贾国滨，王健一，高 寒，李金忠，李卫国

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

电容器在10 kV配电线路雷电防护中的应用研究

贾国滨1，王健一2，高 寒1，李金忠2，李卫国1

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

针对10 kV配电线路耐雷水平低、通常没有安装避雷线及线路避雷器的保护、雷击跳闸率高等现状，提出一种利用在绝缘子两端并联放电间隙与电容器串联支路，通过电容器分流雷电流的原理来对10 kV配电线路雷电过电压进行防护。阐述了利用并联放电间隙与电容器串联支路防雷机理以及利用电磁暂态仿真程序ATPDraw建立仿真模型，计算绝缘子两端在遭受雷击情况下承受的电压以及通过电容分流的雷电流大小；通过理论分析与仿真计算表明，在绝缘子两端并联电容器有良好的防雷效果；同时也指出了并联电容方法的优势与不足。

10 kV配电线路；防雷；并联电容；ATPDraw

0 引言

10 kV配电网分布广泛，承担了面向广大用户直接提供电能的任务，与用户关系密切，其可靠性越来越受到人们的关注。同时10 kV配电线路经过的地形多样，网络的结构非常复杂，自身绝缘水平低，通常没有避雷线与避雷器保护，使得10 kV配电线路非常容易遭受雷击，引起停电事故，给国民经济和人们生活带来严重的损失[1]。统计表明，10 kV线路中因雷电引起的停电事故占总事故的21.91%[2]，因此加强对10 kV配电线路的防雷保护措施是非常有必要的。

10 kV配电线路受雷电过电压的影响，又可以分为直击雷和感应雷。由于10 kV配电线路缺少防直击雷的保护措施，因此对于直击雷这种过电压幅值高达数百千伏，雷电流幅值高达数十千安的直击雷，配电线路绝缘子极易发生闪络，雷击跳闸率几乎为100%；相比较而言，感应雷过电压导致的故障比例约雷击事故的80%[3]，过电压幅值一般在400～500 kV，因此在配电网防雷保护中感应雷过电压的防护应当引起足够的重视[4]。

通常10 kV配电线路的防雷方法有加强线路绝缘，装设放电间隙，降低接地电阻，装设线路避雷器等，但是考虑到经济性和方便维护，在10 kV配电线路当中价格低廉，性能可靠的放电间隙得到广泛应用[5]。放电间隙在配电线路防雷当中起到了良好的防雷效果，有效地防止了绝缘子在遭受雷击时被打炸而引起配电网永久性故障；但是绝缘子两端并联放电间隙在雷电过电压引起多相放电间隙被击穿时，会发生相间短路事故；并且在放电间隙被击穿产生的电弧，因放电间隙不能很好地固定弧根而产生的沿络[6]也会对绝缘子产生损伤，影响绝缘性能。

笔者针对在绝缘子两端并联放电间隙或者加装线路避雷器在雷击引起多相同时接地而导致的相间短路问题，提出了一种采用适当大小的电容器来加强配电线路防雷的方法，这种方法不仅能在绝缘子遭受雷击时，降低绝缘子两端电压，避免绝导致缘子发生闪络；同时还能在多相发生闪络时，避免相间短路，限制相间短路电流。

1 电容器在10 kV配电线路中防雷应用现状

在文献[7－8]中介绍了计算雷电在配电线路上面产生的过电压的求解方法，采用MTLE雷电回击模型与Agrawal耦合模型，结合时域有限差分法（FDTD）与一定的初始条件与边界条件来求解感应雷过电压。根据文献中仿真计算的结果可以得到导线两端并联0.01 uF电容时能比并联10 pF电容感应雷过电压幅值降低约50%。由此可见在线路当中并联电容将会降低感应雷过电压的幅值。

在文献[9]中介绍了在低压配电线路与大地之间并联电容器，利用彼得逊法则分析，计算雷电波陡度，可以得到通过电容后雷电波陡度为

式中：Z为线路波阻抗，C为线路并联电容大小。可见并联电容越大，雷电波陡度下降越多，可以对线路当中变压器等设备起到了良好的保护作用。

2 绝缘子两端并联电容器的防雷原理

10 kV配电线路在遭受雷击时，施加在绝缘子两端电压通常会大于绝缘子闪络电压，绝缘子发生闪络后，闪络电流以及随后的工频续流会流过绝缘子表面，由于绝缘子沿面灭弧能力弱，雷电建弧率高，所以极易引起线路跳闸，威胁配电网的供电可靠性。为了防止10 kV配电线路在雷击时发生故障跳闸，就需要配电线路在遭受雷击时，将雷电流分流，避免绝缘子在雷击时发生闪络。

