李 剛 ，劉大鵬 ，劉 斌 ，王 玨 ，李悠然

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司，山東 煙臺(tái) 264000；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

配電線(xiàn)路的電壓等級(jí)低，因此絕緣水平也低，容易被雷電影響，在線(xiàn)路中感應(yīng)出雷過(guò)電壓，雷擊嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致線(xiàn)路產(chǎn)生雷擊故障。在線(xiàn)路上裝設(shè)避雷器或保護(hù)間隙是目前線(xiàn)路防雷主要采取的措施，因此仿真計(jì)算線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓并研究避雷器和保護(hù)間隙對(duì)過(guò)電壓的影響具有實(shí)際應(yīng)用意義。

線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓仿真計(jì)算的理論較為完備。文獻(xiàn)［1-3］研究了感應(yīng)雷過(guò)電壓在ATPDraw中的仿真。文獻(xiàn)［4-8］提出了采用不同的雷電回?fù)裟Ｐ秃蛨?chǎng)線(xiàn)耦合模型的線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算方法。文獻(xiàn)［9-12］研究了避雷器和保護(hù)間隙的防護(hù)作用。

采用學(xué)者H?idalen在文獻(xiàn)［3］中提出的仿真模塊搭建出存在感應(yīng)雷過(guò)電壓的10 kV線(xiàn)路仿真模型，以之計(jì)算出線(xiàn)路的感應(yīng)雷過(guò)電壓。通過(guò)仿真，分析避雷器及保護(hù)間隙對(duì)線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓防護(hù)作用，并比較其安裝密度不同對(duì)線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的影響，可為線(xiàn)路防雷提供參考。

1 配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓模型與計(jì)算

雷電放電時(shí)線(xiàn)路與大地上雷擊點(diǎn)的位置關(guān)系如圖1所示，設(shè)距離線(xiàn)路A端點(diǎn)最近的雷擊點(diǎn)C為原點(diǎn)，雷擊點(diǎn)平行于線(xiàn)路向B點(diǎn)靠近的方向?yàn)閤軸正方向，到線(xiàn)路的垂直距離為y軸正方向。

圖1 線(xiàn)路與雷擊的位置關(guān)系

用Bergeron模型作為計(jì)算配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓使用的等效模型，如圖2所示。電壓關(guān)系為

式中：UrA（t）和 UrB（t）為線(xiàn)路端點(diǎn) A、B 的電壓；UindA（t）和UindB（t）為線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓；UA（t－τ）和UB（t－τ）為從線(xiàn)路端點(diǎn)A、B反射到端點(diǎn)B、A的電壓；Z為線(xiàn)路的特性阻抗；iA和iB為線(xiàn)路電流。

圖2 線(xiàn)路的Bergeron模型

根據(jù)上述模型在ATPDraw中搭建出產(chǎn)生感應(yīng)雷過(guò)電壓的線(xiàn)路的等效仿真模型，如圖3所示。

圖3 線(xiàn)路仿真模型

1.1 感應(yīng)雷過(guò)電壓仿真計(jì)算

仿真初始條件設(shè)置為：線(xiàn)路長(zhǎng)1 000 m，線(xiàn)路高度10 m，檔距100 m，大地上的雷擊點(diǎn)距線(xiàn)路的水平距離 100m，雷電流幅值30kA，雷電流波形 2.6/50 μs，雷電回?fù)羲俣?08 m/s，大地電導(dǎo)率0.001 S/m。雷擊點(diǎn)距線(xiàn)路A點(diǎn)最近（圖1的C點(diǎn)）。

1）感應(yīng)雷過(guò)電壓隨時(shí)間變化情況。

仿真結(jié)果如圖4所示。圖中各折線(xiàn)表示以線(xiàn)路A端點(diǎn)為原點(diǎn)時(shí)線(xiàn)路各處的感應(yīng)雷過(guò)電壓。

由圖4可知，因?yàn)槔讚酎c(diǎn)距離線(xiàn)路A端點(diǎn)距離最近，所以線(xiàn)路上A點(diǎn)（距離A點(diǎn)0 m處）的感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最大，數(shù)值為69.061 kV。

為驗(yàn)證仿真結(jié)果是否可信，用規(guī)程推薦的線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算公式根據(jù)仿真條件進(jìn)行計(jì)算，將規(guī)程公式得出的結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。我國(guó)規(guī)程推薦的線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值計(jì)算公式為［13］

圖4 隨時(shí)間變化的感應(yīng)雷過(guò)電壓圖像

式中：Ui為感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值，kV；I為雷電流幅值，kA；hc為線(xiàn)路高度，m；S為雷擊點(diǎn)到線(xiàn)路的水平距離，m。

