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(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250002)

0 引言

電能表是電力系統(tǒng)中主要的計量裝置，用于對用電量的測量。傳統(tǒng)的機械電能表僅具備單一計量功能，電子式電能表還具備分時段計量、測量數(shù)據(jù)的采集、存儲及實時傳輸和實時監(jiān)測與異常狀況診斷等功能，因此得到越來越廣泛的應用[1]。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子式電能表中的計量芯片等電子器件也向集成化、小型化、高速化發(fā)展[2]，但這些器件耐受過電壓和過流的能力較弱，雷電浪涌極易造成電表數(shù)據(jù)計量丟失或錯亂，影響電能計量精確度，甚至燒毀電表，威脅其他用電設備，更有甚者造成供電中斷，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[3]。

針對電能表等計量設備的雷電浪涌防護試驗多采用8/20 μs電流波或1.2/50-8/20 μs組合波[4-5]，波形均呈脈沖狀，但實際電能表面臨的雷電浪涌過電壓沿線路傳播過程中波形會產(chǎn)生多次折反射[6]，呈現(xiàn)較為明顯的振蕩，且波頭時間一般較陡，實際線路雷電過電壓觀測波形[7]也證明了這一點，因此需要對電能表的雷電浪涌過電壓防護進行詳細分析。EMTP、PSCAD等軟件[8]能夠準確考慮線路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，較為精確計算線路雷電浪涌過電壓[9]。

筆者通過EMTP軟件建立簡化配電系統(tǒng)模型，計算電能表遭受雷電浪涌過電壓，討論配電線路采取避雷器防護措施對電能表終端浪涌過電壓的影響，分析柱上變壓器距電能表不同距離下的終端過電壓，最后研究電能表終端前安裝SPD的防護效果。

1 電能表的雷擊損害機理

雷電對電能表的危害方式主要有雷電直擊和雷電電磁感應兩種。根據(jù)統(tǒng)計，電能表遭受雷電直擊發(fā)生損壞的概率很低[10]，更多的是雷電電磁感應。雷電電磁感應的浪涌過電壓通過電源線或金屬管線傳導至電能表。雷電直擊線路或在線路上耦合感應產(chǎn)生過電壓可達幾百kV[11]，浪涌過電壓沿線路傳播至電能表終端時，如果幅值超過電能表沖擊耐受電壓時，便會損壞電能表。此外，雷電發(fā)生時產(chǎn)生快速變化的瞬態(tài)電磁場，以電磁輻射的方式向周圍空間傳播，而電能表中的電子器件對電磁脈沖特別敏感，抗電磁干擾能力較弱，極易造成器件誤動作甚至永久損壞[12]。

2 仿真計算模型

配電線路模型見圖1，包括10 kV架空線路、10 kV/220 V柱上變壓器、220 V線路、電能表和用電設備[13]。

圖1 配電線路模型Fig.1 Configuration of the distribution power system

2.1 雷電流模型

雷電流波形選用較為符合雷電發(fā)展實際規(guī)律的Heidler模型，其表達式為[14]

(1)

式中：I0為雷電流幅值；τ1和τ2分別為電流上升和衰減時間常數(shù)；n與雷電流陡度有關，IEC標準推薦取10。

2.2 架空線路與變壓器模型

10 kV架空線路采用Jmarti模型，高度為9.6 m，線路型號為LGJ-50鋼芯鋁絞線。線路桿塔波阻抗取250 Ω，電感平均值為0.84 μH/m，桿塔檔距50 m。220 V架空線路采用Bergeron模型[10]，線路波阻抗為310.68 Ω。

對地電容模型是最為簡單和常見的柱上變壓器模型，但其無法考慮變壓器的頻率特性和線路高低壓側(cè)的過度沖擊現(xiàn)象[15]，因此仿真中選用Janiszewski等人提出的高頻變壓器模型，高頻變壓器等效模型圖見圖2[16]。

圖2 柱上變壓器高頻模型Fig.2 High-frequency model of distribution transformer

2.3 避雷器和智能電表模型

在實際防護中，10 kV線路有時會安裝金屬氧化物避雷器，仿真中采用非線性電阻模擬金屬氧化物避雷器，其流經(jīng)電流與電壓之間服從下式關系：

i=kuα

(2)

式中：i為流經(jīng)避雷器的電流；u為避雷器上電壓；系數(shù)k和α根據(jù)避雷器產(chǎn)品具體數(shù)據(jù)擬合得到。仿真中10 kV配電避雷器型號為YH5W-17/50[17]，直流參考電壓U1mA為25 kV。

