蔣凌峰，楊 鑫，吳文鋒，王延夫，湯 昕

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410114；2.長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410131)

0 引 言

氧化鋅避雷器(MOA)由于其無續(xù)流、無截波等特性作為10 kV配電線路中主要的防雷措施[1-2]。但由于10 kV避雷器容易受到電擊穿、熱老化、受潮等原因的影響使其可靠性大大降低，大量使用也會使得后期的運維工作負(fù)擔(dān)過重[3-4]。

并聯(lián)間隙免維護、可靠性強，近些年來在線路防雷中得到了廣泛普及，可作為與MOA相補充的重要防雷措施。根據(jù)前期研究成果，針對10 kV配電網(wǎng)大部分地區(qū)中性點仍采用不接地或非有效接地方式，提出了并聯(lián)間隙采用單相安裝的方法[5](三相線路僅一相安裝)，基于一相導(dǎo)線放電會耦合其他導(dǎo)線的原理，大幅提高了10 kV架空線路的耐雷水平，使得10 kV架空線路允許通過的雷電流能量更大。

但是，10 kV架空線路耐雷水平的進一步提升會使得線路允許通過的雷電流能量更大。配電變壓器高壓側(cè)會安裝MOA進行過電壓保護，沿線路傳播的過電壓過大則會威脅配電變壓器高壓側(cè)MOA的正常運行。運行經(jīng)驗表明，配電變壓器高壓側(cè)MOA是配電設(shè)備絕緣保護的薄弱處，損壞率較高。究其原因就是因為線路的絕緣水平遠(yuǎn)大于配電設(shè)備，其絕緣水平設(shè)計值的差異較大。

耦合地線是電力系統(tǒng)中常用的防雷措施，其維護工作量小，技術(shù)經(jīng)濟性好。但是針對10 kV架空線路來說，由于桿塔高度較低，其應(yīng)用方法仍需論證。

綜上，筆者首先研究了線路來波的極值與單相并聯(lián)間隙放電電壓之間的關(guān)系，找到高壓側(cè)來波的極值情況；以MOA不發(fā)生熱崩潰和電擊穿為判據(jù)計算了在配電變壓器前端若干級桿塔架設(shè)耦合地線對線路和配電設(shè)備之間絕緣差異的調(diào)節(jié)效果，所得結(jié)果為調(diào)節(jié)10 kV線路和設(shè)備之間絕緣差異以及配電網(wǎng)的精細(xì)化防雷提供了鋪墊。

1 并聯(lián)間隙的單相安裝方式及其對10 kV架空裸導(dǎo)線和設(shè)備之間絕緣水平差異的影響

1.1 10 kV配電線路并聯(lián)間隙的單相安裝方式

在10 kV配電線路中加裝并聯(lián)間隙是一種經(jīng)濟性高、有效性強的防雷措施。普遍的并聯(lián)間隙安裝方式是三相同時安裝，其放電電壓小于絕緣子的放電電壓從而率先放電，起到保護絕緣子的作用。

然而，三相同時安裝并聯(lián)間隙容易導(dǎo)致兩相或三相短路，從而降低了線路的耐雷水平，提高了線路的雷擊跳閘率。對于10 kV配電線路來說，大多數(shù)地區(qū)采用的繼電保護跳閘機制仍是相間短路，允許單相接地故障帶電運行1 h～2 h。據(jù)此提出了并聯(lián)間隙的單相安裝方法[5-6]。

并聯(lián)間隙的單相安裝方式指的是三相線路中只有一相安裝了并聯(lián)間隙，示意圖見圖1。

圖1 并聯(lián)間隙的單相安裝方式Fig.1 Single-phase installation of parallel gap

雷電過電壓入侵時單相并聯(lián)間隙先于絕緣子放電，基于導(dǎo)線間的耦合作用可以抑制其余兩相未安裝并聯(lián)間隙導(dǎo)線上的過電壓，提高了線路的耐雷水平。經(jīng)計算，以10 kV單回架空裸導(dǎo)線路的典型配置為例(采用P15針式絕緣子，80 m檔距，桿塔接地電阻取30 Ω，可提高線路感應(yīng)雷耐雷水平162.5%、提高直擊桿塔的耐雷水平101.2%[5]。

