1、第30卷 第19期 电 网 技 术 Vol. 30 No.19 2006年10月 Power System Technology Oct. 2006 文章编号：1000-3673（2006）19-0092-05 中图分类号：TM863 文献标识码：A 学科代码：4704034 避雷器改善35kV配电线路耐雷水平的效果分析 施 荣，屠幼萍，张媛媛，王 倩 （高电压与电磁兼容北京市重点实验室（华北电力大学），北京市 昌平区 102206） Analysis on Effect of Improving Lightning Withstand Level of 35kV Transmission L
2、ine by MOAs as Line Surge Arrester SHI Rong，TU You-ping，ZHANG Yuan-yuan，WANG Qian （Beijing Key Laboratory of High Voltage the influences of impulse grounding resistances of towers and the locations where the shielding failures occur on LWLs are analyzed. Simulation results show that the measures, su
3、ch as installing line surge arresters and reducing grounding resistances of towers, can effectively improve the LWL of 35kV transmission lines. For 35kV transmission lines with lightning shield lines, the flashover probability caused by shielding failures can be evidently reduced while MOAs are inst
4、alled as line surge arresters. KEY WORDS：line arrester；lightning withstand level；impulse grounding resistance；lightning shield line；35kV line；high voltage and insulation technology 摘要：应用电磁暂态计算程序(electromagnetic transient program，EMTP)对安装金属氧化物避雷器的35 kV配电线路的耐雷水平进行了分析计算。具体比较了雷击有、无避雷线的线路，采取不同避雷器安装方案时的耐雷
5、水平；分析了杆塔冲击接地电阻、绕击导线位置对耐雷水平的影响。仿真计算结果表明，安装线路避雷器减小杆塔的接地电阻可有效提高35 kV配电线路的耐雷水平。对于35 kV有避雷线配电线路，加装线路避雷器后可显著降低其发生绕击闪络的概率。 关键词：线路避雷器；耐雷水平；冲击接地电阻；避雷线；35kV配电线路；高电压与绝缘技术 0 引言 随着工农业的发展，对输配电线路供电可靠性的要求越来越高。供电中断既影响设备的正常工作，又影响人们的正常生活。随着电力系统的发展，输配电线路雷击故障的发生率也日益增长1。例如，在我国跳闸率比较高的地区，在高压线路运行的总跳闸次数中由雷击引起的次数约占 40%70%，尤其是
6、在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击输配电线路引起的事故率更高。 为减少输配电线路的雷击故障，所采用的措施有：减小避雷线的屏蔽角、提高线路绝缘水平、降低杆塔接地电阻、多重屏蔽、双回线路采用不平衡绝缘等2。其中减小屏蔽角的方法易受杆塔结构的限制，而提高绝缘水平将增加线路造价。自 1980年开始，国外已开展了应用避雷器来降低线路雷击事故的研究，并成功地将避雷器应用到输配电线路上3-5。我国也已研制出10500 kV的线路避雷器，并已大量应用于输配电线路的雷电防护6。国内已对 110 kV 及以上电压等级有避雷线的输电线路采用线路避雷器后的防雷效果进行了详细分析7-12，但对无避雷线的35 k
7、V线路采用线路避雷器后的防雷效果目前还没有系统的研究。 输配电线路地处旷野，雷击线路造成的跳闸事故在电网总事故中占有很大的比例。同时，雷击线路时自线路入侵变电站的雷电波也是威胁变电站的主要因素，因此，对线路的防雷保护应予以充分重视13-14。本文采用电磁暂态计算程序(electromagnetic transient program，EMTP)分析了35 kV线路采用金属氧化物避雷器后，在雷击杆塔时和雷击线路情况下的保护效果。 1 分析条件 计算选用的35 kV配电线路杆塔为无拉线钢筋PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 第30卷 第19期 电 网 技 术 93 混
