摘 要

随着经济和科技的快速发展，我国进入各方面飞速前进的列车道，对电能的需求量也稳步增长。10kV架空配电线路作为电力输送的终端，同时也是配电网的重要环节，其安全稳定运行也成了需要密切关注的问题。由于10kV架空配电线路的防雷措施不完善，且绝缘水平低，经常发生跳闸故障，其中雷击跳闸率在总跳闸率中占较大比重。因此提高架空配电线路的耐雷水平，提高供电可靠性成为尤为重要的课题。

本文主要通过文献调研绝缘子闪络的判断依据，在此基础上建立以伏秒特性为判断依据的绝缘子闪络模型，然后使用PSCAD/EMTDC仿真软件实现绝缘子闪络模型，并在此基础上架设避雷线，研究10kV架空配电线路加装避雷线前后防雷水平的变化。

关键词：架空配电线路、避雷线、绝缘子、闪络模型、PSCAD

Abstract

With the rapid development of economy and science and technology, our country has entered a rapidly growing number of train tracks, and the demand for electric energy has also steadily increased. The 10kV overhead distribution line is used as a terminal for power transmission, and it is also an important part of the distribution network. Its safe and stable operation has also become a problem requiring close attention. Because the lightning protection measures of the 10kV overhead distribution line are not perfect and the insulation level is low, tripping faults often occur, among which the lightning tripping rate accounts for a larger proportion in the total tripping rate. Therefore, improving the lightning resistance level of overhead distribution lines and improving the reliability of power supply is a particularly important issue.

In this paper, the authors mainly investigate the insulator flashover based on the literature, and establish the insulator flashover model based on the volt-second characteristics. Then, the insulator flashover model is implemented using the PSCAD/EMTDC simulation software, and the lightning protection is built on this basis. Line, study the change of lightning protection level before and after installing the lightning protection line on the 10kV overhead distribution line.

Keywords: overhead distribution lines、 lightning conductors、insulators、 flashover models、PSCAD

目 录

目 录 I

第一章 绪论 1

1.1研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1 10kV架空配电线路的防雷研究现状 1

1.2.2 架设避雷线的防雷分析 6

1.2.3关于线路绝缘子的研究 6

1.2.4关于架空配电线路绝缘子闪络模型的研究 7

1.2.5架空配电线路雷害的机理 8

1.3本文研究的主要内容 8

第二章 架空配电线路雷击机理的研究 10

2.1雷云的产生与放电过程 10

2.2感应雷过电压的产生 11

2.3 雷电参数 12

2.4本章小结 13

第三章 基于PSCAD的仿真模型 14

3.1 PSCAD/EMTDC软件介绍 14

3.2 雷电流模型 15

3.2.1雷电流参数 15

3.2.2选用雷电流波形 17

3.3 杆塔模型 18

3.3.1 杆塔结构 18

3.3.2集中电感模型 19

3.4 绝缘子模型 19

3.4.1绝缘子伏秒特性 19

3.4.2绝缘子模型 20

3.5 10kV架空配电线路模型 21

3.6本章小结 22

第四章 绝缘子闪络模型的建立 23

4.1绝缘子闪络原理 23

4.1.1 绝缘子闪络的原因 23

4.1.2 绝缘子闪络的路径 23

4.1.3绝缘子闪络的机理 24

4.2绝缘子的闪络模型 25

4.3本章小结 26

第五章 避雷线对线路耐雷水平影响的研究 27

5.1线路耐雷水平的指标 27

5.1.1耐雷水平 27

5.1.2雷击跳闸率 27

5.2架设避雷线前雷击杆塔的仿真分析 27

5.3 架设避雷线后雷击杆塔的仿真分析 29

5.4本章小结 32

结论 33

致 谢 34

参考文献 35

第一章 绪论

1.1研究意义

随着我国经济的快速发展，产业结构的优化，我国综合实力明显增强，同时近些年来供电量每年都在稳步增长，配电网的安全可靠运行也变得越来越重要。在配电网中，10kV架空配电线路作为重要的一环，是变电站和配电站之间的枢纽，以实现输送电能为目的的电力设施。10kV架空配电线路架设的高度比较低，而且一般会受到附近的树木和建筑物的遮蔽，因此其遭受感应过电压的概率相对比直击雷的概率大。除此之外，由于10kV线路是电力输送的终端，线路通道比输电网复杂得多，交跨各种建筑物、树木、线路等，且防雷措施不完善，绝缘水平比较低，经常发生倒杆、断杆、绝缘子击穿或爆裂、断线、避雷器爆裂、配变烧毁等故障；严重时甚至会导致人员伤亡等情况。据相关研究表明，由于雷击导致的跳闸次数占的比重较大，约占总次数的70%-80%，特别是雷暴多、地形复杂、土壤电阻率高的地方，雷击跳闸的故障率更高。