1.2 流經(jīng)配變高壓側(cè)MOA的雷電流

對于10 kV架空線路，配電設(shè)備(主要為配電變壓器和負(fù)荷開關(guān))直接與線路相連。針對配電設(shè)備，目前已有標(biāo)準(zhǔn)配置的防雷保護措施[7-11]。

以10/0.4 kV配電變壓器為例，其高低壓側(cè)都需要三相安裝MOA，且MOA需要同變壓器外殼和低壓側(cè)中性點共同接地，從而保護變壓器免受雷電侵害。

當(dāng)有雷電流入侵時，MOA動作從而起到保護變壓器的作用。而MOA允許通過的雷電流值受自身性能的限制?？紤]最嚴(yán)重時的情況，沿線路傳播的雷電流流經(jīng)線路末端時，電流分流見圖2。

圖2 MOA保護原理圖Fig.2 Schematic diagram of lightning arrester protection effect

圖2中，Ik為沿線路傳播的最大雷電過電流，可以線路耐雷水平表示；IT為流經(jīng)變壓器的電流，IMOA為流經(jīng)MOA的電流。則：

Ik=IMOA+IT

(1)

由式(1)可知，當(dāng)過電壓波經(jīng)過MOA時，由于MOA動作泄流，以及殘壓限制，使流經(jīng)配電變壓器的過電壓極值及能量被限制到允許范圍內(nèi)?？梢?，MOA的可靠運行是配電設(shè)備防雷保護的關(guān)鍵。

然而，在10 kV架空裸導(dǎo)線上加裝了單相并聯(lián)間隙后，線路的耐雷水平得以顯著提升，即圖1中的Ik提升[5]。由式(1)可知，Ik增大，在線路阻抗的伏安關(guān)系不變的情況下，會使得IMOA也隨之增大，即流經(jīng)MOA的過電流能量將更大，可能超出MOA允許的能量閾值，造成MOA甚至配電設(shè)備的損壞。

因此，線路采用了并聯(lián)間隙的單相安裝方式后，需要以配電變壓器高壓側(cè)MOA的流通能量為判據(jù)，對流經(jīng)MOA的過電壓波極值進行計算，給出調(diào)節(jié)10 kV架空線路與配電設(shè)備之間絕緣水平差異的方法。

1.3 10 kV配電線路MOA安全運行的判定閾值

為了檢驗線路加裝單相并聯(lián)間隙后，流經(jīng)配電設(shè)備10 kV側(cè)MOA的承受能力，更大程度地保護高壓側(cè)MOA，需要給出MOA安全運行的判定閾值。

1)當(dāng)雷電波入侵時，流經(jīng)配電變壓器高壓側(cè)MOA的過電流極大值不超過典型10 kV配電用MOA的標(biāo)稱電流5 kA。

2)由文獻[11]可知，為使配電用MOA不發(fā)生熱崩潰，其熱電荷傳送值Qth≤0.35C。

熱電荷傳送值Qth的計算方法為

(2)

式中Q為熱電荷傳送值，I(t)為雷電流幅值隨時間變化的函數(shù)。

本研究認(rèn)定為較好地保護高壓側(cè)MOA，需同時滿足判定閾值(1)和(2)。

2 加裝耦合地線對10 kV線路和設(shè)備絕緣水平差異調(diào)節(jié)的適用性及原理

2.1 線路和設(shè)備絕緣水平差異的調(diào)節(jié)方法和加裝耦合地線的適用性

調(diào)節(jié)線路與配電設(shè)備之間絕緣水平差異的方式有2類。一是提高設(shè)備高壓側(cè)MOA的通流容量，同時提高配電設(shè)備的絕緣水平；二是在10 kV架空線路末端提供新的分流通道，降低流經(jīng)MOA的過電流。