8、凝土单杆，如图 1所示，杆塔波阻抗为250 ，电感平均值为 0.84 H/m。雷击杆塔时，雷电流经杆塔通过接地装置流散入大地。在雷电流的作用下，接地装置的接地电阻呈现暂态电阻特性，用冲击接地电阻来表征。冲击接地电阻不同于工频接地电阻，它是土壤电特性、接地装置形状和埋深以及雷电流的函数。在计算中，一般杆塔的冲击接地电阻取为10 ，而对于山区，特别是岩石地区的杆塔冲击接地电阻要高得多。为研究杆塔冲击接地电阻的影响，计算时使冲击接地电阻在 5100 的范围内变化15。 1 100 mm1 450 mm1 450 mm 1 900 mm 2 500 mm B相 A相 C相 9 300 mm图 1 计算
9、用线路杆塔 Fig.1 The structure of the tower for analysis 图2为雷击杆塔时计算波过程的示意图。金属氧化物避雷器与悬式绝缘子并联安装，避雷器的额定电压为 42 kV。计算所用线路避雷器的型号为 YH 5 CX-42/120，表 1 与表 2 分别为避雷器本体的电气参数和伏安特性。 0 号塔 2号塔 4 号塔 6号塔 1号塔 3 号塔 5号塔 R0 雷击 R1 R4 R2 R6 R3 R5 图 2 雷击杆塔时的波过程 Fig.2 Sketch map of travel wave during lightning stroke 表1 35 kV线路避雷
10、器本体参数 Tab.1 Parameters of 35 kV surge arrester 系统 电压/kV 避雷器额定 电压/kV U1mA 峰值/kV 雷电冲击电流下 残压/kV 35 42 60 120 表2 35 kV避雷器本体伏安特性 Tab.2 The volt-ampere characteristic of 35 kV surge arrester 电流/A 0.000 3 0.001 0.05 10 100 500 300 0 500 0 电压/kV 57.3 60.0 64.92 69.78 76.62 84.0 94.14 105.18 2 杆塔冲击接地电阻对耐雷水平的
11、影响 线路的耐雷水平是指保证绝缘子不发生闪络所能承受的最大雷电流(当杆塔塔顶电压与导线上的感应电压的差值超过绝缘子串的 50%放电电压时，绝缘子发生闪络16-18)。安装线路避雷器的目的是提高线路的耐雷水平19，因此，在输配电线路上装设金属氧化物避雷器必须达到2个目的：被保护线段内发生雷击时，保证被保护线段内绝缘子不发生闪络；被保护线段外发生雷击时，保证被保护线段内绝缘子也不发生闪络。 对于有、无避雷线的35 kV 配电线路，当雷击0 号塔时，在线路上装设不同方案的避雷器，线路耐雷水平与杆塔冲击接地电阻的关系如图3(a)、(b)所示。计算时所有杆塔冲击接地电阻均取相同值。 600 500 40
12、0 200 20 100 300 100 0 60 80 40 0 耐雷水平/kA 冲击接地电阻/ 5组避雷器 3组避雷器 无避雷器 1组避雷器 (a) 有避雷线线路 30025020015010050 0 20 40 0 60 80 100 冲击接地电阻/ 耐雷水平/kA1 组避雷器 无避雷器 3 组避雷器 5 组避雷器 (b) 无避雷线线路 图3 耐雷水平与杆塔冲击接地电阻的关系 Fig.3 The relation between impulse grounding resistance and the lightning withstand level 由图3可以看出，无论线路是否有避
13、雷线，是否装有避雷器，线路的耐雷水平均随杆塔冲击接地电阻增大而减小。同一杆塔冲击接地电阻下，装设了避雷器的线路其耐雷水平较无避雷器时高，提高的程度与装设的避雷器组数有关。装设 1 组避雷器时，当冲击接地电阻在5100 的范围内时，耐雷水平虽可提高到 1.21.6倍(有避雷线线路)或1.52倍(无避雷线线路)，但仍然很低，尤其是在高接地PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 94 施荣等：避雷器改善35kV配电线路耐雷水平的效果分析 Vol. 30 No. 19 电阻情况下。装设 3 组避雷器时，即在相邻的1、2号杆塔再各装1组金属氧化物避雷器，有、无避雷线的线路的耐雷
