周强
内蒙古电力（集团）有限责任公司鄂尔多斯业局 内蒙古 鄂尔多斯市017000
摘要：架空配电线路常用的防雷措施有：架设避雷线、安装避雷针、降低杆塔接地电阻、提高线路绝缘水平、采用“不平衡”绝缘布置、绝缘子加装保护间隙和分段布置金属氧化锌避雷器（MOA）、采用架空绝缘电缆等。架设避雷线的方法费用较高，且对于感应雷过电压占主导影响的配电线路防雷效果不明显，按规程规定架设即可。降低杆塔接地电阻是最经济而有效的措施，但对于高电阻率土壤，实现难度较大。
关键词：架空配电线路；氧化锌避雷器；ATP－EMTP；数值计算；
为了提高配电网抵御雷电灾害的能力，通过定量计算，提出了有效的防雷措施。利用ATP－EMTP仿真软件，结合规程算法计算几种绝缘子配置方案下的耐雷水平。采用数值计算方法，借助Fortran语言，建立了有限长线路两端接非线性负载时的感应雷过电压数学模型，计算氧化锌避雷器（MOA）安装间距与线路闪络降低百分数之间的关系曲线。
一、仿真模型的建立
选择ATP－EMTP仿真软件搭建模型，结合工程实例，计算线路耐雷水平。（1）雷电模型。ＡＴＰＤｒａｗ程序中有直接输入波头时间和波尾时间参数的雷电流模型。仿真中取１２．３３％概率的雷电流幅值８０ｋＡ，负极性１．２／５０μｓ波形，作为研究中的主要波形。（2）杆塔模型。仿真中杆塔模型采用波阻抗模型。根据杆塔的结构尺寸和导线悬挂点的位置将杆塔波阻抗分为几部分，考虑到横担的影响，本文的波阻抗选择125Ω，波速取210ｍ／μｓ。（3）输电线路模型。站内线路采用连续换位的Ｃｌａｒｋｅ模型，站外输电线路采用π型架空线路模型。在整个计算中，为可靠起见，忽略波在传播过程中的各种损耗。（4）绝缘子模型。绝缘子模型利用压控开关模拟。（5）避雷器模型。MOA伏安特性采用分段线性函数模型来模拟。（6）变压器等电气设备模型。雷电侵入波具有等值频率高和维持时间短的特点，变电站设备如变压器、隔离开关、互感器等，均可视作电容元件。
二、数值计算方法
1.计算基本条件。对计算条件作如下假定：（1）由释放束缚电荷产生的感应电压分量被忽略，仅考虑主放电回击过程中产生的静电效应和磁效应所形成的感应电压。（2）沿先导通道的电荷分布是均匀的，雷击垂直于大地。（3）主放电回击的速度是恒定的，与光速呈一定的比例关系。（4）架空导线是理想导线，没有损耗。且大地是良导体。
２．基本模型与方程。选用空间直角坐标系，不失一般性，取雷在地面（ｘｙ平面）的落雷点为坐标原点，ｚ轴为雷电通道的中心线，导线到雷电通道最近距离为ｙ０，平均高度为ｈ，且沿着ｘ轴方向。导线上的实际电压称为感应电压，然而，施感电压是产生感应电压的原因，是感应电压微分方程中的强迫函数或源。不考虑线路的损耗，配电线路可由分布函数表示，每一个小单元均由串联电感和并联电容组成。
三、计算结果比较分析
1.不用绝缘子配置方案计算结果。结合工程实例，对６～35ｋＶ线路直线杆型绝缘子各种配置方案进行ＡＴＰ－ＥＭＴＰ仿真和规程法计算，６／10ｋＶ线路绝缘子中相采用“针式”，两边相采用“棒式”的“一针两棒”的不平衡布置时，可以使双相临界闪络电流＞38ｋＡ，相对最严重布置方式，雷击跳闸率降低了８４．２％，可以作为最优方案的选择对象。由表２可知：３５ｋＶ线路绝缘子采用不平衡布置时，雷击跳闸率降低不明显，建议三相均采用复合绝缘子Ｓ2－35，较三相均采用Ｓ－280棒式绝缘子，雷击跳闸率可降低34.5％。另外，感应雷害在配电线路的雷击跳闸中占绝大多数，故配电线路的防雷重点应放在感应雷害的防治。
2.MOA不同安装间距计算结果。在雷击点离导线最小距离一定的条件下，雷击点离MOA越远，线路上的最大感应雷过电压越高，因此最大感应雷过电压出现在两个MOA连接导线的中间，为进一步简化计算，假设雷击点不在两个MOA之间的区间的感应雷过电压等同于雷击所在的这个区间，即图２中的ＡＡ′和ＢＢ′等的感应雷过电压分布与ＡＢ相同，很明显，这一假设将使计算结果略为偏大，及偏安全值。根据对称性及电路理论的基本性质，可将Ｏ及Ｏ′点断开并且并联在一起，这样可按图1来分析和计算导线接有ＭＯＡ时的感应雷过电压问题。