經(jīng)估算，加裝單相并聯(lián)間隙后，最大過電壓波沿線路傳播，流經(jīng)配變高壓側(cè)MOA的過電流極大值達(dá)到了10 kA以上。目前，10 kV線路典型設(shè)置下設(shè)備高壓側(cè)MOA的標(biāo)稱電流僅為5 kA。如果增加MOA的標(biāo)稱電流，也勢必增大其殘壓值。這將影響配電設(shè)備的絕緣水平設(shè)計(以配電變壓器為例，尤其影響匝間絕緣設(shè)計水平)。配電設(shè)備受到本身材料、體積的限制以及對散熱性能的要求，提高其絕緣水平將大幅提高其制造成本。因而，該類方法的經(jīng)濟性較差。

對10 kV架空線路來說，一般不安裝避雷線[12-13]，在其末端提供新的分流通道可以采用加裝耦合地線的方式。該方式具有改裝難度低、經(jīng)濟性好、后期易維護的特點，且耦合地線不會與避雷線之間產(chǎn)生環(huán)流而導(dǎo)致?lián)p耗加大。但耦合地線由于安裝于導(dǎo)線下方，10 kV架空線路的桿塔一般較低，需考慮耦合地線的加裝是否會導(dǎo)致對地距離不夠。

10 kV架空線路中架設(shè)耦合地線見圖3。

圖3 耦合地線Fig.3 Coupling ground wire

目前，10 kV架空線路桿塔典型設(shè)置高度有12 m，15 m和18 m，以12 m桿為例，加裝耦合地線后，距離地面高度仍有7 m左右，可以保證對地安全距離。因而，本研究認(rèn)為在10 kV線路末端按上述方法安裝1根耦合地線，是可以采用的。

2.2 耦合地線對流經(jīng)配變高壓側(cè)MOA過電流的分流作用

在配電變壓器前的線路上架設(shè)一段耦合地線，當(dāng)雷電波入侵時可提供額外的泄放通道，且與導(dǎo)線之間存在耦合，相當(dāng)于在耦合地線上添加一個電壓源，與耦合地線相連的桿塔接地電阻構(gòu)成支路電阻。分流效果見圖4。由于施加的耦合地線較短，不考慮其自身阻抗。

圖4 耦合地線分流圖Fig.4 Coupling ground wire shunt effect diagram

圖4中，Ioh代表體現(xiàn)耦合地線分流效應(yīng)的支路電流。

Ik=Ioh+IMOA+IT

(3)

由式(3)可知，當(dāng)雷電流Ik增大，流經(jīng)MOA的過電流IMOA也會隨之增大。

一次雷擊放電中總能量一定，耦合地線中分流越多，分流的雷電能量越大，導(dǎo)線中所承受的雷電能量就越小，越有利于保護高壓側(cè)MOA。

為方便計算，體現(xiàn)耦合地線的分流效果，建立了圖5所示的耦合地線等值電路。設(shè)耦合地線上感應(yīng)的過電壓為單點接入且與桿塔相連從而接地，耦合地線跨越的檔距越長，所相連的接地電阻就越多。若耦合地線共跨越n-1段檔距，則耦合地線與導(dǎo)線間的雷電感應(yīng)過電壓等值電路見圖5。

圖5 圖5 耦合地線過電壓等值電路Fig.5 Overvoltage equivalent circuit on coupled ground

圖5中U1為線路上的雷電過電壓；U2為耦合地線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。

(4)

式(4)中，Ud為線路上產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓幅值，Ud′為耦合后線路上產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓；ho為耦合地線平均高度，hd為導(dǎo)線平均高度；k為耦合地線與導(dǎo)線間的幾何耦合系數(shù)，可由式(5)得到[14]。

(5)

式(5)中Z12為導(dǎo)線與耦合地線之間的互波阻抗，Z11為導(dǎo)線間的自波阻抗；D12、d12分別為導(dǎo)線與耦合地線間的空間幾何距離和對地距離，hd為導(dǎo)線平均高度，rd為導(dǎo)線的半徑。