14、水平分别可提高到 24.4 倍和35.5 倍。装设 5 组避雷器时，各冲击接地电阻下的耐雷水平都有很大幅度的提升，无避雷线的线路的耐雷水平可提高到 47.5倍；有避雷线时更为明显，可达5.69.8倍。此外，当接地电阻大于20 时，线路耐雷水平随冲击接地电阻增大而下降的陡度变缓，原因是冲击接地电阻虽然直接决定了雷击杆塔塔顶电位的高低和雷电流分流的大小，但避雷器的分流钳位作用使塔顶电位与导线电位接近，接近的程度与冲击接地电阻无关，从而减小了冲击接地电阻的影响。 比较图3(a)和(b)可以看出，在各种加装避雷器的方案下，冲击接地电阻相同时，有避雷线线路的耐雷水平均比无避雷线时高。原因是避雷线为雷电流
15、提供了新的流散通道，从而提高了线路的耐雷水平。 表3、4分别为有、无避雷线的线路，在雷击0号杆塔时，未装避雷器和装1组、3组和5组避雷器时线路的耐雷水平与被击杆塔冲击接地电阻的关系。表中“1组(0号塔)”表示在0号塔上安装1组避雷器。计算时除0号杆塔以外，其余杆塔的冲击接地电阻均取为10 ，主要分析被击杆塔的冲击接地电阻对线路耐雷水平的影响。 表3 有避雷线线路装设不同组数避雷器时耐雷水平与 冲击接地电阻的关系 Tab.3 The relation between lightning withstand level and impulse grounding resistance of tra
16、nsmission line with shielding wire and different number of surge arresters 0号塔接地电阻/ 10 20 40 60 80 100 无避雷器 38.4 24.1 15.2 11.9 10.3 9.3 1组(0号塔) 50.6 33.1 21.1 16.7 14.5 13.3 3组(0、1、2号塔) 152.7 111.9 85.8 73.8 66.7 62.5 5组(04号塔) 367.9 294.3 257.1 245.1 237.0 233.3 表4 在装设不同组数避雷器时无避雷线线路的耐雷水平与冲击接地电阻的关系
17、Tab.4 The relation between lightning withstand level and impulse grounding resistance of transmission line without shielding wire under different number of surge arresters 0号塔接地电阻/ 10 20 40 60 80 100 无避雷器 24.9 15.3 9.0 6.5 5.3 4.5 1组(0号塔) 34.7 23.8 15.0 11.4 9.8 8.5 3组(0、1、2号塔) 101.8 53.3 29.0 20.3
18、16.4 13.9 5组(04号塔) 179.0 79.9 41.9 29.5 23.2 19.5 对于有避雷线的配电线路，比较图 3(a)和表 3可以发现，不装避雷器和装1组避雷器时，线路耐雷水平与冲击接地电阻取相同值时差别不大，即此时耐雷水平主要取决于雷击杆塔的冲击接地电阻，受其他杆塔的冲击接地电阻的影响较小；但当装设3组和5组避雷器时，线路耐雷水平较冲击接地电阻取相同值时明显增大，尤其是在接地电阻较大的情况下，例如，冲击接地电阻在40100 的范围内变化时，耐雷水平是接地电阻取为同值时的 23.9倍(装3组避雷器)和2.44.8倍(装5组避雷器)，因此，此时线路的耐雷水平既受被击杆塔的冲
19、击接地电阻的影响，还受其它杆塔冲击接地电阻的制约。 而比较图3(b)和表4可以得出，对于无避雷线的线路，耐雷水平与冲击接地电阻取为同值时完全相同，即耐雷水平主要取决于雷击杆塔的冲击接地电阻，受其他杆塔的冲击接地电阻的影响很小，可以忽略。 3 雷击线路时的耐雷水平 图4为有、无避雷线时，在加装不同组避雷器的方案下，当雷击两杆塔之间线路不同位置时线路的耐雷水平变化曲线。雷击0号杆塔与1号杆塔之间，档距为 200 m。计算时所有杆塔冲击接地电阻均为10 。 雷击点距0号塔的距离/m 耐雷水平/kA无避雷器 0号塔安装1组避雷器0、1号塔各安装1组避雷器50 40 30 20 10 0 200 0 5
20、0 100 150 (a)有避雷线 耐雷水平/kA无避雷器 0号塔安装1组避雷器 0、1号塔各安装1组避雷器 36 30 24 18 12 6 雷击点距0号塔的距离/m 200 0 50 100 150 (b)无避雷线 图4 雷击两杆塔之间线路不同位置时线路的耐雷水平 Fig.4 The relation between the distance from the lightning stroke position to No.0 tower and the lightning withstand level 由图 4可以看出，未装避雷器时，线路耐雷水平不受雷击位置的影响，且耐雷水平很低，仅为