代入設(shè)置的數(shù)據(jù)計(jì)算得線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值為Ui=75 kV，與仿真結(jié)果誤差為5.939 kV，誤差較小。

2）感應(yīng)雷過(guò)電壓的沿線(xiàn)分布。

線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的沿線(xiàn)分布的圖像如圖5所示，時(shí)間取 5 μs、10 μs、20 μs和 40 μs。由圖 5 可知，同一時(shí)間線(xiàn)路距離雷擊點(diǎn)最近處（A點(diǎn)）的過(guò)電壓幅值最大，過(guò)電壓幅值隨線(xiàn)路上到A點(diǎn)距離增大而減小，距離增大到一定程度后過(guò)電壓反向。

圖5 感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值沿線(xiàn)分布

1.2 線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值與雷擊點(diǎn)的關(guān)系

雷擊點(diǎn)相對(duì)于線(xiàn)路的位置不同對(duì)線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓也有影響。仿真參數(shù)與1.1節(jié)設(shè)置的相同，雷擊點(diǎn)位置如圖1所示。對(duì)雷擊點(diǎn)位置不同時(shí)的線(xiàn)路過(guò)電壓分別進(jìn)行仿真計(jì)算，得到過(guò)電壓幅值的沿線(xiàn)分布如圖6所示。因線(xiàn)路為直線(xiàn)路，關(guān)于線(xiàn)路中點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，故雷擊點(diǎn)越過(guò)中點(diǎn)H后、為I—M時(shí)，線(xiàn)路過(guò)電壓幅值與雷擊點(diǎn)為G—C時(shí)線(xiàn)路過(guò)電壓幅值關(guān)于線(xiàn)路中點(diǎn)x=500 m對(duì)稱(chēng)，即雷擊點(diǎn)為I時(shí)線(xiàn)路過(guò)電壓幅值的圖像與雷擊點(diǎn)為G時(shí)線(xiàn)路過(guò)電壓幅值的圖像關(guān)于x=500 m對(duì)稱(chēng)，以此類(lèi)推不再畫(huà)圖表示。

圖6 雷擊點(diǎn)不同時(shí)線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值

圖6 中，線(xiàn)路距離雷擊點(diǎn)最近處的感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最大，過(guò)電壓幅值隨線(xiàn)路距雷擊點(diǎn)最近處的距離的增大而減小，減小到一定程度會(huì)反向。雷擊點(diǎn)在H處即雷擊點(diǎn)到線(xiàn)路中點(diǎn)最近時(shí)，線(xiàn)路中點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值是所有雷擊點(diǎn)情況中最大的。因此下文研究雷擊點(diǎn)為H時(shí)防雷措施的防護(hù)作用。

2 防雷措施對(duì)線(xiàn)路的防護(hù)作用仿真分析

2.1 線(xiàn)路型避雷器對(duì)感應(yīng)雷過(guò)電壓的防護(hù)效果

線(xiàn)路型避雷器是線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓防護(hù)的基本措施，目前也被廣泛應(yīng)用于配電線(xiàn)路防雷。為了研究避雷器對(duì)配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的防護(hù)效果，在ATP-EMTP軟件中搭建配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算模型，并仿真分析線(xiàn)路型避雷器對(duì)配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的防雷效果。

在仿真中，線(xiàn)路型避雷器采用非線(xiàn)性電阻進(jìn)行等效模擬，其動(dòng)作電壓取60 kV，伏安特性如圖7所示。當(dāng)其兩端電壓未達(dá)到其動(dòng)作電壓60 kV時(shí)，其電阻值接近無(wú)窮大，相當(dāng)于開(kāi)路；當(dāng)其兩端電壓達(dá)到其動(dòng)作電壓時(shí)，其電阻變得極小，過(guò)電壓在通過(guò)設(shè)備前從避雷器流入大地。避雷器的裝設(shè)方式一般是被并聯(lián)在被保護(hù)設(shè)備的旁邊且接地。

圖7 避雷器伏安特性

在線(xiàn)路中點(diǎn)并聯(lián)一個(gè)避雷器，裝設(shè)避雷器前后線(xiàn)路中點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，避雷器對(duì)10 kV配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓防護(hù)效果明顯。未裝設(shè)避雷器時(shí)，線(xiàn)路中點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值為118.97 kV；裝設(shè)避雷器時(shí)，線(xiàn)路中點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值降為92.019 kV。