2.3 耦合地線架設(shè)長度對調(diào)節(jié)線路和設(shè)備絕緣水平的影響

式(4)、(5)表明，架設(shè)耦合地線可使導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓Ud下降到Ud(1-kh0/hd)。當(dāng)導(dǎo)線與耦合地線之間的幾何空間位置固定時，耦合系數(shù)k也隨之固定，則此時耦合地線上感應(yīng)出的過電壓U′可看作電壓源。耦合地線等值電路圖見圖6。

圖6 耦合地線等值電路圖Fig.6 Coupling ground wire equivalent circuit diagram

圖6中I′為耦合地線中實際流經(jīng)的雷電流，R為桿塔接地電阻，且有：

(6)

可見，影響總電流I′大小的主要因素在于桿塔接地電阻的個數(shù)，即耦合地線的長度(連接的桿塔數(shù))，以及接地電阻的大小?？傠娏鱅′越大，耦合地線中所承受的雷電能量也就越大。

因此，需要精確地計算安裝單相并聯(lián)間隙后，線路高壓側(cè)來波對配變高壓側(cè)MOA的影響效果，具體給出耦合地線的安裝長度以及相匹配的桿塔接地電阻。

3 10 kV架空裸導(dǎo)線路仿真模型

為了找到并聯(lián)間隙的放電電壓與10 kV架空線路中入侵的最大雷電波極值之間的關(guān)系，需要建立10 kV架空線路的雷電過電壓仿真模型，得到所需數(shù)據(jù)。

3.1 配電線路、桿塔及接地電阻模型

10 kV架空線路中選取JMARTI模型為導(dǎo)線參數(shù)，以體現(xiàn)雷電流的高頻特性，檔距為80 m。

因為雷電波入侵時，塔頂?shù)剿字g存在著波過程，因此選用波阻抗來模擬桿塔，塔高為15 m[8]。該模型一共搭建了13基桿塔，線路末端連接變壓器模型，從配變處往電源側(cè)桿塔序號依次為1、2……13號。波阻抗的值根據(jù)Jordan公式確定，波阻抗Z=324.5 Ω，接地電阻取R=30 Ω。

通過對2組患者實施不同的治療措施發(fā)現(xiàn)，2組患者感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度均有所提升，但觀察組患者感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度改善情況顯著優(yōu)于對照組患者，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。 見表 2。

3.2 MOA、并聯(lián)間隙及絕緣子模型

MOA模型采用非線性電阻元件來模擬，通過輸入非線性元件的U-I數(shù)據(jù)組來模擬MOA的電氣特性。部分U-I數(shù)據(jù)見表1。

表1 MOA的伏安關(guān)系數(shù)據(jù)Table 1 U-I data of arrester

間隙和絕緣子的模型采用ATP-EMTP中的壓控開關(guān)元件模擬。選擇P15絕緣子閃絡(luò)概率為0.1%的放電電壓UJ0.1%=139 kV[5]，設(shè)置壓控開關(guān)的放電電壓為139 kV。根據(jù)并聯(lián)間隙的絕緣配合方法，間隙的放電電壓可選47 kV～117 kV[5]。下文將討論線路加裝單相并聯(lián)間隙后，不同間隙放電電壓情況下流經(jīng)MOA的過電流能量。

3.3 電源、雷電過電壓及變壓器模型

1)架空線路電源采用幅值為10 kV的三相交流電源來模擬，頻率為50 Hz。

2)10 kV架空線路遭受雷擊形式概率最大的是感應(yīng)雷，其次還有雷擊導(dǎo)線和雷擊塔頂。雷擊導(dǎo)線和雷擊塔頂?shù)睦纂娏髂Ｐ筒捎肐EC推薦的Heidler沖擊波電源模擬，波頭波尾時間為2.6/50μs[15-16]。

感應(yīng)雷模型：在模型中線路所產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓根據(jù)公式(7)給出。

(7)

式中，Ug為線路上感應(yīng)出的感應(yīng)雷幅值(kV)，IL為雷電流幅值(kA)；hd為線路的平均高度，取15 m；S為感應(yīng)雷雷擊點與線路的距離，距離取100 m。