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图1接有MOA的导线与雷击点等效示意图
当末端接MOA时，由于引进了非线性元件，叠加原理已不适应，如果采用斜角波头电流，数值计算中会碰到奇点；如果采用双指数函数的电流波，计算工作量过大，难以实现。为简化计算，认为施感电压Ｕｉ的幅值Ｕｍ由下式决定。
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式中，10为雷电流幅值，ｋＡ；ｈ为架空线的平均高度，ｍ；Ｓ为雷击点至导线最近点距离，ｍ。施感电压的波形为2.6／40μｓ双指数波。因此比较容易得到感应电压的初始条件和强迫函数Ｆ（ｘ，ｔ）的表达式。对于图1所示线路，当末端接有MOA时，边界和初始条件为：（１）首端（当ｘ＝０时）电流Ｉ＝０；（２）末端（当ｘ＝ｌｃ时）电压电流关系应满足ＭＯＡ的特性曲线Ｕ＝ｆ（Ｉ）；（３）记雷击发生时刻为时间起始点，线路上感应到施感电压时间均为ｔ０。ｔ０时刻，线路上每点的施感电压Ｕｉ（ｘ，ｔ０）＝０；（４）线路上每点的施感电压与雷电流到该点的距离无关，所受到的雷电流的影响都与线路首端相同，即
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式中，η０为波形系数，η０＝0.9048；τ１为波头时间常数，τ１＝50μｓ；τ２为波尾时间常数，τ２＝１μｓ。已知导线高度，在距离Ｓ一定的情况下，引起线路闪络的雷电流必须满足。我国年平均雷电日＞２０的地区雷电流Ｉ的概率分布公式为
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假定落雷次数沿Ｓ均匀分布时，落雷引起闪络的次数与Ｐ的积分成正比，以35ｋＶ线路为例：绝缘子闪络电压取为280ｋＶ，即末端空载时，施感电压峰值＞280ｋＶ即发生闪络故障。线路平均高度ｈ＝15ｍ。对于年平均雷日＞20的地区，能引起线路闪络的雷电流出现的概率Ｐ＝10－0.747S／88约为56％，对雷电活动不是十分强烈的地区为Ｐ＝10－0.747Ｓ／44＝31％，所以对于35KV线路来说，尤其是雷电活动较多地段，感应雷的威胁也较大，必须注意防范感应雷。计算中，边界条件由MOA的非线性伏安特性曲线决定。MOA的特性曲线根据给出的曲线按３段线性化，同一安装距离下，35ｋＶ线路其防雷效果要比６／10KV线路更好；少雷区比多雷区防雷效果更好。综合考虑防雷效果和经济效益，建议多雷区６／10KV和35ｋＶ线路每300ｍ安装一组避雷器，较之没有安装KV时，感应雷事故分别可降低７５％和８１％；少雷区６／10ｋＶ和35ｋＶ线路每６００ｍ安装一组避雷器，较之没有安装KV时，感应雷事故分别可降低59.4％和69.9％。应当指出，这些结果是在计算模型中朝有利于安全（即偏保守）的简化假设下得到的，因此实际运行结果应较上述结论更理想。
总之，建议6／10ｋＶ架空线路绝缘子由传统的“对称绝缘（三针）”改变为“不对称绝缘（一针两棒）”配置，能够显著提高两相临界闪络电流，降低雷击跳闸率。建议35ｋＶ架空线路采用复合绝缘子，能够有效提高两相临界闪络电流，降低雷击跳闸率。综合考虑防雷效果和经济效益，建议多雷区6／10ｋＶ和35ｋＶ线路每300ｍ安装１组避雷器；少雷区６／10ｋＶ和35ｋＶ线路每600ｍ安装１组避雷器。
参考文献：
［１］李廷方，配电网防雷保护的分析与研究．2018.
［２］赵广润．分析提高架空配电线路耐雷水平的仿真.2019.