21、 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 第30卷 第19期 电 网 技 术 95 2.6 kA (有避雷线)和2.5 kA(无避雷线)，远低于雷击杆塔塔顶情况下的38.4 kA和24.9 kA。当0号杆塔安装1组避雷器时，耐雷水平随雷击点与0号杆塔的距离的增大而降低，雷击1号杆塔时的耐雷水平最低，只有2.7 kA(有避雷线)和2.6 kA(无避雷线)，与0号杆塔无避雷器时的计算值几乎没有差别。当0、1号杆塔各安装1组避雷器时，有、无避雷线的线路的耐雷水平沿线分布曲线均以档距中央为对称轴分布，与只在0号杆塔安装避雷器时相比，耐雷水平均有明显的提高，雷击档距中央线路时耐
22、雷水平最高，可达 43.2 kA和33.8 kA。因此，通过对有、无避雷线的35 kV配电线路的模拟计算可以得出，在未安装避雷器的情况下，雷电流大于2.6 kA和2.5 kA时将发生闪络，采用避雷器来增大雷击于导线时的耐雷水平是很重要的。 此外，对于有避雷线的线路，避雷线的保护也不是绝对的，而是有一定的绕击率。当雷电流大于某一值，将不会发生绕击，而雷电流较小时，则绕击的可能性增大。本文用绕击几何分析模型求该临界雷电流幅值Ik，与Ik对应的击距称为临界击距rsk。首先，根据式(1)计算出临界击距rsk20 2(1sin)bdsk hhr a+= (1) 0.757.1skkrI= (2) 式中：
23、hb 为避雷线的高度；hd 为导线的高度；a为保护角。 根据35 kV配电线路杆塔参数可求得此时A相导线下的临界击距rsk,A=25.5 m，B相导线下的临界击距rsk,B= 16.7 m(C相与其相等)。根据式(2)可分别求出与之相应的雷电流幅值，Ik,A=5.5 kA，Ik,B=3.1kA。因此在低于5.5 kA的雷电流作用下很可能发生绕击。 根据图 4(a)对 35kV 有避雷线的配电线路的模拟计算结果可以得知，在不装避雷器的情况下，线路耐雷水平只有2.6 kA，很可能发生绕击闪络，只在0号塔上装避雷器也难避免绕击。如果绕击点为0号杆塔，再在 1号塔加装1组避雷器，耐雷水平可提高到25
24、kA以上，可完全保护配电线路免于绕击闪络。 4 结论 （1）对于有避雷线的35 kV 配电线路，装设 1组、3 组、5 组避雷器，耐雷水平最高可分别提高到1.6倍、4.4倍和9.8倍；对于无避雷线的35 kV配电线路，装设 1 组、3 组、5 组避雷器，耐雷水平最高可分别提高到2.0倍、5.5倍和7.5倍。 （2）被击杆塔的冲击接地电阻直接决定线路的耐雷水平，无论避雷器以何种方式安装，线路的耐雷水平都随被击杆塔冲击接地电阻的增大而降低。对于有避雷线的配电线路，耐雷水平还受其他杆塔冲击接地电阻的影响。 （3）雷击35 kV配电线路导线不同位置时，在未安避雷器的情况下，耐雷水平只有2.6 kA(有
25、避雷线)和2.5 kA(无避雷线)；装设2组避雷器时，在雷击档距中央，耐雷水平达到 43.2 kA(有避雷线)和33.8 kA(无避雷线)。 （4）对于35 kV有避雷线配电线路，在相邻杆塔上各装 1组线路避雷器，可完全保护两塔间线路免于绕击闪络。 参考文献 1 张志劲，司马文霞，蒋兴良，等. 超/特高压输电线路雷电绕击防护性能研究J中国电机工程学报，2005，25(10)：1-6 Zhang Zhijin，Sima Wenxia，Jiang Xingliang，et al. Study on the lightning protection performance of shielding
26、failure for UHV&EHV transmission linesJProceedings of the CSEE，2005，25(10)：1-6(in Chinese) 2 周泽存高电压技术M北京：中国电力出版社，2004 3 Furukawa S，Usuda O，Isozaki T，et alDevelopment and application of lightning arresters for transmission linesJIEEE Trans on Power Delivery，1989，4(4)：2121-2129 4 Ishida K，Dokai K，Tsoz
27、aki T，et alDevelopment of a 500kV transmission line arrester and its characteristicsJIEEE Trans on Power Delivery，1992，7(3)：1265-1274 5 Ohki Y，Yasufuku SLightning arresters developed for 500kV transmission linesJIEEE Electrical Insulation Magazine，1994，10(4)： 61-62 6 许伟，陈水明，何金良1000kV交流输电线路的故障激发过电压研究