為了模擬式(7)在線路上的效果，并且測量雷電流通道內(nèi)的電流幅值，感應(yīng)雷模型由Heidler電源以及波阻抗并聯(lián)而成[17-18]，見圖7。調(diào)節(jié)波阻抗的大小，與Heidler電源耦合出具有震蕩衰減特征的感應(yīng)雷波形，調(diào)節(jié)RLC元件和Heidler電源的大小以調(diào)節(jié)感應(yīng)雷模型的幅值。

圖7 感應(yīng)雷模型Fig.7 Inductive lightning overvoltage model diagram

該感應(yīng)雷模型產(chǎn)生的典型的感應(yīng)雷過電壓波形見圖8。

圖8 典型感應(yīng)雷過電壓波形Fig.8 Typical lightning induced overvoltage waveform

由于10 kV架空線路的跳閘機制為相間短路[19-21]，因此10 kV架空線路感應(yīng)雷耐雷水平定義為雷電通道內(nèi)不至使線路發(fā)生相間短路的最大雷電流。

雷電波的頻率極高，根據(jù)CIGRE建議，配電變壓器模型使用ATP-EMTP中的沖擊電容來模擬[22-24]，取500 pF。

3.4 整體仿真模型

根據(jù)上述各模塊，利用ATP-EMTP仿真軟件搭建了并聯(lián)間隙單相安裝方式的10 kV架空裸導(dǎo)線路，最右側(cè)為沖擊電容表示的變壓器模型，整體模型見圖9。

圖9 整體仿真模型Fig.9 Overall simulation mode

3.5 流經(jīng)MOA的過電流值及熱電荷值的計算方法

流經(jīng)MOA的過電流幅值可通過MOA模塊自帶的Outpt Current電流數(shù)據(jù)輸出窗口來讀取。

在得到了MOA流經(jīng)的過電流波形之后，通過origin的積分模塊計算出流經(jīng)MOA的熱電荷值。熱電荷傳送值計算由公式(2)給出。

4 并聯(lián)間隙的單相安裝方式對線路來波極值的影響

10 kV架空線路遭受雷擊事故的形式主要為感應(yīng)雷，占總雷擊事故的80%以上；且配電線路大多采用支撐型絕緣子，沒有避雷線，直擊導(dǎo)線和雷擊桿塔的情況也時有發(fā)生[25-28]。

單相并聯(lián)間隙對線路直擊導(dǎo)線的耐雷水平提升不大，對配電變壓器高壓側(cè)MOA的影響也較小，本研究對直擊導(dǎo)線情況不考慮。

為了分析其對配電設(shè)備的影響，本節(jié)利用上節(jié)搭建的仿真模型和參數(shù)設(shè)置，對感應(yīng)雷和雷擊桿塔2種雷擊形式，計算線路來波極值情況下流經(jīng)高壓側(cè)MOA的過電流幅值以及Qth，研究高壓側(cè)來波增大對MOA安全性能的影響。

4.1 感應(yīng)雷過電壓下，最大線路來波對MOA的影響

首先研究并聯(lián)間隙的不同放電電壓對線路感應(yīng)雷耐雷水平的影響，得到最大感應(yīng)雷耐雷水平下的間隙放電電壓值；再計算線路來波極值情況下感應(yīng)雷雷電源不同接入點對線路MOA的影響。

4.1.1 單相并聯(lián)間隙擊穿電壓對10 kV架空線路感應(yīng)雷耐雷水平的影響

感應(yīng)雷電源首先施加到6號桿塔，單相并聯(lián)間隙的放電電壓設(shè)置為47 kV，當(dāng)雷電通道內(nèi)的雷電流幅值為57.4 kA時，5號桿塔上A、C兩相絕緣子閃絡(luò)，B相并聯(lián)間隙擊穿，認(rèn)定此時發(fā)生了相間短路。絕緣子及間隙流過電流見圖10(A、C兩相電流重合)。該情況下，線路的耐雷水平為57.4 kA。

圖10 絕緣子及單相并聯(lián)間隙擊穿電流Fig.10 Breakdown current of insulator and single-phase parallel gap

