都比絕緣子小，導致線路耐雷水平降低，嚴重制約了并聯間隙在10 kV架空線路中的推廣應用。

針對并聯間隙三相安裝方式存在的問題，文獻[20]提出了一種并聯間隙的單相安裝方式(簡稱單相變線安裝方式)。該方式下，一相間隙放電，通過相間耦合可以降低另外2相線路的過電壓水平，從而降低同基桿塔發生相間短路的概率，提高線路耐雷水平。但后續研究發現，由于10 kV架空線路檔距較短，該安裝方式下容易引發相鄰桿塔的不同相間隙擊穿，造成不同基桿塔間的相間短路，仍然具有一定的跳閘概率。

為了解決加裝并聯間隙后非同基桿塔發生相間短路的問題，本文提出了一種并聯間隙的單相同線安裝方式，即同一基桿塔的一回線路僅在一相安裝并聯間隙，相鄰桿塔連續安裝在同一相上。當不同基桿塔的間隙被擊穿時，由于是非同基桿塔的同相間隙對地放電，不會發生兩相短路，可在保護絕緣子前提下提高線路的耐雷水平。

本文利用ATP-EMTP電磁暫態仿真軟件，建立了10 kV架空線路仿真模型，計算在感應雷、雷擊塔頂以及雷擊線路3種過電壓下，并聯間隙的單相同線安裝方式對10 kV架空線路耐雷水平的影響，并和并聯間隙的單相變線安裝方式進行了對比。為并聯間隙單相同線安裝方式的應用提供了理論基礎和方法指導。

1 10 kV架空線路并聯間隙的單相同線安裝方式

1.1 10 kV架空線路并聯間隙的安裝方式

在10 kV架空線路中，傳統的并聯間隙安裝方式是三相安裝，即同一基桿塔的一回線路A、B、C三相同時加裝并聯間隙，且間隙距離相同，如圖1所示。由于間隙的放電電壓和放電距離都要小于絕緣子，該方式會導致10 kV架空線路耐雷水平下降，建弧率提高，雷擊跳閘率上升。

圖1 并聯間隙的三相安裝方式

文獻[20]提出了一種并聯間隙的單相安裝方式(簡稱為單相變線安裝方式)，即同一基桿塔的一回線路只安裝1相，相鄰的前后2基桿塔分別安裝另外2相；每3基桿塔安裝1組(3個)并聯間隙，如圖2所示。

圖2 并聯間隙的單相變線安裝方式

對10 kV架空線路來說，針對其相間短路才會引起斷路器跳閘的繼電保護機制，耐雷水平In應定義為致使同一回線路兩相絕緣子不同時閃絡(當施加間隙時，為間隙擊穿)時的雷電通道內雷電流的最大幅值，單位為kA。在該安裝方式下，當一相間隙放電時，通過相間耦合，可以降低同基桿塔另外2相導線的過電壓水平，從而降低另外兩相絕緣子發生閃絡的概率，提高了耐雷水平[20]。

進一步研究發現，單相變線安裝方式對提高不同基桿塔發生相間短路時的耐雷水平作用不明顯。以感應雷過電壓為例，由于三相過電壓幅值基本相等，而2基桿塔之間的距離又非常短(通常為80 m左右)，當首基桿塔的一相絕緣子旁并聯間隙放電，其他2相過電壓水平因耦合作用還未明顯下降時，過電壓波即傳到了下一基桿塔，導致下基桿塔不同線的并聯間隙放電。

如果兩處放電的間隙均建弧成功，將形成非同基桿塔之間的相間短路。由于配電線路沒有避雷線，該短路電流將通過大地形成回路。該短路電流一般遠小于同基桿同一回線路上發生的相間短路電流，但仍有一定的概率造成斷路器跳閘。不同基桿塔并聯間隙放電的電流回路如圖3所示。