在配电网中，10kV架空配电线路是很重要的一环，社会用电的畅通与其的安全可靠运行是密切相关的，其能够安全可靠运行，不仅仅关系着千家万户的用电安全，而且关系着企业等的平稳运营等。因此，需要对10kV架空配电线路进行防雷分析，由于雷击跳闸率占总跳闸率的比重较大，本文主要是对绝缘子及其相关内容进行研究，通过调研了解其特性及闪络情况和判断依据，并用PSCAD/EMTDC软件完成10kV架空配电线路雷击跳闸率的计算，为以后的科学研究打下坚实的基础。

1.2国内外研究现状

1.2.1 10kV架空配电线路的防雷研究现状

10kV架空配电线路是配电网中极为重要的一个环节，由于配电线路架设高度相对比较低，分布范围极为广泛（无论是城市、农村，还是山区，都有架空配电线路），而且在变电站与用电户之间起着枢纽的重要作用。但是对于架空配电线路来说，它的绝缘水平比较低，经常受到雷电等其他因素的危害。

架空线路遭受雷击的可能性分为两种类型，分别是直击雷过电压和感应雷过电压，其中直击雷过电压包括雷击塔顶及塔顶附近避雷线、雷击档距中央的避雷线、雷击导线等，感应雷过电压包括雷击线路附近地面。输电线路防雷的任务是：在综合各方面因素的基础上，采取经济有效的措施，尽可能使雷害的程度降低，使系统能够按照目标要求安全可靠的工作。近些年来，国内外对10kV架空配电线路的防雷研究越来越重视，实际上，提高线路的防雷能力和耐雷水平，就是降低线路的雷击跳闸率，线路不跳闸就能正常运行。

目前，国内外对输电线路采取的防雷措施主要有四道防线，分别是防止导线遭受雷电直击、防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘子发生闪络、防止配电线路短路后转化为稳定的工频电弧、防止线路中断供电。其中，防止导线遭受雷电直击，是指将避雷线沿着线路进行架设，必要的时候要装设避雷针配合使用，使其发挥最大效用；在一些比较特殊的情况下，会将其改为电缆线路，这样可以避免输电线遭受雷电的直接击中。防止雷击塔顶或避雷线后引起绝缘子发生闪络，指的是当塔顶或者避雷线遭受雷电的直接击中时，其顶端的电位升高，这种情况下，本应该接地的杆塔，在雷电直击后却具有高电位，导致其对导线放电的可能性变高，从而使导线受到过电压的危害，称为反击或逆闪络。防止配电线路短路后转化为稳定的工频电弧是指防止线路遭受到雷击后转化为稳定的工频电弧进而导致线路跳闸；而若雷击线路闪络后，不能形成稳定的工频电弧，则就会熄弧，从而系统可以恢复正常。建弧率，指的是在受到雷电流的冲击后，输电线路上会因此产生冲击闪络，变成稳定的工作频率电弧的几率。防止线路中断供电，指的是采用自动重合闸等相同性质的措施，当线路跳闸后，能够在短时间内恢复，使线路依然能够继续运行。

在实际运用时，应根据具体情况进行选择合适的输电线路防雷措施，尽可能发挥其最大效用，例如线路的电压、重要程度、当地雷电活动强弱、已有线路的运行经验等，再根据经济、技术和环保等各方面比较的结果，作出因地制宜的保护措施。目前，输电线路主要采用的防雷措施如下所述^[1]：

1、架设避雷线

为了防止雷电对配电线路的危害，研究人员在对10kV架空配电线路进行防雷设计时，所能够使用的最为简单直接的方法就是给10kV架空配电线路架设避雷线。架设避雷线是提高输电线路的防雷能力的方法之一，在此方面，其所起到的作用也是极大的，例如避雷线能够有效的避免雷电直接击中线路上的导线；在雷电直接击中塔顶的情况下，避雷线能够使雷电流进行分流，流入杆塔的这种电流就会相对减少，塔顶的电位也会因此降低；避雷线对架空配电线路上的导线起着耦合的作用，能够使雷电直接击中杆塔这种情况下杆塔顶部绝缘上的电压降低；除前述内容之外，避雷线对架空配电线路上的导线还能起到隔绝的作用，从而使架设的导线上面的感应过电压降低。