同理，單相并聯(lián)間隙不同放電電壓與10 kV架空線路感應(yīng)雷耐雷水平關(guān)系見圖11。

圖11 線路耐雷水平與間隙放電電壓關(guān)系Fig.11 Relationship between line lightning withstand level and gap discharge voltage

由圖11可知，隨著單相并聯(lián)間隙放電電壓的增大，10 kV架空線路的感應(yīng)雷耐雷水平減小。當(dāng)并聯(lián)間隙的放電電壓為47 kV時，線路的感應(yīng)雷耐受水平最大，為57.4 kA。

4.1.2 線路來波極值對配變高壓側(cè)MOA的影響

當(dāng)線路感應(yīng)雷耐雷水平最大時，沿線路傳播的過電壓波極值也最大。即單相并聯(lián)間隙放電電壓為47 kV時沿線路傳播的過電壓波極值也最大。

單相并聯(lián)間隙放電電壓設(shè)置為47 kV，將線路不至跳閘的最大感應(yīng)雷幅值(57.4 kA)施加在1號桿塔，此時通過配變高壓側(cè)MOA的過電流波形見圖12。

圖12 流經(jīng)MOA過電流幅值Fig.12 Amplitude of current flowing through arrester

由圖12可知，當(dāng)1號桿塔為感應(yīng)雷的感應(yīng)點，且當(dāng)并聯(lián)間隙的放電電壓為47 kV時，流經(jīng)MOA的過電流幅值為10.82 kA。

同理，線路來波極值情況下，感應(yīng)雷雷電源在1～4號桿塔為接入點時流經(jīng)配變高壓側(cè)MOA的雷電流見圖13。

圖13 流經(jīng)配變高壓側(cè)MOA的過電流Fig.13 Overcurrent flowing through high voltage side arrester of distribution transformer

由圖13可知，沿線路傳播的過電壓波為極值情況下(并聯(lián)間隙擊穿電壓為47 kV，感應(yīng)雷幅值為57.4 kA)，感應(yīng)雷雷電源在前兩級桿塔接入時，流經(jīng)配變高壓側(cè)MOA的過電流幅值(6.01 kA～10.82 kA)都大于5 kA，大大超過了配變高壓側(cè)MOA的安全閾值，威脅了配電變壓器高壓側(cè)MOA的穩(wěn)定運行。

4.1.3 熱電荷傳送值對配變高壓側(cè)MOA的影響

按照上節(jié)可知，當(dāng)并聯(lián)間隙放電電壓為47 kV時，線路的耐雷水平最大，線路和配電設(shè)備之間的絕緣差異也最大。故本節(jié)在并聯(lián)間隙放電電壓設(shè)為47 kV，感應(yīng)雷幅值設(shè)置為57.4 kA，即在高壓側(cè)來波最嚴(yán)峻的情況下進行仿真研究。

由圖12可知1號桿塔為感應(yīng)雷施加點時流經(jīng)高壓側(cè)MOA的過電流幅值，由公式(2)，將波形圖積分從而得到熱電荷傳送值見圖14。

圖14 1號桿塔MOA熱電荷傳送值Fig.14 The thermal charge transfer value of the surge arrester on the No.1 tower

圖14中，流經(jīng)配電變壓器高壓側(cè)MOA的熱電荷傳送值為1.082 C。同理，圖15為感應(yīng)雷在1～5號桿塔接入時，流經(jīng)MOA的熱電荷傳送值。

圖15 流經(jīng)高壓側(cè)MOA的熱電荷傳送值Fig.15 Heat charge transfer value of high voltage side arrester flowing through distribution transformer

由圖15可知，當(dāng)感應(yīng)雷接入點在配變MOA前4級桿塔時，其熱電荷傳送值Q1、Q2、Q3、Q4分別為1.082 C、0.695 C、0.507 C和0.381 C，大于熱電荷額定值Qth=0.35 C，MOA的熱崩潰概率將大大提升。

綜上，單相安裝的并聯(lián)間隙放電電壓為47 kV、感應(yīng)雷幅值設(shè)置為57.4 kA(線路過電壓波出現(xiàn)極值)時，當(dāng)感應(yīng)雷的感應(yīng)點在配變前4基桿塔，流經(jīng)配變高壓側(cè)MOA的過電流超過了其安全運行的閾值，會危脅MOA的安全穩(wěn)定運行。