在绝缘子两端若直接并联电容，会导致在线路的正常运行过程中，电容中会有电流通过，影响线路的正常运行，故在电容同绝缘子直接并联之前，使用15 kV放电间隙同电容串联，这样在线路正常运行过程中，将不会有电流流过电容。只有在遭受雷击时，放电间隙被击穿后，才将电容接入。在本小节的分析中，暂时忽略放电间隙的影响，重点分析电容器在雷击过程中的防雷作用。

如图1所示，假设雷直击2号及3号杆塔区间导线时，雷电波会通过导线向2号以及3号杆塔分散传播，雷电波经过2号及3号杆塔上连接的电容器时，应用彼德逊法则对其进行分析。图2（a）为将雷电波等效为无限长直角波入射到并联电容c的线路上的情况，若Z2中的反行波尚未到达两线连接点，则等值电路见图2（b）。

图1 雷直击杆塔模型示意图Fig.1 Schematic model of lightning strike to tower

图2 雷电波通过并联电容Fig.2 Lightning wave through the parallel capacitor

由此可得：

从式（2）和式（3）可解，得：

如图3所示，假设雷击杆塔时雷电流大小为iL，雷电流顺着杆塔向下传播，在横担处通过电容分流，分流系数为β，通过电容分流后雷电流向导线两侧传播，可以建立如图4所示模型。

图3 雷直击杆塔等效图Fig.3 Equivalent diagram of lightning strike to tower

图4 雷直击杆塔简化等效模型Fig.4 Simplified equivalent modelof lightning strike to tower

图4中，Lgt为杆塔电感，Rch为接地电阻，C为并联电容，Ud为导线电位，且 Ud=Uphsin wt；Uphsin wt为导线上随机的工作电压。

由图4模型可得：

塔顶电压为

求得：

利用上述公式，推导出分流系数β

此时绝缘子两端承受电压Uj为

由上述表达式可以得出C增大，绝缘子两端承受电压也随之减小，调整C的大小，使绝缘子两端电压小于绝缘子的闪络电压U50%。为了不引起绝缘子发生闪络，则C的最小取值为

3 仿真计算

3.1 仿真模型搭建

采用电磁暂态仿真程序ATPDraw来搭建仿真模型，用以计算绝缘子两端在雷电过电压冲击下承受的电压。

1）架空线路模型：架空线路导线采用JKLGYJ-120导线，并且采用三角布线，三相的布置为底1.5 m，高1.3 m的等边三角形，采用π型架空线路模型。

2）杆塔模型：对于一般高度40 m以下的杆塔，在工程近似计算中采用集中参数等值电路进行分析计算[10-11]，由于有拉线钢筋混凝土杆塔的平均高度为9.5 m，故在仿真中选取集中参数电感L=0.42 uH/m。

3）雷电模型：选取负极性的2.6/50 us波形冲击电流源，雷电通道的波阻抗选取为300 Ω。

4）绝缘子模型：采用压控开关来模拟10 kV线路绝缘子以及放电间隙。一般工程上采用SC210支柱绝缘子，U50%雷电冲击放电电压为255 kV，故选取压控开关的闭合电压为255 kV。

3.2 仿真结果分析

笔者首先仿真计算在雷电流幅值为10 kA，接地电阻选取为50 Ω的条件下绝缘子两端电压Uj。

绝缘子在没有任何保护的情况下，在遭受10 kA雷电流雷击情况下，绝缘子两端电压波形见图5。

图5 无保护情况下绝缘子两端电压波形Fig.5 Insulator′s voltage waveform under no protection

在绝缘子两端并联电容防雷时，通过仿真结果绘制出在遭受10 kA雷电流雷击时，流过电容的电流大小与电容C大小之间的关系，如图6所示。可以看出，在绝缘子两端并联电容对雷电流起到了很好的分流作用，并且随着电容的逐渐增大，分流的雷电流iC也在不断增大；当C≥0.3 uF后，电容分流雷电流iC增长的速率明显减慢，再增加电容的大小，分流的电流iC的变化也并不明显。说明在遭受10 kA雷电流雷击时，绝缘子两端并联0.3 uF的电容就能起到很好的雷电流分流作用，同时也最为经济。

图6 流过电容的电流与并联电容大小之间的关系Fig.6 The relationship betweencapacitor′s current and the size of the parallel capacitor