圖3 單相變線安裝方式的非同基桿塔2相間隙同時放電

1.2 單相同線安裝方式的過電壓防護原理

針對上述問題，本文提出了一種在10 kV架空線路中并聯間隙的單相同線安裝方式，即同一基桿塔的1回線路僅在1相安裝并聯間隙，相鄰桿塔連續安裝在同一相。如圖4所示。

圖4 并聯間隙的單相同線安裝方式

1.2.1 10 kV架空線路遭受感應雷過電壓

由于感應雷過電壓在三相導線中同時存在，當線路采取了并聯間隙的單相同線安裝方式時，因為并聯間隙的放電電壓比絕緣子放電電壓低，先于絕緣子放電。并聯間隙放電后，其他2相過電壓因耦合作用會下降，從而降低了相間過電壓水平，提高線路的耐雷水平。由于并聯間隙安裝于同一相線路，保證了始終在該相線路泄能，可以避免非同基桿塔相間短路的情況發生。

1.2.2 雷擊線路桿塔橫擔

圖5 雷擊橫擔過電壓機理

當A相間隙被擊穿后，雷過電壓波隨線路傳播，到達相鄰桿塔，使得相鄰桿塔的并聯間隙先放電，由于是非同基桿塔的同相并聯間隙對地放電，所以不會構成非同基桿塔兩相短路，在這種情況下線路不會跳閘?？梢?，并聯間隙的單相同線安裝方式既可保護線路絕緣子，又可提高線路在雷擊橫擔時的耐雷水平。

1.2.3 雷擊線路過電壓

單相同線方式的并聯間隙一般安裝在10 kV架空線路最易遭受雷擊相(桿塔的最高位置相，如圖5典型塔型所示，裝在A相)。當雷擊A相線路時，A相間隙先于A相絕緣子放電，導致桿塔橫擔電位提升至UP，當UP大于B、C相絕緣子的閃絡電壓時，將導致線路發生相間短路。

由于并聯間隙的放電電壓略低于絕緣子的閃絡電壓，而雷電流的上升速率極快，并聯間隙對橫擔電位的影響較小，因此并聯間隙對提高線路耐雷水平的作用并不明顯。此時，并聯間隙的主要作用為保護線路絕緣子，提高絕緣子的使用壽命。通過線路的耦合作用，可保護B、C相絕緣子。單相同線安裝方式在雷擊A相線路時對耐雷水平影響不大，其主要作用為保護最易遭受雷擊的A相絕緣子。

1.3 并聯間隙放電電壓與間隙距離的關系

本文選用的10 kV線路并聯間隙與文獻[20]相同。前期研究中，得到了99.9%擊穿概率的間隙擊穿電壓UJX99.9%與間隙距離d的擬合函數[8]為：

UJX99.9%=1.01d0.8842

(1)

由式(1)可根據已知的UJX99.9%倒推得到間隙的距離d。本文所提并聯間隙單相同線安裝方式以10 kV架空線路典型設計中的桿塔形式為實例，桿塔示意圖如圖6所示。桿塔高15 m，半徑190 mm，架線為三角形。由于A相最易遭受直擊雷，并聯間隙安裝在A相上。

圖6 桿塔示意圖

2 仿真模型建立及效果驗證

為了深入探索10 kV架空線路并聯間隙的單相同線安裝方式對線路耐雷水平的影響，并與單相變線安裝方式的情況進行對比，搭建了10 kV架空線路過電壓仿真模型，以配電線路不發生兩相短路(包含不同基桿塔的相間短路)為條件，計算其最大雷電流幅值，即耐雷水平。

2.1 仿真模型搭建

本文計算模型中，桿塔、絕緣子、線路及接地電阻、直擊雷等模塊參數的取值與文獻[20]在ATP-EMTP電磁暫態仿真軟件中搭建的10 kV架空線路過電壓仿真模型相同。

但考慮到文獻[20]中的感應雷模塊在計算中過于復雜，為更準確、便捷計算感應雷過電壓時，在并聯間隙不同安裝方式下對10 kV架空線路耐雷水平的影響，本文選擇了圖7所示的產生感應雷過電壓的新電源模型，該模型由雷電流Heidler模型、波阻抗通道以及RLC線路元件構成。測量點即為感應雷過電壓輸出點，此感應雷模型為單點施加。

