摘 ?要：本文以10kV配電線路為研究對象，對其中的雷電感應(yīng)過電壓模擬實驗進行分析。在概述雷電感應(yīng)過電壓故障的基礎(chǔ)上，針對模擬實驗分析中的計算方法進行論述。由此，總結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)中的特征表現(xiàn)內(nèi)容，為相關(guān)技術(shù)研究與應(yīng)用探索提供參考。

關(guān)鍵詞：配電線路;雷電防護;感應(yīng)過電壓;實驗分析

中圖分類號：TM863 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0044-03

Discussion on Simulation Experiment of Lightning Induced Overvoltage on

10kV Distribution Line

LIAN Qingnan

（Guangdong Power Grid Co.，Ltd. Maoming Gaozhou Power Supply Bureau，Gaozhou ?525200，China）

Abstract：This paper takes 10kV distribution line as the research object and analyzes the lightning induced overvoltage simulation experiment. On the basis of an overview of lightning induced overvoltage faults，the calculation methods in the simulation experiment analysis are discussed. Therefore，the feature expression content in the device structure is summarized，and the reference conditions are provided for related technology research and application exploration.

Keywords：distribution line;lightning protection;induced overvoltage;experimental analysis

0 ?引 ?言

10kV配電線路中，自身帶有的絕緣能力相對有限，容易受到環(huán)境中的雷擊影響。為了有效地控制電路結(jié)構(gòu)，積極地管理線路中的雷擊感應(yīng)過電壓，降低甚至消除閃絡(luò)問題的發(fā)生條件，需要對特定的功能結(jié)構(gòu)做出調(diào)整，并采取相應(yīng)的管理技術(shù)措施。而實現(xiàn)這一技術(shù)之前，需要對整體雷電感應(yīng)過電壓的概念與故障表現(xiàn)進行分析，以此保證對技術(shù)內(nèi)容的指導(dǎo)效果。

1 ?雷電感應(yīng)過電壓概述

形成條件上，如果10kV架空配電線路的結(jié)構(gòu)周圍，建筑物的整體高度較大，且高于10kV架空配電線路系統(tǒng)，由此就會在建筑物結(jié)構(gòu)中對線路系統(tǒng)形成遮擋與屏蔽，以此降低出導(dǎo)線的合度狀態(tài)，并控制受到雷擊危害的概率條件。然而，在雷電的高發(fā)季節(jié)或地區(qū)，如果區(qū)域環(huán)境中的雷電較為密集，并在線路環(huán)境中生成大于線路自身感應(yīng)過電壓水平的雷過電壓，就會產(chǎn)生絕緣子損壞的問題。嚴(yán)重時，甚至直接導(dǎo)致線路接地裝置的短路損毀，形成系統(tǒng)性的配網(wǎng)故障。故障表現(xiàn)形式中，可將這一條件下產(chǎn)生的故障分為避雷器故障與絕緣子閃絡(luò)故障這兩種類型。

避雷器設(shè)備設(shè)置在架空線路中，當(dāng)出現(xiàn)雷擊事件之后，會通過避雷器設(shè)備，將超出規(guī)模的總量條件進行引導(dǎo)，并使大量的感應(yīng)電流結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到地下，完成分流處理。由此，在控制絕緣子兩端電壓的同時，防止線路設(shè)備遭到損壞，維護整體結(jié)構(gòu)的避雷效果[1]。但是一旦這種避雷器設(shè)備出現(xiàn)老化與故障風(fēng)險，就會在應(yīng)用過程中，降低使用質(zhì)量，影響整體結(jié)構(gòu)的使用效果，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的故障風(fēng)險，在出現(xiàn)雷電感應(yīng)過電壓超標(biāo)問題的同時，會發(fā)生較為嚴(yán)重的故障。而在絕緣子閃絡(luò)故障中，在遭受到雷擊的條件下，會對設(shè)備中的絕緣子造成影響，并在傳導(dǎo)過程中影響10kV線路系統(tǒng)中的正常傳導(dǎo)水平，對整體結(jié)構(gòu)造成安全隱患，甚至直接出現(xiàn)設(shè)備的受熱殘損問題。

2 ?雷電感應(yīng)過電壓模擬實驗的計算方式

感應(yīng)過電壓數(shù)值計算中，需要將放電的雷電流模型作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在分析不同距離的電磁場分布的計算中得到具體數(shù)值。然后，再根據(jù)線路與電磁場的耦合關(guān)系數(shù)值，計算不同電磁場分布條件下所產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓條件。

計算方法上，平行多導(dǎo)線的FDTD算法較為常見，是構(gòu)成技術(shù)分析的基礎(chǔ)。受到外部分布式的電磁激勵源的影響，會在如圖1所示的模型結(jié)構(gòu)中，形成導(dǎo)體傳導(dǎo)系統(tǒng)，并在計算方法上，總結(jié)出MTL方程：

