鹤煤矿区35 kV供电线路防雷方案研究

赵铁英， 王玉梅， 李鹏霄

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454000；2.国网新疆电力公司， 新疆哈密839000)



鹤煤矿区35 kV供电线路防雷方案研究

赵铁英1， 王玉梅1， 李鹏霄2

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454000；2.国网新疆电力公司， 新疆哈密839000)

摘要：通过对鹤煤矿区雷雨大风天气下35 kV线路跳闸情况进行分析，发现树线矛盾是导致事故的主要原因，为了提高矿区35 kV供电系统的可靠性，采取架空绝缘导线代替架空裸导线，分析绝缘导线防雷的特殊性，采用安装防雷悬式绝缘子的方法，以鹤煤矿区35 kV胡柴线为例，利用ATP-EMTP软件进行仿真，结果表明该防雷方案可以有效降低雷电过电压水平，减小雷电断线机率。

关键词：绝缘导线；防雷保护；防雷悬式绝缘子

0引言

鹤煤矿区位于太行山东麓和华北平原的过渡地带，地势起伏，煤矿35 kV供电线路经过山顶高点，且多与其他线路有交叉，近年来高压走廊附近的树木不断生长，与线路多有触碰，树木引起的跳闸逐渐增多，通过现场调研分析可知雷雨大风天气下树线矛盾是导致事故多发的主要原因。

为了解决矿区雷雨大风天气下树线矛盾问题，可以选择架空绝缘导线替换原来的架空裸导线，相对于裸导线，绝缘导线有无法比拟的优越性：适用于多雷区，表面比裸导线多了一层绝缘层，使其绝缘性能优越，可以降低线路的引雷概率，即使发生雷电，影响也会减小；适用于风力较大的地方，采用架空绝缘导线后，导线瞬间相碰不再会造成短路现象，减少了跳闸故障的概率，使线路的抗风能力增强；适用于树木较多的地方，可以解决线路架设与树木之间产生的矛盾，从而减少对树木的砍伐。

采用绝缘导线，可以有效解决鹤煤矿区35 kV供电系统雷雨大风天气线路跳闸高的问题；但是鹤煤矿区雷电活动频繁且强烈，为了保证供电线路的可靠性，需要进一步对绝缘导线的防雷方案进行研究。

1绝缘导线防雷研究现状

架空绝缘导线代替架空裸导线可以解决线路与走廊附近树木、耕地之间的矛盾，将其与电力电缆进行比较，可知其具有投资建设节省快捷的优势，但却产生了一个相当突出的问题——雷击断线[1, 2]。

据统计，一年中裸导线发生故障的总数、绝缘导线发生故障的总数、绝缘导线发生雷击事故的总数和绝缘导线雷击事故中发生雷击断线事故的总数四者比例如图1所示[3-5]。

图1　导线故障数相对比值图

从图1可以直观的看出，绝缘导线运行时发生的故障总数远远低于裸导线运行时发生的故障总数，绝缘导线雷击断线事故与绝缘导线雷击事故发生概率几乎相等，绝缘导线雷击后极易发生断线事故。图1说明矿区采用架空绝缘导线之后可以有效地解决雷击事故，但需解决雷击断线问题。

2绝缘导线防雷方案

2.1绝缘导线雷击断线机理

绝缘导线上雷电流的传播过程与裸导线有着显著的差异。绝缘导线在遭受雷击过电压时引起绝缘子发生闪络，绝缘层被击穿形成一个针孔状的击穿孔。当雷击过电压进一步造成两相或三相闪络时，便会在雷击闪络通道上产生工频续流，接续的工频短路电流受击穿孔处四周绝缘材料的阻碍，电流无法像裸导线那样迅速的朝线路两侧移动，此时高达数千摄氏度的工频短路续流弧根被固定在击穿孔处，由于铝线的熔点约六百多摄氏度且电弧部位被固定在一点，绝缘导线在张力的作用下，瞬间就会被电弧整齐的烧断而落地。此外，由于绝缘材料和铝线材料的特性不同，导致导线断线之后断口处的铝导线会被绝缘材料包裹，以致靠近电源侧的断线端口不一定接触地面，致使线路没有单相接地或相间短路的特征量，使断线故障不能够及时的处理。显然架空绝缘导线的雷击断线率比裸导线高。