圖7 感應雷過電壓模型圖

當雷擊點距線路為65 m時，雷電流在線路上產生的過電壓理論值與模型測量值比較如表1所示，典型的感應雷過電壓波形如圖8所示。

表1 雷電流在線路上產生的過電壓理論值與模型測量值

圖8 感應雷過電壓波形

表1的數據表明，模型測量值和理論值基本一致，感應雷模型的設計符合實際。

綜上，建立10 kV架空線路整體仿真模型如圖9所示。10 kV架空線路模型中共設計有13基桿塔，從電源到負荷處桿塔序號按順序從1排到13，檔距取80 m。

圖9 整體仿真計算模型

2.2 模型的可靠性驗證

為驗證仿真結果的可靠性，把本文仿真模型在感應雷過電壓下不安裝并聯間隙時耐雷水平的計算結果與規程法的計算結果進行對比分析。

仿真計算得知，10 kV架空線路的耐雷水平為23.8 kA。閃絡時流過絕緣子的電流情況如圖10所示。

圖10 兩個桿塔上的絕緣子閃絡電流波型

我國規程推薦導線上產生的感應過電壓可采用式(2)計算。

(2)

式中：Ui為感應電壓值，kV；I0為雷電流，kA；h為架空線路的平均高度，m；S為雷擊點與線路的距離，m。

設絕緣子的絕緣閃絡電壓為U50%，則架空配電線路感應雷過電壓的理論耐雷水平為：

(3)

當雷擊距離小于65 m時，由于線路的吸引，存在近距離落雷。設雷擊距離小于65 m時為直擊雷范圍，10 kV架空線路導線平均高度為15 m，P15絕緣子U50%放電電壓取139 kV，當線路感應雷幅值Ui大于絕緣子U50%放電電壓時絕緣閃絡?？芍?0 kV配電線路的感應雷過電壓理論耐雷水平約為24.09 kA。

由此可見，仿真計算得到的10 kV架空線路耐雷水平23.8 kA與規程法計算的耐雷水平結果僅偏差1.20%，證明本文模型計算是準確可靠的。

3 并聯間隙單相安裝方式對10 kV架空線路耐雷水平的影響

在10 kV架空線路中，主要雷擊形式是感應雷過電壓，但在特殊地段也會發生雷擊桿塔橫擔和雷電直擊線路2種情況。

當10 kV架空線路不安裝并聯間隙時，針對10 kV架空線路在感應雷過電壓、雷擊桿塔橫擔過電壓以及雷擊線路過電壓3種情況進行仿真計算，得到線路耐雷水平分別為23.8 kA、8.5 kA以及8.5 kA。

由文獻[19]及文獻[21]可知，對10 kV架空線路用P15針式絕緣子，間隙放電電壓應選擇在[47.04 kV,116.07 kV]范圍內。

3.1 感應雷過電壓下單相同線安裝方式對10 kV架空線路耐雷水平的影響

并聯間隙放電電壓初始值設置為111.2 kV，感應雷過電壓模型加在5、6號桿塔之間，當雷電流幅值增加至34.4 kA時，線路7號桿塔B、C相絕緣子發生閃絡，流過7號桿塔B、C相絕緣子的電流情況如圖11所示。即此時線路的耐雷水平為34.4 kA。

圖11 絕緣子閃絡電流

當單相安裝并聯間隙的放電電壓由116.07 kV向47.04 kV變化時，仿真計算得到配電線路在感應雷過電壓下的對應耐雷水平，如圖12所示。

圖12 感應雷過電壓下線路耐雷水平隨并聯間隙放電電壓變化曲線

由配電線路耐雷水平隨并聯間隙放電電壓變化規律曲線可知：1)在并聯間隙的單相同線安裝方式下，10 kV架空線路在感應雷過電壓下的耐雷水平得以顯著提高，相比不安裝并聯間隙時的23.8 kA，最高提高84.87%。2)隨著并聯間隙距離的逐漸減小，線路耐雷水平在并聯間隙放電電壓為76.45～111.20 kV區間時變化較為穩定，在放電電壓為62.55 kV時線路耐雷水平最大。