電能表內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，電源模塊和表內(nèi)PT回路是過電壓侵入的主要途徑[18]，仿真中主要考慮這兩部分，電能表等效為變壓器、整流橋和穩(wěn)壓芯片組成[10]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 浪涌過電壓

變壓器高壓側(cè)200 m處10 kV線路遭受雷擊時，流向電能表的電流波形和對地電壓波形見圖3。雷電流幅值50 kA，波形2.6/50 μs，對應的雷電流通道等值波阻抗取700 Ω[19]。變壓器距電能表線路距離100 m，桿塔每兩基安裝一組避雷器，桿塔接地電阻10 Ω。

(a)電流波形

(b)對地電壓波形圖3 電能表電流波形和對地電壓波形Fig.3 Wire current and voltage-to-ground of the watt-hour meter

由圖3可看出，流向電能表電流波形和電能表對地電壓波形均呈現(xiàn)較為明顯的振蕩，主要是由于雷電波在配電系統(tǒng)傳輸過程中阻抗不匹配導致多次折反射。電能表對地過電壓幅值配電系統(tǒng)中IV類沖擊耐受電壓(6 kV)，會對電能表絕緣造成嚴重危害。此外，過電壓波頭時間較陡，電壓變化率較高，不利于雷電防護。

3.2 安裝配電避雷器

不同避雷器安裝間距下流向電能表的電流幅值和對地過電壓幅值見圖4。

從圖4可看出，隨著避雷器安裝密度的增加，流向電能表電流和對地過電壓幅值降低。每基桿塔均安裝避雷器時對地過電壓比每4基桿塔安裝避雷器時降低30%。但是避雷器安裝越密，對應的成本越高，推薦將避雷器安裝于低絕緣水平或高接地電阻桿塔上[20]。

電能表對地過電壓幅值累積分布概率曲線見圖5。

圖5表明，電能表對地過電壓幅值累積概率分布曲線隨著避雷器安裝間距的增大而整體右移，即出現(xiàn)幅值高的過電壓概率增大。累積幅值概率曲線出現(xiàn)突然下降的情況主要是由于變壓器高壓側(cè)前端避雷器限壓作用。

(a)電流

(b)電壓圖4 電能表電流和對地電壓幅值隨避雷器安裝間距變化Fig.4 Wire current and voltage-to-ground of the watt-hour meter under different distribution arrester configurations

圖5 電能表對地過電壓幅值累積概率分布曲線Fig.5 Cumulative-probability distribution of voltage-to-ground of the watt-hour meter

3.3 安裝SPD防護效果

即使10 kV線路安裝有避雷器，從高壓側(cè)傳遞至電能表的過電壓仍然較高，有必要在電能表前端安裝SPD。圖6給出了安裝SPD后，電能表對地過電壓波形。SPD直流參考電壓U1mA為1.3 kV，10 kA電流沖擊下殘壓為2.9 kV。

由圖6可看出，電能表前端安裝SPD后，對地過電壓幅值和陡度都得到明顯抑制。過電壓幅值未超過2 kV，SPD起到了有效保護作用。

不同接地電阻和線路長度下電能表對地過電壓變化見圖7。

圖6 安裝SPD后電能表對地過電壓波形Fig.6 Voltage-to-ground of the watt-hour meter after installing SPD

圖7 不同接地電阻和線路長度下對地過電壓Fig.7 Voltage-to-ground of the watt-hour meter under different line length and ground resistance

由圖7可看出，隨著線路長度增加，電能表對地過電壓增大，這主要是受電能表負載與線路阻抗之間的諧振影響[20]。接地電阻對電能表對地過電壓影響十分明顯，100 Ω接地電阻情況下，即使安裝了配電避雷器和SPD，對地過電壓仍然超過了6 kV，需要盡可能降低SPD接地電阻。

4 結(jié)論

利用EMTP軟件，分析了變壓器高壓側(cè)200 m處10 kV線路遭受雷擊時，流向電能表的電流I和電能表對地電壓U，得到如下結(jié)論：

1)I和U的波形均呈現(xiàn)較為明顯的振蕩，且波頭時間較短。U幅值較高，極易超過其沖擊耐受電壓。

2)I和U幅值均著避雷器安裝密度的增加而降低，對應的過電壓幅值累積概率分布曲線也整體左移。

3)U隨著220 V線路長度增加而增大。電能表前端安裝SPD后能夠有效降低對地過電壓，使設備得到較好的保護，但需要盡可能降低SPD接地電阻。