4.2 雷擊塔頂時線路最大過電壓波對高壓側(cè)MOA的影響

將2.4節(jié)中搭建的Heidler沖擊波電源施加在線路的桿塔模型上，按4.1節(jié)的方法，可得單相并聯(lián)間隙擊穿電壓與線路雷擊桿塔耐雷水平之間的關(guān)系，見圖16。

圖16 線路耐雷水平與間隙放電電壓關(guān)系Fig.16 Relationship between line lightning withstand level and gap discharge voltage

由圖16可知，隨著單相并聯(lián)間隙放電電壓的增大，10 kV架空線路雷擊桿塔的耐雷水平減??；當(dāng)并聯(lián)間隙的放電電壓為47 kV時，線路雷擊桿塔的耐雷水平最高，為14.39 kA。

將直擊雷雷電源接入到1號桿塔，計算得流經(jīng)高壓側(cè)MOA的雷電流見圖17，熱電荷傳送值Qth見圖18。

圖17 雷擊塔頂時流經(jīng)高壓側(cè)MOA的過電流Fig.17 Overcurrent flowing through high voltage side arrester when lightning strikes tower top

圖18 雷擊桿塔時的熱電荷傳送值Fig.18 Heat charge transfer value of high voltage side arrester flowing through distribution transformer when lightning strikes tower

由圖17、圖18可知，在雷擊桿塔情況下，雖然線路耐雷水平得以提升，但是流經(jīng)MOA的Qth和過電流幅值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MOA的安全閾值，不影響MOA的安全穩(wěn)定運行。

分析原因在于：雷電波入侵時雷電流首先從桿塔泄放入地；隨著雷電流的增大(不至發(fā)生相間短路而跳閘)，雷電流的泄放通道有兩條：從桿塔入地以及擊穿單相并聯(lián)間隙至導(dǎo)線上傳輸，最終傳播至配電變壓器高壓側(cè)MOA的雷電流能量很少，無法威脅到配電變壓器高壓側(cè)MOA的安全運行。

5 耦合地線對線路與配電設(shè)備絕緣水平差異的調(diào)節(jié)效果及架設(shè)長度的計算

由計算結(jié)果可知，單相安裝并聯(lián)間隙會使得線路與設(shè)備之間的絕緣水平差異加劇，在感應(yīng)雷過電壓下，最大線路來波容易導(dǎo)致配變前高壓側(cè)MOA故障。

在配變前若干基桿塔架設(shè)耦合地線可以限制流經(jīng)高壓側(cè)MOA的雷電流能量，使得高壓側(cè)MOA安全穩(wěn)定運行。由式(6)可知，影響耦合地線分流效果的因素主要是耦合地線的長度(跨域的桿塔數(shù))和跨域桿塔的接地電阻。降低桿塔接地電阻與增加耦合地線長度的方法相比，技術(shù)經(jīng)濟性較差。因而，本研究主要通過改變耦合地線的長度，達(dá)到調(diào)節(jié)線路與配電設(shè)備之間絕緣差異，減少流經(jīng)高壓側(cè)MOA的雷電流能量的效果。桿塔接地電阻統(tǒng)一設(shè)置為30 Ω。

在確定了耦合地線的適用性及安裝方式后，關(guān)鍵在于確定耦合地線的長度，即連接的檔距數(shù)(典型檔距設(shè)為80 m)。確定方法如下：

1)計算線路的耐雷水平(感應(yīng)雷、直擊雷)與單相并聯(lián)間隙放電電壓之間的關(guān)系，得到配變高壓側(cè)來波經(jīng)過高壓側(cè)MOA的雷電流極值。

2)耦合地線一端從配變臺區(qū)高壓側(cè)所在桿塔起，往10 kV線路延伸?？缭綑n距數(shù)位n，10 kV架空裸導(dǎo)線路檔距為L。n越大，耦合地線越長，分流效果越好。分別計算耦合地線跨越檔距數(shù)從[1,n]時，對高壓側(cè)來波最嚴(yán)峻情況下流經(jīng)配變高壓側(cè)MOA的過電流幅值和熱電荷傳送值的限制情況。