圖8 裝設(shè)避雷器前后線(xiàn)路中點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓

實(shí)際線(xiàn)路中避雷器安裝密度多種多樣，本節(jié)針對(duì)避雷器安裝密度對(duì)配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的影響進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真中，線(xiàn)路型避雷器的安裝密度分為全線(xiàn)裝設(shè)、每隔1個(gè)桿塔裝設(shè)、每隔2個(gè)桿塔裝設(shè)3種情況。不同避雷器安裝密度下，線(xiàn)路中點(diǎn)及線(xiàn)路最大感應(yīng)雷過(guò)電壓仿真波形如圖9所示。

圖9 不同避雷器安裝密度下線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓波形

如圖9所示，線(xiàn)路型避雷器安裝密度對(duì)配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓具有一定的影響。全線(xiàn)安裝線(xiàn)路型避雷器時(shí)，配電線(xiàn)路的感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最小；每隔1個(gè)桿塔裝設(shè)線(xiàn)路型避雷器，線(xiàn)路上出現(xiàn)的最大感應(yīng)雷過(guò)電壓值次之；每隔2個(gè)桿塔裝設(shè)線(xiàn)路型避雷器出現(xiàn)的最大感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最大。

2.2 保護(hù)間隙對(duì)感應(yīng)雷過(guò)電壓的防護(hù)效果

由于保護(hù)間隙成本低、安裝方便，目前也常被應(yīng)用于配電線(xiàn)路雷電防護(hù)中。為了研究保護(hù)間隙對(duì)配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的防護(hù)效果，在ATP-EMTP軟件中搭建配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算模型，并仿真分析保護(hù)間隙對(duì)配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的防雷效果。仿真中采用壓控開(kāi)關(guān)模擬線(xiàn)路保護(hù)間隙，認(rèn)為當(dāng)保護(hù)間隙兩端承受的過(guò)電壓超過(guò)其50%放電電壓時(shí)，放電間隙擊穿。在線(xiàn)路中點(diǎn)線(xiàn)路絕緣子兩端并聯(lián)保護(hù)間隙，保護(hù)間隙的50%放電電壓取60 kV。裝設(shè)保護(hù)間隙前后線(xiàn)路中點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，保護(hù)間隙對(duì)線(xiàn)路的防護(hù)效果明顯。未裝設(shè)保護(hù)間隙時(shí)，線(xiàn)路中點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值為118.97 kV；裝設(shè)避雷器時(shí)，線(xiàn)路中點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值降為72.1 kV。

圖10 裝設(shè)保護(hù)間隙前后線(xiàn)路中點(diǎn)感應(yīng)雷過(guò)電壓

與線(xiàn)路型避雷器類(lèi)似，線(xiàn)路裝設(shè)保護(hù)間隙的密度不同時(shí)，線(xiàn)路的感應(yīng)雷過(guò)電壓也不同。仿真中，將保護(hù)間隙的密度分為全線(xiàn)裝設(shè)、每隔1個(gè)桿塔裝設(shè)、每隔2個(gè)桿塔裝設(shè)3種情況。不同間隙安裝密度下，線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓仿真波形如圖11所示。

圖11 不同間隙安裝密度下線(xiàn)路最大感應(yīng)雷過(guò)電壓波形

如圖11所示，保護(hù)間隙安裝密度對(duì)配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓具有一定的影響。全線(xiàn)安裝時(shí)，配電線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最??；每隔1個(gè)桿塔裝設(shè)1個(gè)保護(hù)間隙時(shí)，線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值處于中間水平；每隔2個(gè)桿塔裝設(shè)1個(gè)保護(hù)間隙時(shí)，線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最大。

3 結(jié)語(yǔ)

搭建有感應(yīng)雷過(guò)電壓存在的1 km長(zhǎng)10 kV配電線(xiàn)路的仿真模型，通過(guò)模型計(jì)算出線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓及其幅值的沿線(xiàn)分布，仿真分析了避雷器和保護(hù)間隙的防護(hù)作用。

在雷擊點(diǎn)與線(xiàn)路相對(duì)位置不同的所有情況中，雷擊點(diǎn)距線(xiàn)路中點(diǎn)最近時(shí)線(xiàn)路中點(diǎn)的感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最大。

避雷器對(duì)線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的降壓效果顯著。避雷器安裝密度不同時(shí)，全線(xiàn)安裝時(shí)線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最小，每隔2個(gè)桿塔裝設(shè)1個(gè)避雷器時(shí)感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最大。安裝密度越大防護(hù)效果越好。

保護(hù)間隙對(duì)線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓的防護(hù)效果與避雷器相似。保護(hù)間隙安裝密度不同時(shí)，全線(xiàn)安裝時(shí)線(xiàn)路感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最小，每隔2個(gè)桿塔裝設(shè)1個(gè)避雷器時(shí)感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值最大。安裝密度越大防護(hù)效果越好。