28、J电网技术，2005，29(21)：10-13 Xu Wei，Chen Shuiming，He JinliangResearch on switching overvoltage caused by faults in 1000kV AC transmission lineJPower System Technology，2005，29(21)：10-13(in Chinese) 7 He Jinliang，Chen Shuiming，Zeng Rong，et alDevelopment of polymeric surge ZnO arresters for 500kV compact tr
29、ansmission line JIEEE Trans on Power Delivery，2006，21(1)：113-120 8 侯牧武，曾嵘，何金良感应过电压对输电线路耐雷水平的影响J电网技术，2004，28(12)：46-49 Hou Muwu，Zeng Rong，He JinliangInfluence of lightning induced voltage on lightning withstand level of transmission linesJPower System Technology，2004，28(12)：46-49(in Chinese) 9 钱冠军，王晓
30、瑜，汪雁，等输电线路雷击仿真模型J中国电机工程学报，1999，19(8)：39-44 Qian Guanjun，Wang Xiaoyu，Wang Yan，et alLightning simulation of transmission lineJProceedings of the CSEE，1999，19(8)：39-44(in Chinese) 10 He Jinliang，Tu Youping，Zeng Rong，et alNumerical analysis model for shielding failure of transmission line under lightnin
31、g stroke PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 96 施荣等：避雷器改善35kV配电线路耐雷水平的效果分析 Vol. 30 No. 19 JIEEE Trans on Power Delivery，2005，20(2)：815-822 11 叶会生， 何俊佳，李化， 等雷击高压直流线路杆塔时的过电压和闪络仿真研究J电网技术，2005，29(21)：31-35 Ye Huisheng，He Junjia，Li Hua，et alSimulation of overvoltage and flashover caused by lightning stroke
32、at towers of HVDC transmission lineJPower System Technology，2005，29(21)：31-35(in Chinese) 12 司大军，束洪春，陈学允，等输电线路雷击的电磁暂态特征分析及其识别方法研究J中国电机工程学报，2005，25(7)：64-69 Si Dajun，Shu Hongchun，Chen Xueyun，et alStudy on characteristics and identification of transients on transmission lines caused by lightning strok
33、eJProceedings of the CSEE，2005，25(7): 64-69(in Chinese) 13 李海锋，王钢，赵建仓输电线路感应雷击暂态特征分析及其识别方法J，中国电机工程学报，2004，24(3)：144-149 Li Haifeng，Wang Gang，Zhao JiancangStudy on characteristics and identification of transients on transmission lines caused by indirect lightning strokeJProceedings of the CSEE，2004，24