在对实际发生雷击架空绝缘导线断线的事故现场检查发现，通常情况下断线为两相，即使单相断线也能发现明显的相间故障的痕迹或异相接地的痕迹，断线的位置基本位于绝缘子固定点的附近，一般位于线路绝缘子轴线两侧200mm处[6]，且导线断点非常整齐。

2.2防雷方案选择

根据绝缘导线雷击断线的机理，阻止或疏导雷击引起的工频续流是预防雷击断线事故的基本思路[7]。常规的防范原理为“堵塞”和“疏导”，各有优缺点。近来人们根据“堵导”结合的思路研制出了一些设备，“堵塞”和“疏导”互补，具有很好的防雷效果，对应上述防范原理的防雷措施及原理如表1所示。

表1　防雷击断线措施及原理

由于断线的位置一般位于绝缘子轴线两侧200 mm处，可以选择箝位绝缘子和防雷悬式绝缘子等方案，又由于后者采用了“堵导”结合的原理，效果优于只采用“疏导”原理的箝位绝缘子，所以本文采用防雷悬式绝缘子作为绝缘导线的防雷击断线措施。

防雷悬式绝缘子先通过“堵塞”的方式提高线路的绝缘水平，使线路遭受雷击的概率减少，同时提高了线路的耐雷击水平；当雷击过电压超过绝缘的“堵塞”限值时，再以“疏导”的方式将工频短路续流引入高低压电极放电燃烧释放雷电流能量，防止工频短路续流集中在一点燃烧烧断导线。

2.3防雷悬式绝缘子防雷机理分析

本文以乐清汇能公司生产的FXG8-35/70型防雷悬式绝缘子为例，来分析防雷悬式绝缘子的工作原理，其结构如图2所示，相关技术参数如表2所示。

图2　防雷悬式绝缘子示意图

通过FXG8-35/70和FXBW4-35/70的比较，可知它们的雷电冲击耐受电压(峰值)和1min工频耐受电压(有效值)技术参数一样，但是FXG8-35/70的最小电弧距离和最小公称爬电距离比FXBW4-35/70小，具有一定的优势，再配合以疏导工频电流的高低压电极，则其优越性是后者所无法比拟的。

表2　绝缘子技术参数

防弧金具的引弧棒能够将雷电流引至高低压电极，此时的高低压电极之间形成一个空气间隙，间隙的伏秒特性曲线在绝缘子伏秒特性曲线的下方，于是高低压电极之间的间隙先于绝缘子本体闪络，使雷电流迅速的泄放掉，避免其固定在绝缘导线上一点处集中燃烧导致绝缘导线烧断。由于绝缘子的引弧棒的耐高温特性好，能够经得起工频电流的多次灼烧，在防止绝缘子损坏和雷击断线方面有很好的效果。

3胡柴线路绝缘导线防雷仿真分析

本文以鹤煤矿区35 kV供电线路胡柴线为研究对象，采用ATP-EMTP电力系统暂态分析软件[8-10]，搭建胡柴线路模型，线路为架空绝缘导线，安装FXG8-35/70防雷悬式绝缘子，仿真电路如图3所示。

图3　胡柴线路仿真模型

选取胡柴线路穿越林区的6基杆塔，5个档距，从线路末端向变电站方向开始依次命名为1号，2号，3号，4号，5号，6号杆塔。其中，线路的电压等级设为35 kV，档距为150 m，线路总长度750m，线路末端直接连负载。防雷悬式绝缘子型号FXG8-35/70，额定电压35 kV，雷击全波冲击耐受电压峰值不低于230 kV，工频1 min湿耐受电压有效值不低于95 kV。在ATPDraw中选取压控开关为绝缘子模型，其闪络电压设置为230 kV，雷电流幅值5 kA，波形为1.2/50 μs标准波，雷击点位于3号与4号杆塔之间，兼顾了近区雷击和远区雷击。杆塔模型用两个集中参数的电感串联表示，其中一个L1=0.672 μH,另一个L2=14.448 μH[11.12]。