3)以高壓側(cè)MOA過電流幅值和熱電荷傳送值的閾值為判定條件，確定耦合地線的跨越檔距數(shù)n，得到架設(shè)的長度。

以10 kV架空裸導(dǎo)線路典型配置為實例，在3節(jié)的仿真模型上，計算耦合地線的架設(shè)長度。耦合地線從最靠近配電變壓器的桿塔安裝，首先以跨域1基桿塔(即80 m)長度計算。

5.1 耦合地線對熱電荷傳送值的限制效果

在圖9所示的10 kV架空線路仿真模型中，由LCC線路模塊加入耦合地線。計算線路來波極值情況下(感應(yīng)雷設(shè)置為57.4 kA，并聯(lián)間隙放電電壓為47 kV)耦合地線跨越的檔距數(shù)對線路和配電設(shè)備絕緣差異的調(diào)節(jié)效果。架設(shè)耦合地線的桿塔接地電阻設(shè)置為30 Ω。

在不同雷電接入點(分別為1～4號桿塔)，不同耦合地線跨越檔距下，對配變高壓側(cè)線路過電壓波的限制效果，表2。

表2 過電流限制效果Table 2 Overcurrent limitation effect

由表2可知，雷電接入點越靠近配電變壓器，流經(jīng)高壓側(cè)MOA的雷電流幅值越大。當(dāng)耦合地線跨越2基桿塔(160 m)時，可以把流經(jīng)MOA的最大雷電流幅值降低至閾值5 kA以下，降幅達(dá)到69.4%。

5.2 對流經(jīng)高壓側(cè)MOA熱電荷傳送值的限制效果

由圖15可知，未加裝耦合地線時，感應(yīng)雷在1～4號桿塔接入時，流經(jīng)配電變壓器高壓側(cè)MOA的Qth均超過額定值0.35 C。

加裝耦合地線后，分別把1～4號桿塔作為感應(yīng)雷的感應(yīng)點，耦合地線跨越不同檔距數(shù)時對Qth的限制效果見表3。

表3 熱電荷傳送值限制效果Table 3 The limiting effect of thermal charge transfer value

由表3可知，桿塔無需額外的接地處理，跨越2級桿塔(160 m)架設(shè)耦合地線，即使雷電波極大值入侵時也可使得流經(jīng)配電變壓器高壓側(cè)避雷器的Qth降低到額定值0.35 C以下，最大降低了83.5%，符合MOA的安全閾值需要。

綜上，在10 kV架空線路典型配置參數(shù)下，通過在配變前2級桿塔架設(shè)耦合地線，不需額外降低接地電阻，即可限制流經(jīng)MOA的過電流幅值和Qth至安全閾值以下，對維持高壓側(cè)MOA及配電設(shè)備的穩(wěn)定運行具有重要作用。

6 結(jié) 論

1)在10 kV架空線路中單相安裝并聯(lián)間隙會使得配變高壓側(cè)來波增大。10 kV架空線路的典型配置下，在配電變壓器前4級桿塔接入感應(yīng)雷過電壓會使得流經(jīng)配變高壓側(cè)MOA的過電壓能量超過其安全閾值。

2)單相并聯(lián)間隙會導(dǎo)致線路與配電設(shè)備之間的絕緣水平差異進一步增大。提出在配變前若干基桿塔架設(shè)耦合地線的方法來調(diào)節(jié)線路和設(shè)備之間的絕緣水平差異，分析了加裝耦合地線對解決絕緣水平差異矛盾的實用性和優(yōu)越性。

3)得到了耦合地線在限制線路末端過電壓波中的應(yīng)用方法。以典型配置的10 kV架空線路為例，不改變桿塔接地電阻時，耦合地線跨越2級桿塔(160 m)，即可成功限制流經(jīng)配電變壓器高壓側(cè)MOA的雷電波能量至安全閾值以下。