架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理與計(jì)算方法

隋彬,曹建軍

(二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理與計(jì)算方法

隋彬,曹建軍

(二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

架空配電線路裸露在空氣中，極易遭受雷擊產(chǎn)生雷電過(guò)電壓，導(dǎo)致線路保護(hù)裝置跳閘甚至線路電氣設(shè)備元件的損壞，從而造成供電中斷，影響了廣大用戶的生產(chǎn)和生活。對(duì)配電網(wǎng)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探討，提出靜電感應(yīng)分量是配電網(wǎng)線路感應(yīng)雷過(guò)電壓的主要構(gòu)成部分。并研究了目前常見(jiàn)的計(jì)算雷擊導(dǎo)線附近大地時(shí)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓的HC/idalen模型，并通過(guò)仿真分析表明大地電導(dǎo)率對(duì)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓有一定的影響。

感應(yīng)雷；過(guò)電壓；HC/idalen模型；電磁暫態(tài)仿真

1 引言

架空線路上的雷電過(guò)電壓有兩種:一種是雷直擊線路引起的直擊雷過(guò)電壓;另一種是雷擊線路附近由于電磁感應(yīng)所引起的感應(yīng)雷過(guò)電壓。通常,110kV以上高壓架空線路的雷害故障次數(shù)是隨線路遭受直擊雷次數(shù)的減少而降低的。但是,由于35kV以下配電網(wǎng)架空線路絕緣水平低,因感應(yīng)雷過(guò)電壓引起的雷害故障次數(shù)明顯較多。據(jù)測(cè)量,配電網(wǎng)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓的幅值可達(dá)500kV左右,這將對(duì)配電網(wǎng)線路絕緣造成很大的威脅。因此，架空線路的感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算具有重要意義。本文對(duì)配電網(wǎng)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探討，分析研究了三種典型的計(jì)算感應(yīng)雷過(guò)電壓的方法，并對(duì)這三種方法進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

2 架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓機(jī)理

2.1 雷電放電過(guò)程

雷云是帶有大量電荷的云層。雷電是雷云之間、或雷云內(nèi)部、或雷云對(duì)地的放電現(xiàn)象。大量的電荷在雷云中并不是均勻分布的，通常在雷云中會(huì)形成多個(gè)電荷中心(電荷密集處稱為電荷中心)。一般情況下每個(gè)電荷中心的電荷約0.1～10C(庫(kù)侖)，而雷云中總電荷量的多少與雷云的大小有關(guān)，大塊的雷云中可容納多達(dá)數(shù)百庫(kù)侖的同極性電荷。因?yàn)榇罅侩姾傻拇嬖?，在雷云之間和云與地之間以及雷云內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)。如果某處的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了空氣電氣擊穿強(qiáng)度的臨界值，就會(huì)產(chǎn)生閃電。通過(guò)對(duì)雷云放電的大量觀測(cè)結(jié)果表明，雷電放電大部分發(fā)生在雷云之間或者雷云內(nèi)部，只有小部分雷電放電是對(duì)地進(jìn)行的，我們重點(diǎn)關(guān)注的就是雷云的對(duì)地放電[1]。

經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的觀測(cè)和研究發(fā)現(xiàn)，約90%的雷電對(duì)地放電過(guò)程是由對(duì)地負(fù)極性云團(tuán)發(fā)生的。因此我們通常以帶負(fù)電荷的下行雷為例分析雷電放電問(wèn)題。存在于雷云中的電荷，通常在雷云下面的大地表面尤其是地面突出物體(如高大建筑、樹(shù)木、桿塔、避雷針和避雷線等)上感應(yīng)出相反極性的感應(yīng)電荷，如圖1所示。