2、降低接地电阻

根据国内外研究成果了解到，降低杆塔的接地电阻有两个显著的作用，一个是能够有效的提高线路的防雷水平，另一个则是能够有效的使雷电反击的概率降低。一般情况下，杆塔在工作频率下运行时，它的接地电阻有个限制的范围，可以按照表1.1进行选取。线路杆塔的工频接地电阻如表1.1所示。

表1.1 线路杆塔的工频接地电阻

虽然有表格中的数据作为参考，但是在土壤电阻率相对不是很高的地方，一般很难满足这种要求，需要加装另外的人工接地装置。据调研，在降低接地电阻方面主要使用的有两种措施，一种是放置多根水平接地体来降阻；另一种方法是使用土壤降阻剂，这种方法在实践中取得了良好的效果。两种方法可以配合使用，即在放置水平接地体之后，在其附近施用降阻剂，能够取得明显的效果。

3、加强线路的绝缘建设，提高线路的绝缘水平

10kV架空配电线路的雷击跳闸率相对其他电压等级的线路比较高，主要原因是其线路的绝缘水平低、防护措施少。采用合适的并且质量较好的绝缘子，并经常对其进行检查清洁更换，可以有效保证绝缘子发挥其作用。本文关于10kV架空配电线路绝缘子闪络模型的研究中，采用的模型是绝缘子SQ-210，它的雷电冲击电压是210kV。

4、保护间隙

保护间隙的工作原理很简单，将保护间隙与需要保护的绝缘部分并联在一起，要求就是保护间隙的击穿电压要小于被保护的绝缘部分的击穿电压，这样才能够在过电压流过的时候，保护间隙首先被击穿，并且把电压钳制在保护间隙的击穿电压值左右，因此，需要保护的绝缘部分就得到保护了。间隙放电可以称得上是瞬时性事故，是因为空气绝缘部分能够在一定时间内回复，而且这个时间很短，基本不会影线路的正常运行，而且还使顺利重合闸的几率提高了不少。

除了上述优点之外，作为保护装置的保护间隙还存在着几个缺点。例如1）保护间隙的电场一大部分都是不怎么稳定的电场，即为极不均匀的电场，它的伏秒特性十分的不平稳，当与电场经过均匀化处理的需要保护的绝缘部分并联时，这两个部分的伏秒特性很难会有比较不错的配合。2）对于保护间隙来说， 它本身没有特有的灭弧装置，导致其灭弧能力一般，有很多情况并不能很好的进行保护。3）在保护间隙起作用之后，线路上会出现幅值很大的截波，变压器类设备会受到其的威胁。由于上述原因，保护间隙没有大量投入使用。

5、增加避雷器

即使线路上已经架设了避雷针或者是避雷线，但是依然不可以完完全全的避免电力设备受到过电压的危害，因为避雷针和避雷线主要是能够避免线路遭受直击雷的威胁。对于10kV架空配电线路来说，还有一个应用十分广泛的防雷措施就是安装避雷器。在避雷器的研究历史上，产生了许多不同的避雷器，根据其保护性能和发展的过程，可以分为管型、金属氧化物等多种类型，适用于不同情况，在实际运用时，根据具体情况选择最合适的避雷器。

虽然加装避雷器是很有效的措施，但是在像以前一样在线路上大量的按照某一约定俗成的标准安装避雷器是很不节约的方法。现在都是在架空线路上一些特别的地方安装适合的避雷器，比如为了避免不一样的电压等级的线路在交叉的跨越点发生事故，一般会在和10kV架空线路交叉的线路的交叉处的两侧分别放置一个避雷器，并且要求接地电阻小于10欧姆。