3.1未加装防雷悬式绝缘子

对不加装防雷悬式绝缘子的线路进行仿真：仿真步长设为5E-9 s，仿真时长设为2.5E-5 s，雷击处A、B、C三相电压波形如图4所示。

图4　未加防雷悬式绝缘子时雷击处电压波形图

从图中可以看出，三相电压迅速升高，波形陡度很大，尤其是C相电压，幅值高达650 kV，电压陡度明显高于A、B两相，如此高的电压幅值和陡度瞬间产生了巨大能量，必定会造成导线绝缘层受损，若此时产生工频续流，则会导致绝缘导线断线。同时也可以看出一相遭受雷击时会对另外两相产生屏蔽耦合作用，电压相对较低，但也产生了高达210 kV的过电压。三相电压会产生极不平衡的过电流，会使PT铁芯不同程度的饱和，可能导致铁磁谐振过电压。

雷击绝缘导线后，雷电波会沿线路两侧传播，传播的电压波形图如图5和图6所示，可知三相电压幅值高，电压波形陡度大，对线路的绝缘危害性大。所以对绝缘导线防雷方案的研究以及确定迫在眉睫。

图5　未加防雷悬式绝缘子时4号-6号杆塔C相电压波形图

图6　未加防雷悬式绝缘子时4号-1号杆塔C相电压波形图

3.2加装防雷悬式绝缘子

对胡柴线路加装FXG8-35/70防雷悬式绝缘子的情况进行仿真，仿真步长、仿真时长同上，得到雷击处的电压波形如图7所示。

图7　加防雷悬式绝缘子时击点处电压波形图

从图中可以看出雷击初期雷电压波形陡度都很大，其中C相电压超过了FXG8-35/70防雷悬式绝缘子的雷击全波冲击耐受电压峰值230 kV，C绝缘子相动作，使线路C相电压恢复到正常水平。

图8为4号杆塔上防雷悬式绝缘子的电压波形，从图中明显看出C相防雷悬式绝缘子高低压电极的电压瞬间变为零，高低压电极被击穿，使雷电弧被转移到高低压电极之间燃烧，避免很大的雷电流集中在绝缘导线击穿处燃烧，避免雷击断线。从图8还可以看出，当雷电流能量释放之后，另外两相的过电压情况大大缓解，从而保证了三相线路正常稳定的运行。

图8　加防雷悬式绝缘子时4号杆塔防雷悬式绝缘子电压波形图

当线路遭受雷击之后，雷电波沿线路两侧传播，各个杆塔的防雷悬式绝缘子都将承受不同程度的雷电压，图9和图10为绝缘导线上FXG8-35/70防雷悬式绝缘子所承受的雷电压波形。

图9　加防雷悬式绝缘子时4号-6号杆塔防雷悬式绝缘子C相电压波形图

图10　加防雷悬式绝缘子时4号-1号杆塔防雷悬式绝缘子C相电压波形图

从图9和图10可以看出，4号防雷悬式绝缘子已经被击穿，雷电流能量已经通过高压电极得到释放，线路两侧绝缘子所承受的电压大大降低，再加上雷电波在线路上的衰减，雷电过电压对绝缘子就不再构成威胁，所以1号，2号，3号，5号，6号处C相防雷悬式绝缘子不会动作。由于击点处的绝缘子及时动作，线路承受的过电压显著降低，不会对线路造成威胁，更不会造成雷击断线。从图9和图10也可以看出雷电波沿线路传播时，波形有明显的先导放电阶段。