3.2 雷擊桿塔橫擔過電壓下單相同線安裝方式對10 kV架空線路耐雷水平影響

按3.1節同樣的仿真計算方法，可得當單相安裝并聯間隙的放電電壓由116.07 kV向47.04 kV變化時，配電線路在雷擊桿塔橫擔過電壓下的對應耐雷水平如圖13所示。

圖13 雷擊桿塔橫擔過電壓下線路耐雷水平隨并聯間隙放電電壓變化曲線

由配電線路耐雷水平隨并聯間隙放電電壓變化規律曲線可知：1)當采用并聯間隙的單相同線安裝方式時，在雷擊桿塔橫擔過電壓下，隨著并聯間隙放電電壓變化，10 kV架空線路的耐雷水平均高于不安裝并聯間隙時的耐雷水平(8.5 kA)，最高可提高103.53%；2)在并聯間隙放電電壓為90.35 kV及以下時，10 kV架空線路耐雷水平變化較為穩定。

3.3 雷擊線路過電壓下單相同線安裝方式對10 kV架空線路耐雷水平的影響

按3.1節同樣的仿真計算方法，可得當單相安裝并聯間隙的放電電壓由116.07 kV向47.04 kV變化時，配電線路在雷擊線路過電壓下的對應耐雷水平如圖14所示。

圖14 雷擊線路過電壓下線路耐雷水平隨并聯間隙放電電壓變化曲線

由配電線路耐雷水平隨并聯間隙放電電壓變化規律曲線可知：在并聯間隙的單相同線安裝方式下，隨著并聯間隙距離變化，配電線路的耐雷水平(最高達到9.1 kA)相較于不安裝并聯間隙的8.5 kA僅提高7.06%，配電線路的耐雷水平保持穩定。因此，該安裝方式的主要作用是在雷擊A相線路情況下保護A相絕緣子。

4 分析和討論

4.1 不同安裝方式下10 kV架空線路耐雷水平變化的機理分析

為了進一步驗證單相同線安裝方式對10 kV架空線路耐雷水平的提高效果，在仿真模型中分別計算了雷擊桿塔橫擔、雷擊線路以及感應雷過電壓3種情況下，不安裝并聯間隙，單相同線方式安裝并聯間隙、單相變線方式安裝并聯間隙時10 kV架空線路的耐雷水平。得到并聯間隙的不同安裝方式時，線路耐雷水平隨并聯間隙放電電壓變化的數據曲線，分別如圖15—17所示。

圖16 雷擊桿塔橫擔時耐雷水平變化曲線

圖17 雷擊線路過電壓下耐雷水平變化曲線

由上述3種雷過電壓情況下，線路耐雷水平隨并聯間隙放電電壓變化曲線可知：

1)考慮到不同情況的相間短路，尤其是不同基桿塔發生相間短路也會引起跳閘的情況，文獻[20]中提出的單相變線安裝方式，雖然在雷擊桿塔橫擔下，耐雷水平高于不安裝并聯間隙時的情況，最高可提升12.94%。但在10 kV架空線路最常遇到的感應雷過電壓下，耐雷水平反而下降了，下降幅度可達5.78%，究其原因為感應雷過電壓在三相導線中同時存在，在相鄰桿塔的間隙被擊穿時，由于是不同相的間隙同時對地放電會使線路發生兩相短路，導致線路跳閘，耐雷水平降低。當并聯間隙放電電壓小于97.3 kV時，在雷擊線路過電壓下耐雷水平也下降了，下降幅度可達11.76%。