6、消弧线圈

在雷电发生的概率比较高的地方，如果接地电阻也已经低到了不能够再进行降低的地步，可以选择使用消弧线圈，用这个方法去使10kV架空配电线路的安全性得到提高。在雷电刚开始击中线路的时候，一般在线路上发生的是单相闪络，随着时间的慢慢推移，故障就会逐渐变成相间闪络，接下来就会产生工频电弧然后短路紧接着就跳闸。而消弧线圈的作用就是可以很好的使单相闪络导致的单相闪络化为乌有，这样的话，单相闪络这一故障就不会使线路出现稳定持续的工作频率电弧。在雷电击中线路出现多相的闪络故障的时候，一般情况下第一次出现闪络故障不会导致线路发生跳闸事故，这样的话，第一次发生闪络的导线就有了新的作用，即可以将其当作避雷线使用，其同时具有了分流的作用和对没有发生故障相的耦合作用，能够使得没有发生闪络的线路的绝缘上的电压变小，因而使得输电线路的耐压性能。除此之外，具体情况具体分析，根据实际情况选择合适的消弧线圈，可以使相间闪络出现工作频率电弧的可能性变得很低，线路运行的安全可靠也会因此而得到提高，大概能减少三分之一的雷击跳事件。

在架空配电线路投放消弧线圈的时候，消弧线圈能够处理的故障是很有限的，仅仅是单相接地时发生的能够自行恢复的故障。由于自恢复的绝缘发生的某些接地故障能够不借助外力恢复，有规定允许架空配电线路带着单相接地故障运行两个小时，这样能够使架空配电线路的安全可靠运行的可能性得到提高。然而，如果线路发生的是不能够自行恢复的故障的时候，这种情况是不适合加装消弧线圈的，如果强行加消弧线圈的话，反而会适得其反，有可能会导致故障的范围进一步变大，很可能会导致相间短路，就没有办法使线路建弧率得到减小了。在架空绝缘导线上有单相接地故障这一现象时，尽管这个故障将绝缘导线上的绝缘破坏了，但这种情况下绝缘子的绝缘性能够自行恢复。由于情况不同，处理方法也就不同，因此需要根据实际有选择的进行加装消弧线圈，原则如下：

（1）如果是架空配电线路的话，就需要采用消弧线圈。

（2）如果是架空线和电缆线路的混合线路，当电缆所占的比例达到0.7的时候，这个时候对于用不用消弧线圈需要谨慎考虑，一般情况下建议线路经过小电阻接地，结合零序保护一起运行。

（3）如果是架空绝缘线路和电缆线路的混合线路，当电缆所占的比例达到0.5的时候，这个时候对于用不用消弧线圈需要谨慎考虑。

7、自动重合闸

因为输电线路自身的绝缘能力能够不借助外力就恢复，也就是说，在雷电对架空输电线路造成威胁时，即雷电直击线路产生能够使绝缘子发生闪络的过电压的时候，会导致线路形成稳定的工作频率电弧，各相之间也会因此出现短路的现象，在这种情况下线路中的线路就会跳闸，导致这个时刻的输电线路中就没有电流，同时电弧也因为没有电流而熄灭了，还有一个优点是输电线路上的绝缘可以持续使用，不会出现长期也就是永久的被破坏。根据上述分析可知，在架空配电线路 上装设自动重合闸设备可以提高线路安全供电的可能性。根据相关统计资料，10kV的输电线路与其他电压等级的输电线路相比，10kV的输电线路的重合闸成功率高得多甚至高达80%。可以推断出，在雷电发生频率比较高的地区的10kV架空配电线路以及与其相连接的在某一点分开的线路需要安装重合闸装置，这样就可以使输电线路的安全可靠供电水平得到提高。

在进行装设自动重合闸设备的时候，需要遵循一定的原则，这样才能事半功倍，架设原则如下：

（1）自动重合闸装置只适用于瞬时性故障，对永久性故障不起作用。对于纯电缆输电线路，其上发生的故障都是永久性的，因此不能够装设自动重合闸设备。

（2）相关资料表明，纯架空配电线路上面发生都是瞬时性故障，因此能够装设自动重合闸设备。

（3）在运用到实际中的时候，架空输电线路和电缆电路的混合网线路形式多种多样，这种情况相对来说比较复杂，架空线路所占的比例的大小决定了自动重合闸装置是否能够投放。

一、当架空裸导线所占比例小于0.6的时候，对于自动重合闸是否投放要进行严格的分析，尽量作出最为合适的选择；当架空裸导线所占比例已经小于0.5的时候，就不需要对线路进行分析了，这个时候就不要安装自动重合闸装置了。

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