4结论

本文通过分析煤矿35 kV供电线路雷雨天线路跳闸原因，发现树木搭接到线路上是引起线路跳闸的主要原因，因此选用架空绝缘导线替换原裸导线；但是绝缘导线雷击后易发生断线，解决雷击断线的有效方法是避免雷电流引起的工频续流固定在绝缘导线上一点燃烧。本文选择FXG8-35/70防雷悬式绝缘子作为绝缘导线防雷击断线防雷措施，并利用ATP-EMTP软件进行仿真分析，当未加装防雷悬式绝缘子时，雷击时发生断线或者导线绝缘层因雷击受损严重；加装防雷悬式绝缘子之后，雷电过电压可以通过防雷悬式绝缘子的高低压电极进行释放，避免了高温的电弧弧根固定在绝缘导线击穿孔处集中燃烧造成雷击断线，大幅度的降低雷击闪络的概率。鹤煤矿区35 kV供电线路采用绝缘导线加装FXG8-35/70防雷悬式绝缘子，克服了树线矛盾，同时提高了线路的耐雷水平，解决了雷雨大风天气雷击跳闸率高的问题。

参考文献:

[1]郑晖，廖华武，李既明，等. 架空配电线路雷击分析与防治措施[J]. 广东电力, 2013,26(1): 89-92.

[2]何建林. 江北地区10kV绝缘导线线路防雷综合措施应用研究[D]. 重庆：重庆大学, 2008:1-6.

[3]韦钰. 上海10kV城郊配电线路防雷措施的研究[D]. 上海：华东理工大学, 2014:24-41.

[4]黄庆祥. 中压架空绝缘线路雷击断线浅析[J]. 高电压技术,2001, 27 (z1): 62-63.

[5]韩晋平，王晓丰，马心良，等. 10kV架空绝缘导线雷电过电压与防雷综合措施研究[J]. 高电压技术,2008,34(11): 2395-2399.

[6]余虹云. 配电网绝缘导线接续与防雷技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2012.

[7]黄石，卫志农，吴国梁，等. 35kV配电线路防雷击断线措施的应用研究[J]. 华东电力, 2012,40(9): 1571-1575.

[8]冯亮，梁沛然. 基于ATP-EMTP的输电线路防雷仿真[J]. 煤矿机电，2013(1): 71-73.

[9]刘晓倩，董新伟，杨瑞静. 输电线路防雷措施的仿真与分析[J]. 电瓷避雷器,2012 (4): 64-68.

[10]江安烽，包炳生，顾承，等.后续雷击对10 kV配电线路耐雷性能及防雷措施的影响[J].电网技术，2014，38 (6): 1657-1663.

[11]张彦军.油田6-10kV配电线路防雷措施与方案评估的研究[D].保定：华北电力大学,2012:21-30.

[12]周利兵，付兴，周勇，等. 某矿区110kV主变雷害事故原因及改造措施仿真分析[J].电力科学与工程，2014,30(3):59-63.

Research of Lightning Protection in Hebi Coal Mine 35 kVPower Supply Line

ZHAO Tieying1， WANG Yumei1， LI Pengxiao2(1. School of Electrical and Engineering and Automation, Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000,China；2. State Grid Xinjiang Electric Power Corporation, Hami 839000, China)

Abstract：The reasons of 35 kV line tripping in Hebi coal mine power grid under thunderstorm and strong wind weather are analyzed in this paper, and that the main one causing the faults lies in the contradiction between trees and lines is discovered. In order to improve reliability of coal mine power grid, this paper proposes a method of adopting the overhead insulated distribution wires instead of overhead bare wires. The lightning protection of insulated distribution wires is analyzed considering of its specific characteristics, and hence the method of installing lightning protection suspension insulator in overhead insulated distribution wires is posed in this paper. An instance of Hebi coal mine power grid 35 kV Hu-chai line is taken, and software ATP-EMTP is used to set up a simulation model. Simulation results show that by using the proposed method, the lighting overvoltage level drops remarkably and probability of lightning breaking decrease as well.

Keywords：insulated distribution wire; lightning protection; lightning protection suspension insulator

中图分类号:TM726.3

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.008

作者简介：赵铁英(1977-)，女，讲师，研究方向为电力系统状态监控及故障限流技术，E-mail:hnjzzty@163.com。

基金项目：河南理工大学博士基金(60807/008)；河南省高等学校重点科研项目(16A470010)。

收稿日期：2015-12-25。