34、(3)：144-149(in Chinese) 14 许颖变电所防雷保护几个问题浅见J电网技术，2000，24(4)：12-15 Xu Ying Some aspects related to lightning protection of substationsJPower System Technology，2000，24(4)：12-15(in Chinese) 15 邓岳华，阮绵晖，刘味果高压设备绝缘在线监测系统的现场应用与分析J电网技术，2004，28(16)：69-72 Deng Yuehua，Ruan Mianhui，Liu WeiguoOn site application a
35、nd analysis of on-line insulation monitoring system for high voltage power equipmentsJPower System Technology，2004， 28(16)：69-72(in Chinese) 16 莫付江，陈允平，阮江军输电线路杆塔模型与防雷性能计算研究J电网技术，2004，28(21)：80-84 Mo Fujiang，Chen Yunping，Ruan JiangjunAnalysis on coupling mechanism and calculation method of lightning
36、induced surge on overhead transmission linesJPower System Technology，2004，28(21)：80-84(in Chinese) 17 李凡，施围线路避雷器的绝缘配合J高电压技术，2005，31(8)：18-23 Li Fan，Shi WeiInsulation coordination for line surge arrester JHigh Voltage Engineering，2005，31(8)：18-23(in Chinese) 18 李壮和，李燕避雷器在输电线路防雷中的应用分析J高电压 技术，2004，30(3
37、)：63-64 Li Zhuanghe，Li YanApplication and analysis of surge arrester in lightning protection of power transmission linesJHigh Voltage Engineering，2004，30(3)：63-64(in Chinese) 19 李凡，施围线路避雷器的设计及试验J电网技术，2004，28(4)：38-42 Li Fan，Shi WeiDesign and test of silicon rubber line lightning arresterJPower Syste
38、m Technology，2004，28(4)：38-42(in Chinese) 20 张纬钹，何金良，高玉明过电压防护及绝缘配合M北京：清华大学出版社，2002 收稿日期：2006-04-11。 作者简介： 施 荣(1977)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统过电压； 屠幼萍(1966)，女，硕士，副教授，研究方向为电力系统过电压、接地技术及电介质材料等； 张媛媛(1982)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统过电压； 王 倩(1982)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统过电压。 （责任编辑 马晓华）国家电网公司“户户通电”工程取得阶段性成果 5个月完成逾16万无电户通电任务 自 20
39、06年3月底全面启动“户户通电”工程以来，到8月底仅仅 5个月时间，国家电网公司已经完成了 16.1 万户无电户的通电任务。其中，安徽省和河北南部电网已实现“户户通电”。国家电网公司“户户通电”工程取得了阶段性成果。 国家电网公司积极服务社会主义新农村建设，提出了“新农村、新电力、新服务”的农电发展战略，全面推进“户户通电”工程。今年上半年，公司与经营区域内尚未实现“户户通电”的20个省（自治区、直辖市）政府签署了农村“户户通电”工程会谈纪要，“户户通电”工程进入实施阶段。自 3 月底正式启动以来，经过5个月的艰苦努力，国家电网公司“户户通电”工程取得了良好开局。 国家电网公司计划2006年全年完成“户户通电”工程投资86.5亿元，完成54.2万无电户的通电任务，解决181.5万人的用电问题。“十一五”期间，国家电网公司将在经营范围内的26个省（自治区、直辖市）投资220.8亿元，完成 114.7万无电户的通电任务，解决436.3万人的用电问题。到2010年，凡是通过国家电网最大限度延伸能够解决供电问题的地区基本实现户户通电。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建