2)單相同線安裝方式下線路的耐雷水平均高于單相變線安裝方式和不安裝并聯間隙時的情況。感應雷過電壓和雷擊桿塔橫擔2種情況下，耐雷水平比單相變線安裝方式的情況分別提高了62.26%和78.35%，究其原因為并聯間隙的單相同線安裝方式在相鄰桿塔的并聯間隙對地放電時，由于是同相并聯間隙對地放電，不會發生兩相短路造成線路跳閘，所以線路耐雷水平在3種雷過電壓下均較并聯間隙的單相同線安裝方式有提高；相比不安裝并聯間隙，單相同線安裝方式在感應雷、雷擊桿塔橫擔以及雷擊線路3種過電壓下的耐雷水平最高值分別提高了84.87%、103.53%及7.06%。

仿真計算結果驗證了并聯間隙的單相同線安裝方式在10 kV架空線路的防雷保護效果、過電壓防護原理的可靠性，以及其在非同基桿塔相間短路問題上的優越性。

4.2 并聯間隙單相同線安裝方式下間隙距離的選擇

在采用并聯間隙單相同線安裝方式時，從提高耐雷水平的角度考慮可以得到以下并聯間隙的安裝距離。

1) 感應雷過電壓下，當并聯間隙的放電電壓為62.55～48.65 kV時，感應雷耐雷水平較高，較不安裝并聯間隙時線路耐雷水平提升最大，因此，當10 kV架空線路中的桿塔位于感應雷過電壓影響區域時，最佳間隙距離范圍為80.01～106.31 mm。

2) 雷擊桿塔橫擔過電壓下，當并聯間隙的放電電壓為48.65～104.25 kV之間時，并聯間隙單相同線安裝方式的防雷效果較優，最佳間隙距離范圍為189.45～80.01 mm。

3) 雷擊線路過電壓下，當并聯間隙的放電電壓為48.65～111.2 kV時，10 kV架空線路耐雷水平提升較小，由式(1)計算得出間隙距離范圍為80.01～203.79 mm。

由上述3種情況綜合來看，并聯間隙的放電電壓值在48.65～62.55 kV時，并聯間隙的單相同線安裝方式對10 kV架空線路的耐雷水平影響最優，在感應雷、雷擊桿塔橫擔2種過電壓下，耐雷水平相對于不安裝并聯間隙時，最高提高103.53%；最低提高84.03%；在雷擊線路過電壓下耐雷水平可提高7.06%，其主要作用是保護最易遭受雷直擊的A相絕緣子。由式(1)計算得出間隙最佳距離范圍為80.01～106.31 mm。

5 結論

本文根據10 kV架空導線的特性，在電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP下合理設置了10 kV架空導線各個模塊的參數，構建了10 kV架空導線的仿真計算模型，仿真模擬了在感應雷過電壓、雷擊橫擔過電壓以及雷擊線路過電壓下并聯間隙的單相同線安裝方式對10 kV架空導線路耐雷水平的影響，得到并聯間隙的單相同線安裝方式在10 kV架空線路中防雷的優越性。具體結論如下。

1)針對10 kV架空線路，提出了并聯間隙的單相同線安裝方式，即同一基桿塔的一回線路僅在一相安裝并聯間隙，相鄰桿塔連續安裝在同一相上。當并聯間隙被雷過電壓擊穿，相間耦合可以提高同基桿塔另外2相絕緣子的絕緣水平，從而提高線路的耐雷水平。

2)仿真計算結果顯示并聯間隙的單相同線安裝方式可以顯著提高配電線路的耐雷水平，并聯間隙的單相同線安裝方式使10 kV架空線路在感應雷、雷擊桿塔橫擔2種過電壓下，耐雷水平相對于不安裝并聯間隙時分別提高了84.87%、103.53%；相對于單相變線安裝方式時分別提高了62.26%和78.35%。并聯間隙單相同線安裝方式的間隙最佳距離范圍為80.01～106.31 mm。

3)并聯間隙的單相同線安裝方式解決了非同基桿塔相間短路影響10 kV架空線路耐雷水平的問題，比單相變線安裝方式具有更能提高線路耐雷水平的優越性和穩定性，更加適合在10 kV架空線路中推廣應用。