高曉晶，楊 林,周 蠡, 廖曉紅

(國網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖北 武漢 430000)

10kV配電線路感應雷過電壓形成機理及計算研究

高曉晶，楊 林,周 蠡, 廖曉紅

(國網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖北 武漢 430000)

感應雷過電壓是造成中低壓配電線路雷擊跳閘及導線斷線的主要原因.目前配電線路工程中一般采用規(guī)程法計算感應雷過電壓，該方法簡化條件過多使得計算精度較低且未考慮感應過電壓的實際物理過程.通過理論分析10kV配電線路上感應雷過電壓的物理形成過程，揭示配電線路上感應雷過電壓的形成機理；基于該物理過程，建立配電線路的雷電感應過電壓計算模型，包括雷電放電通道的傳輸線模型、場線耦合模型及電力線路模型等；最后，計算分析了兩種不同落雷點位置下，10kV配電線路上感應雷過電壓波的分布特性.研究工作為10kV配電線路雷電過電壓防護及實際防雷工程提供理論參考.

配電線路；感應雷過電壓；形成機理；仿真模型；落雷點

配電線路是電力系統(tǒng)直接連接到用戶的末級供電網(wǎng)絡，其運行的安全性和可靠性將對系統(tǒng)末端用戶的用電安全和質(zhì)量產(chǎn)生直接影響[1].配電線路的覆蓋面積廣，且其配網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜、絕緣水平低，同時配電網(wǎng)電力線路架線高度較低，雷雨季節(jié)容易受感應雷過電壓的影響，引發(fā)配電網(wǎng)電力線路斷線等雷擊事故[2].2005年-2011年，上海金山區(qū)10kV配電網(wǎng)電力線路跳閘事故次數(shù)共計738次，而雷擊跳閘次數(shù)在總跳閘次數(shù)所占比例高達87.45%[3].可見，實際工程中的配電線路防雷與維護仍然面臨嚴峻挑戰(zhàn).

由于配電架空線路桿塔高度低，實際運行中絕大部分的雷擊跳閘是由感應雷過電壓引起的.為了分析感應雷過電壓在配電網(wǎng)中的傳播特性，國內(nèi)外學者開展過大量相關(guān)研究工作.電力工作者根據(jù)大量運行數(shù)據(jù)得到線路感應雷過電壓的經(jīng)驗計算公式[4-6].運行數(shù)據(jù)表明：雷電感應過電壓與雷電流幅值、桿塔高度成正比，與雷擊點距離成反比[7].上述研究根據(jù)經(jīng)驗得到的計算公式，未涉及到雷電放電物理過程.為了更深入的研究雷電感應過電壓的形成，研究者在大量假設的前提下，提出了不同的雷擊放電先導通道模型、電力線路模型等[8]，充分考慮雷電放電過程對雷電感應過電壓的影響，這些模型基本能夠考慮雷電放電物理過程，更接近配電線路感應雷的實際形成過程.

因此，為了詳細分析10kV配電線路感應雷過電壓的形成過程及特點，本文理論分析了配電線路感應雷過電壓的物理形成機理，并基于雷電放電物理過程建立配電線路感應雷過電壓計算模型，雷電先導通道采用傳輸線模型，電磁場與電力線路采用場線耦合模型，最后采用有限差分法數(shù)值計算雷擊點位于不同位置時配電線路感應雷過電壓的分布特性.本文研究工作可為配電線路雷電防護工作提供理論參考.

1 電力線路感應雷過電壓形成機理

配電架空線路感應雷過電壓是由于地閃放電過程在配電架空線路周圍空間產(chǎn)生強烈變化的電磁場，該電磁場與電力線路相互作用而產(chǎn)生的.感應雷過電壓包含雷電先導通道電荷電場作用下的靜電分量部分和雷電回擊電流磁場作用下的電磁分量[9].

1.1 感應雷過電壓的靜電分量

在負地閃下行先導放電過程中，雷電下行先導通道與大地之間形成高強度電場，形成了架空配電線路的背景電場(圖1).由于靜電感應的作用，處于該電場中的架空配電線路沿線電荷分布產(chǎn)生變化：首先架空配電線路的軸線方向上產(chǎn)生一個新的電場強度Ex，這個新形成的電場將“放電通道—大地”電場中的正電荷吸引過來，這些正電荷逐漸積聚到靠近先導放電通道的那段導線上，從而形成正極性束縛電荷.而此時架空配電線路的導線上的負電荷就被剩余下來，因為排斥作用開始向?qū)Ь€的兩側(cè)運動(圖2)，并通過架空配電線路的接地裝置被泄入大地中[10].

圖1 負地閃先導放電過程

雷電放電現(xiàn)象主放電階段開始以后，先導通道中的負電荷迅速被其他雷云中的正電荷中和并消耗掉，相應產(chǎn)生的“放電通道—大地”電場強度也迅速減弱.由于“放電通道—大地”電場的電場強度減弱，架空配電線路上的正極性束縛電荷將被迅速釋放，被釋放掉的束縛電荷以電壓波形式向架空配電線路兩側(cè)傳播[11].