在绝缘子两端并联不同大小的电容后，绝缘子上承担的电压Uj随电容大小之间的关系见图7。可以看出，并联电容能有效降低绝缘子两端在遭受雷击时承受的电压值Uj，并且电容值C越大，绝缘子两端承受的电压Uj越小，同电容分流雷电流一样，在C≥0.3 uF后，随着绝缘子两端电容值增大，绝缘子两端承受的电压变化逐渐变缓，绝缘子两端的电压变化趋势同流过电容的电流变化趋势一样。

图7 绝缘子承担电压与并联电容大小之间的关系图Fig.7 The relationship betweeninsulator′s voltage and the size of the parallel capacitor

在雷电流为10 kA时，绝缘子两端电压Uj在并联不同大小电容下的波形图见图8。可以看到，绝缘子两端电压Uj幅值均小于绝缘子闪络电压U50%，在电容C较小时，虽然Uj幅值较大，但是存在Uj过零点的时刻，为与电容串联的放电间隙灭弧提供了良好的条件；而在电容C较大时，Uj被限制在较小的范围内，较好保护了与电容器并联的绝缘子。绝缘子两端并联的电容器同与之串联的放电间隙相互配合，起到了很好的防雷保护作用。

图8 雷电流为10 kA时，绝缘子两端电压在并联不同大小电容下的波形图Fig.8 Insulator′s voltage waveform under different size of the parallel capacitorwhen lightning current is 10 kA

改变雷电流幅值，分别在10 kA，20 kA，30 kA，50 kA雷电流冲击下，仿真计算在绝缘子两端过电压幅值Uj，如图9所示。可以看出在绝缘子两端并联适当大小电容C，均会将绝缘子两端电压降低到U50%闪络电压以下，降低绝缘子发生闪络的概率。

4 采用绝缘子两端并联电容防雷优势与不足

绝缘子两端并联电容在雷电过电压防护中，引导雷电流泄入大地的同时，也将雷电流分流到导线两侧的上一级和下一级杆塔，在上一级和下一级杆塔也开始向大地泄入雷电流，从而在线路当中形成了多个泄流点，减轻了遭受雷击杆塔的泄流压力。

在绝缘子两端并联电容解决了单纯采用放电间隙在雷击过程中引起多相同时闪络而造成相间短路的问题，避免了因雷击引起的配电线路跳闸，提高了供电可靠性。

图9 不同幅值雷电流冲击下绝缘子两端过电压幅值Fig.9 Insulator′s over-voltage amplitude under the impact of different amplitudes of lightning current

由于电容器在雷电发生时需要承受瞬时的大电压和大电流，因此对电容有较高的要求，电容器的制造和加工难度大，相应的成本较高。

5 结论

首次提出了采用绝缘子两端并联电容的方法，对雷电过电压进行防护，从理论上仿真计算分析了并联电容防雷的有效性，通过以上分析可以得出以下结论：

1）在绝缘子两端并联电容器，在雷电过电压时起到了很好的分流作用，且电容器的大小决定了电容器分流的效果，在一定范围内，电容越大，电容的分流效果越好，绝缘子两端电压差越小，绝缘子两端电压Uj越小。

2）针对遭受不同大小的雷电流雷击时，若在绝缘子两端并联电容较大，则能有效限制绝缘子两端电压；若并联电容较小，则使绝缘子两端电压产生过零点，为与电容串联的放电间隙灭弧提供良好条件。放电间隙与电容二者能够相互配合，防雷效果较为明显。

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Research on the Application of Capacitor in 10kV Distribution Line Lightning Protection

JIA Guobin1， WANG Jianyi2， GAO Han1， LI Jinzhong2， LI Weiguo1
（1.School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Changping District，Beijing 102206， China； 2.China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China）

Due to the low lightning withstand level of 10 kV distribution line，and often without the protection of the lightning conductor or line lightning arrester，and high lightning trip-out rate.Depend on this status quo，a method to use capacitor parallel with the insulator to shunt lightning current for protecting 10 kV distribution lines from the lightning over-voltage is proposed.It is expounded that a simulation model is established based on the theory of capacitance shunt lightning current and the electromagnetic transient simulation program ATPDraw，the insulator voltage at both ends and the lightning current through the shunt capacitance in the case of lightning strike;Through theoretical analysis and simulation show that the insulator parallel with appropriate capacitor on both ends has a good lightning protection effect;At the same time the advantages and disadvantages of the shunt capacitance method are also pointed out.

10 kV distribution line； lightning protection； the parallel capacitance； ATPDraw

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.014

2016-01-18

贾国滨 （1991—），男，硕士生，主要从事电力系统高压设备故障诊断相关研究。