式中U（x，t）與I（x，t）分別代表了電壓狀態(tài)和電流向量。R為長度導(dǎo)線，C為電容矩陣。ET（x，t）為導(dǎo)線電場的平行分量，IB為流出輸電線路的分支電流向量參數(shù)。通過MTL方程的計算分析，可以確定各坐標(biāo)點位與時間參數(shù)影響下的離散數(shù)值，并將電壓對應(yīng)到相應(yīng)的節(jié)點條件上，形成離散型的電壓、電流數(shù)據(jù)。以此，完成對分支節(jié)點的正常描述，形成電壓變量的迭代變化條件。

完成參數(shù)計算之后，需要按照特定的模型結(jié)構(gòu)，安裝絕緣子桿塔設(shè)施。通過對絕緣子模型的簡化處理，使其轉(zhuǎn)化為一個良性開關(guān)結(jié)構(gòu)，在絕緣子兩端的電壓參數(shù)上，都調(diào)整在1.5倍的臨界值以上，使其能適應(yīng)閃絡(luò)電壓CFO條件，并在絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)時，維持開關(guān)的閉合狀態(tài)[2]。另外，在統(tǒng)計CFO數(shù)值的過程中，需將閃絡(luò)概率設(shè)定在50%，通過對間隙放電條件進行分析，確定1.5為具體變化系數(shù)，以此保證模型分析的合理性。

另外，在雷電磁場的與傳輸參數(shù)的影響條件下，需要對公式條件做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，尤其在對等量電導(dǎo)率進行論證的過程中，需要對理想數(shù)值與實際數(shù)值進行對比分析。在確定差異變量的同時，找到重合與相似的計算交叉點。以此完成后續(xù)的完整計算內(nèi)容。

3 ?模擬實驗中的雷電感應(yīng)過電壓特征說明

3.1 ?線路過電壓狀態(tài)的最大感應(yīng)數(shù)值

通常情況下最大狀態(tài)的感應(yīng)過電壓數(shù)值，會受到雷電電流幅值、配電線路對地高度、雷擊點與線路距離這三個條件參數(shù)的影響。而在Rusck公式中，對最大感應(yīng)過電壓的分析，需在以上三個數(shù)值條件之上，添加雷電先導(dǎo)中的回波速率參數(shù)，通過對其與光速比值條件的分析，確定最大雷擊感應(yīng)過電壓的變化數(shù)值條件。而在前文提到的計算方法下，感應(yīng)過電壓的數(shù)值表現(xiàn)，還會受到雷電流波、回波速率、大地電導(dǎo)率、接地電阻數(shù)值等多種數(shù)值條件的干擾，形成差異化的計算結(jié)果數(shù)據(jù)。在進行計算分析的過程中，可以確定基礎(chǔ)的運算數(shù)值條件，并在固定參數(shù)的指導(dǎo)與引用下，保證后續(xù)統(tǒng)計分析的合理性。

完成相關(guān)性的因素分析的同時，回波傳播的速率水平與桿塔接地的處理方式，地感應(yīng)過電壓數(shù)值的影響效果較弱。所以在進行統(tǒng)計分析的過程中，可以適當(dāng)?shù)睾鲆暣祟悢?shù)據(jù)條件，如果沒有對統(tǒng)計數(shù)據(jù)做出特殊化的要求，在常規(guī)數(shù)值參數(shù)的分析中，無須對此類數(shù)據(jù)做出分析與計算，以此保證整體統(tǒng)計分析的效率水平。

如果回波速率的數(shù)值參數(shù)相對較高，當(dāng)雷擊點距離系統(tǒng)較近時，就會加快達到峰值數(shù)據(jù)的速率，并使與之對應(yīng)的du/dt數(shù)值變大。然而在這一條件下，不會對對應(yīng)的峰值結(jié)構(gòu)造成影響。當(dāng)波前時間縮短后，才會加快峰值的增長速率，并對峰值產(chǎn)生影響，使其遠遠高出波前時間的對應(yīng)峰值數(shù)據(jù)。

3.2 ?大地導(dǎo)率特征下的數(shù)值變化內(nèi)容

大地是一種非理想型的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在進行模型分析的過程中，無法得到標(biāo)準(zhǔn)的理想化數(shù)值。因此，在應(yīng)用FDTD法進行計算的同時，需要使用特殊的公式進行分析計算，并在形成具體參數(shù)的過程中，對其中的應(yīng)用數(shù)值進行總結(jié)，以便形成更具針對性的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。