圖2 負地閃回擊放電過程

1.2 感應雷過電壓的電磁分量

在負地閃回擊放電過程中，將產(chǎn)生高幅值的雷電流沖擊波，該雷電流沖擊波將在電力線路周圍產(chǎn)生強烈的脈沖磁場[12].該脈沖磁場的磁力線方向不同，部分磁力線將交鏈“大地—導線”回路，如圖3所示.圖3中，沿著A→B→C→D→A回路和A→B→E→F→A回路，在電磁感應的作用下形成了感應電動勢，使得電力線路中A點的對地電位升幅值增高，進而產(chǎn)生過電壓.這個過電壓就是感應雷過電壓的一部分，是構(gòu)成感應雷過電壓的主要電磁分量[13].

圖3 負地閃回擊過程空間脈沖磁場作用

2 10kV配電線路感應雷過電壓計算模型

2.1 雷電放電過程簡化假設

自然雷電放電通道具有彎曲分叉的隨機特點.為了保證計算能夠基本反映感應雷過電壓的值，又保證計算過程不過于復雜.本文在計算10kV配電線路感應雷過電壓時，采用如下假設條件：

(1)只考慮主放電回擊過程中產(chǎn)生的靜電效應和磁效應所形成的感應電壓；

(2)認為雷電先導通道的電荷分布均勻，雷電先導通道垂直于大地，雷電通道采用傳輸線模型；

(4)雷電的主放電(雷電回擊速度)v恒定；

(5)電磁場與電力線路耦合過程采用Agrawal場線耦合模型.

2.2 架空配電線路等效模型

由于配電線路電壓等級比較低，且檔距較小，因此配電線路的導線發(fā)熱及電暈損耗較小，因此，本文在計算配電架空線路感應雷過電壓時，忽略線路損耗，取配電架空線路為理想導體.為了分析配電架空線路的感應雷過電壓情況，在電磁暫態(tài)仿真程序ATP-EMTP中采用架空線路的Bergeron模型，線路桿塔采用了集中參數(shù)模型.

假設的落雷點與架空配電線路的相對位置如圖4所示.以雷擊點位置為坐標原點建立坐標軸，點P(x,y,z)為配電架空線路AB上任一點，設其為觀察點，AB為配電架空線路的兩端點.

圖4 架空線路坐標系統(tǒng)

本文在仿真計算時采用的10kV配電架空線路的Bergeron等效電路模型，如圖5所示：

圖5 架空線路的等效電路圖

(1)

式(1)中，UrA(t)為線路A端的終端電壓，kV；UindA(t)為感應過電壓，kV；Z′為架空線的特性阻抗，Ω；τ為傳播時間，μs.

2.3 配電線路感應雷過電壓模型及參數(shù)

由于10kV配電線路中往往絕緣水平較低，且雷電防護措施相對滯后，本文在采用電磁暫態(tài)仿真程序ATP-EMTP建立配電線路模型時，以10kV電壓等級架空配電線路為例，仿真取雷電流波形取標準2.6/50μs，雷電流幅值為30kA，雷電流的回擊速度為1.5×108m/s；大地的土壤介電常數(shù)取10，大地電導率為0.001s/m.

(a)配電架空線路感應過電壓模型

(b)配電架空電線路感應雷電壓計算子模塊圖6 配電架空線路感應雷過電壓仿真模型

由于雷電作用下配電線路三相線路同時產(chǎn)生感應電壓波，本文計算中不考慮三相導線之間的耦合作用，在計算時采用單相線路計算感應雷過電壓.在電磁暫態(tài)計算軟件ATP-EMTP軟件中，搭建配電架空線路的結(jié)構(gòu)模型，調(diào)用MODELS語言編程的MOD感應過電壓子模塊仿真配電架空線路的感應雷過電壓，建立雷電作用下配電架空線路感應產(chǎn)生過電壓的模型如圖6(a)所示.圖6(b)為線路兩端的感應過電壓子模塊，該模塊為與配電架空線路特性阻抗具有相同數(shù)值的波阻抗，下端采用的四個type60電源，分別代表配電架空線路的兩觀測位置電壓UrA和UrB.

3 10kV架空線路感應雷過電壓計算

本節(jié)采用2.3節(jié)建立的10kV架空線路感應雷過電壓計算模型，根據(jù)實際落雷點的隨機性，取代表性的落雷點位置計算配電線路感應雷過電壓.算例取10kV配電網(wǎng)架空線路的長度為1600m，取線路桿塔高度為10m并忽略弧垂.仿真取雷擊地面的落雷點與10kV配電網(wǎng)架空線路的水平間距距離為100m，落雷點1到5分別距離中心點距離為0～800m，每個落雷點的間隔為200m，配電架空線路與落雷點的相對位置關(guān)系如圖7所示.

圖7 配電架空線路與落雷點的相對位置關(guān)系

3.1 沿線位置變化仿真計算結(jié)果

在ATP Draw中更改感應過電壓子模塊的參數(shù)，分別計算配電架空線路與落雷點不同幾何位置下的感應雷過電壓幅值與分布特點.在配電架空線路模型A、B兩端，分別設定電壓互感器，根據(jù)計算得到配電架空線路兩端的感應雷過電壓波形如圖8所示.

圖8 沿線位置變化對配電架空線路過電壓影響

由圖8的仿真計算結(jié)果可知，保持落雷點與配電架空線路的水平間距不變，當落雷點沿線分布在不同位置時，配電架空線路兩端的感應雷過電壓分布特征有區(qū)別，對比兩端的感應雷過電壓波形可知：由于配電架空線路A端與落雷點距離更近，雷擊過程在配電架空線路A端產(chǎn)生的輻射電場損失較小，因此配電架空線路A端比配電架空線路B端感應雷過電壓幅值更高.此外，由于配電架空線路上感應雷過電壓受正極性垂直電場和負極性水平電場共同作用，近雷擊點線路端的感應雷過電壓中，正極性垂直電場起主要作用；而遠端感應雷過電壓中負極性水平電場起主要作用.因此，當落雷點從位置1(線路端點)逐漸向位置5(線路中心)移動時，A端感應雷過電壓幅值逐漸減小，B端感應雷過電壓波形極性由與A端反極性逐漸變?yōu)橥瑯O性.當落雷點為中垂線上時，配電架空線路的A、B兩端的感應雷過電壓波形相同.

3.2 間距變化仿真計算結(jié)果

由于自然界的雷電流具有隨機性，落雷點與配電架空線路的距離并不是一成不變的.當雷擊點與配電架空線路的間距變化時，架空線路感應雷過電壓的分布也表現(xiàn)出明顯的差別.在ATP Draw中，取圖7中落雷點1與配電架空線路(垂直方向上)的水平間距為100～500m.在不同間距下配電架空線路兩端的感應雷過電壓波形如圖9所示.

圖9 間距變化對配電架空線路過電壓影響

為了進一步分析落雷點與配電架空線路的距離對配電架空線路感應雷過電壓的影響，將架空配電線路感應電壓幅值與雷擊點距離的關(guān)系擬合成曲線，得到的擬合關(guān)系如圖10所示：

圖10 感應雷過電壓與雷擊點間距的關(guān)系擬合曲線

由圖10所示的感應雷過電壓與雷擊點間距的關(guān)系擬合曲線結(jié)果可知：由于大地損耗的存在，隨著雷擊點與配電架空線路的間距增大，雷擊過程在配電架空線路周圍的輻射電場的損耗越大，因此，架空配電線路的感應過電壓幅值隨著雷擊點與線路間距增大而呈現(xiàn)出非線性降低的變化趨勢.由圖10曲線擬合結(jié)果還可以看到：隨著落雷點與線路距離的增大，落雷點與線路間距變化對架空配電線路上的感應過電壓的影響程度逐漸降低.

4 結(jié)論

感應雷電過電壓是架空配電線路雷擊跳閘的主要因素，本文深入研究了10kV配電線路感應雷過電壓的形成過程及特性，并得到如下結(jié)論：

(1)理論分析了感應雷過電壓中靜電分量和電磁分量的物理形成過程，并基于此，采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)計算軟件建立了典型10kV配電線路感應雷過電壓數(shù)值計算模型.

(2)保持落雷點與配電架空線路的水平間距不變，當落雷點沿線分布在不同位置時，配電架空線路上靠近落雷點的一端感應雷過電壓幅值較高.配電架空線路上感應雷過電壓受正極性垂直電場和負極性水平電場共同作用，近雷擊點線路端的感應雷過電壓中，正極性垂直電場起主要作用；而遠端感應雷過電壓中負極性水平電場起主要作用.

(3)架空配電線路的感應過電壓幅值隨著雷擊點與線路間距增大而呈現(xiàn)出非線性降低的變化趨勢.隨著落雷點與線路距離越遠，落雷點與線路間距變化對架空配電線路上的感應過電壓的影響程度逐漸降低.

本文研究結(jié)果可為電力系統(tǒng)配電架空線路雷電過電壓防護提供理論參考.

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(編輯：姚佳良)

Foundation mechanisms and calculation of lightning induced voltage on 10kV overhead distribution lines

GAO Xiao-jing，YANG Lin，ZHOU Li，LIAO Xiao-hong

(SG HBEPC Economic and Technology Research Institute, Wuhan 430074, China)

Lightning trip of power distribution line is mainly caused by lightning induced overvoltage.Regulations method is normally applied to calculate the lightning induced overvoltage. This method includes so many simplified conditions which lead to lower calculation precision. The method also considers little of lightning discharge process. It theoretically analyzed the physical formation process of induced overvoltage on 10kV power distribution process in this paper. Then, calculation model of lightning induced overvoltage was built based on the physical formation process, including model of lighting discharge leader, field-to-transmission line model and transmission line model. The distribution properties of lightning induced voltage is calculated respectively under two different striking points. The work conducted in this paper can provide theoretical reference for lightning protection assessment of 10kV power distribution lines.

power distribution line; lightning induced overvoltage; formation mechanism; simulation model; lightning striking point.

2016-10-30

高曉晶，女，1648070041@qq.com

1672-6197(2017)06-0074-05

TM 753

A