方法上，可假設(shè)10kV配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的具體建設(shè)參數(shù)，將配電線路長度擬定在1.5km，并使雷擊點發(fā)生在50m坐標(biāo)位置。在確定相對節(jié)點常數(shù)之后會在不同大地電導(dǎo)率水平的條件下，形成具體的線路末端電壓波形[3]。由此，保證對于大地實際高耗能數(shù)據(jù)的模擬分析，實現(xiàn)對整體感電狀態(tài)的論證。然后在統(tǒng)計變量，并繪制大地電導(dǎo)率效果圖的作用下，可以發(fā)現(xiàn)大地電導(dǎo)率、電壓衰減這兩項數(shù)值之間的正比例關(guān)系。當(dāng)擬定數(shù)值在合理區(qū)間范圍內(nèi)時，可以確定沿時間變量，對感應(yīng)過電壓分布狀態(tài)進行分析與確認，并形成如表1所示的電壓分布數(shù)值，確定這一數(shù)值變量環(huán)境中，大地電導(dǎo)條件的影響內(nèi)容。尤其在圖形的電壓變量數(shù)值中，形成了雷電波折發(fā)射條件。由此，可以在雷電波的分量中，確定大地電導(dǎo)率在高頻段的影響力水平，進而確定具有靜電場效應(yīng)的電磁場結(jié)構(gòu)。

在對大地電導(dǎo)率等變量數(shù)值條件進行分析的過程中，可以總結(jié)出三種特異化的變化情況，即絕緣效果無窮大、桿塔絕緣子的理想狀態(tài)、有損大地條件下的絕緣子安裝。在這三種條件下，可以形成以雷擊點為基礎(chǔ)的對應(yīng)數(shù)值。在進行對比計算的過程中，可以直接反映出電壓波形的振蕩變化效果。在形成終點末端電壓的同時，端頭位置的電壓參數(shù)基本一致。所不同的是，在電導(dǎo)率水平降低的過程中，末端電壓會在波形條件上，形成負峰值結(jié)構(gòu)。形成原因上，主要受到雷電場與雷電波的影響，在大地有限電導(dǎo)率的影響下，形成這一異動現(xiàn)象。而雷電波在常規(guī)線路中進行傳導(dǎo)時，在延伸的進程中會出現(xiàn)衰變。這種衰變現(xiàn)象，會在各分支結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出相同的變量數(shù)值，并在波形逐漸增大的條件下，使電壓的波形發(fā)生變化，甚至?xí)陔妷旱慕Y(jié)構(gòu)中出現(xiàn)極性變化效果。

3.3 ?感應(yīng)過電壓概率與閃絡(luò)特征

數(shù)值計算法的應(yīng)用中，可以確定統(tǒng)計線路中的感應(yīng)過電壓參數(shù)。通過對雷電流概率的分布統(tǒng)計，確定雷電流幅值的取值區(qū)間。在應(yīng)用蒙托卡羅法完成計算的過程中，需將雷擊區(qū)域進行隨機抽檢，在獲取抽樣性雷擊點的同時，分析出現(xiàn)雷擊問題的隨機概率。由此，可以對雷擊所引發(fā)的最大感應(yīng)過電壓數(shù)值展開模型化的計算分析。在10000次的雷擊模擬分布統(tǒng)計中，能夠總結(jié)出所有數(shù)據(jù)中的電路產(chǎn)生次數(shù)，以及每年每百公里的線路，發(fā)生閃絡(luò)問題的頻率。

為了使抽樣數(shù)據(jù)的合理性得到強化，還需對特定工作環(huán)境中的雷暴天數(shù)進行統(tǒng)計分析，在確定落雷密度條件的基礎(chǔ)上，設(shè)定合理的雷擊點影響寬度范圍。由于大地的有損條件，在應(yīng)用MTL模型的基礎(chǔ)上，需要通過FDTD法完成計算。當(dāng)不分析直接雷擊的特殊案例時，可以對應(yīng)地分析最大感應(yīng)過電壓的分布條件。然后，在對雷擊引發(fā)線路進行匯總的基礎(chǔ)上，找到普遍降低的類變化次數(shù)與電壓普遍變化數(shù)值。通過這一變量數(shù)值的計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷擊次數(shù)的變化率降低后，相應(yīng)的電壓值也會有所下降，并在產(chǎn)生雷電數(shù)值變量的同時，減少出現(xiàn)線路故障與閃絡(luò)問題的概率。當(dāng)大地的電導(dǎo)率增加后，雷擊的概率也會順勢減少，并在直擊閃絡(luò)率與感應(yīng)閃絡(luò)率的參數(shù)上，都呈現(xiàn)出下降的趨勢。另外，在引導(dǎo)閃絡(luò)問題的雷擊事故中，直擊類型的雷擊情況，占有較大的比例條件，如果環(huán)境較為開闊，這一影響條件將更為明顯。

4 ?結(jié) ?論

綜上所述，雷電感應(yīng)過電壓現(xiàn)象，容易誘發(fā)配電系統(tǒng)的功能故障。在系統(tǒng)管理與分析的過程中，務(wù)必要從基礎(chǔ)的技術(shù)原理入手，對其中的應(yīng)用條件與特征內(nèi)容進行分析。由此，才能最大化地發(fā)揮模擬實驗的應(yīng)用優(yōu)勢，在找到具體故障問題的基礎(chǔ)上，分析出現(xiàn)故障問題的特征條件，保證整體系統(tǒng)的完整性。

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作者簡介：練慶南（1989.08-），男，漢族，廣東高州人，工程師，本科，工科學(xué)士，研究方向：10kV配網(wǎng)。