圖1 雷云在地面突出物上的感應(yīng)電荷

當(dāng)雷云中電荷中心的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣擊穿的臨界水平時(shí)，電荷中心附近的空氣首先被擊穿，開(kāi)始雷電放電過(guò)程，這時(shí)產(chǎn)生的放電稱為雷電先導(dǎo)放電。由雷電先導(dǎo)發(fā)展至地面需要約幾個(gè)ms的時(shí)間。通過(guò)對(duì)雷電放電研究的光學(xué)照片顯示，先導(dǎo)向下發(fā)展的過(guò)程不是均勻進(jìn)行的，而是跳躍式或邁步式地頻繁的向地面前進(jìn)，即走一段、停一會(huì)，再走再停。每級(jí)的長(zhǎng)度為10～200m，每級(jí)停歇時(shí)間為10～100μs，先導(dǎo)每級(jí)發(fā)展速度約為光速的1/10，延續(xù)時(shí)間約lus。先導(dǎo)中心的線電荷密度為(0.1～1)×10-3C/m，先導(dǎo)的電暈半徑約0.6～6m，相應(yīng)先導(dǎo)發(fā)展時(shí)的電流約為100A，先導(dǎo)中的電位梯度約100～500kV/m。當(dāng)下行先導(dǎo)頭部接近地面時(shí)，地面上的被擊物(一般是較突出部分)上聚集的感應(yīng)電荷會(huì)開(kāi)始迎著它發(fā)出向上的流注——迎面先導(dǎo)(上行先導(dǎo))。因?yàn)樯仙挠嫦葘?dǎo)與下行先導(dǎo)中電荷的極性相反，當(dāng)兩者相遇時(shí)，就會(huì)在瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈的電荷中和效應(yīng)，產(chǎn)生極大的放電電流，通常稱這個(gè)階段的放電電流為“雷電流”。在強(qiáng)烈的電荷中和過(guò)程中通常伴隨有我們平時(shí)所熟知的雷鳴和閃電，閃電是沿主放電通道中形成的明亮光以及射線，這就是雷云放電的主放電階段，因此“雷電流”也稱為“主放電電流[1]。主放電過(guò)程中正負(fù)電荷的中和是自下而上發(fā)展的，這與先導(dǎo)放電過(guò)程中先導(dǎo)自上而下的發(fā)展方向正好相反，所以主放電過(guò)程也稱為雷電回?fù)暨^(guò)程。在這一過(guò)程中電荷的傳播速度可達(dá)到光速的10%～50%。雷電放電的電流波形示意圖如圖2所示。在下行先導(dǎo)的首端開(kāi)始受到地面目標(biāo)的影響時(shí)，下行先導(dǎo)首端與影響它的地面目標(biāo)的距離就是擊距。向上的迎面先導(dǎo)(又稱上行先導(dǎo))的長(zhǎng)度對(duì)感應(yīng)過(guò)電壓的數(shù)值有很大的影響。

圖2 雷電流波形

隨著主放電過(guò)程的進(jìn)行，正負(fù)電荷被迅速中和而急劇減小，因此主放電時(shí)間很短；之后通道內(nèi)電荷減少，電荷中和效應(yīng)減弱，產(chǎn)生的電流也迅速減小，發(fā)光也較之前減弱，這一放電過(guò)程稱為余輝放電。余輝放電時(shí)雖然發(fā)光微弱，但是持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)幾ms到幾十ms。余輝放電過(guò)后，整個(gè)雷電放電過(guò)程就隨之結(jié)束。雷云放電過(guò)程中不同階段的雷電流變化情況如圖2所示。

2.2 感應(yīng)雷過(guò)電壓的產(chǎn)生

感應(yīng)過(guò)電壓是由于電磁感應(yīng)作用在導(dǎo)線上引起的過(guò)電壓。由于雷云對(duì)地放電過(guò)程中，放電通道周圍空間電磁場(chǎng)的急劇變化，會(huì)在附近線路的導(dǎo)線上產(chǎn)生過(guò)電壓。在雷云放電的先導(dǎo)階段，先導(dǎo)通道中充滿了電荷，如圖3(a)所示，這些電荷對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生靜電感應(yīng)，在負(fù)先導(dǎo)附近的導(dǎo)線上積累了異號(hào)的正束縛電荷，而導(dǎo)線上的負(fù)電荷則被排斥到導(dǎo)線的遠(yuǎn)端。因?yàn)橄葘?dǎo)放電的速度很慢，所以導(dǎo)線上電荷的運(yùn)動(dòng)也很慢，由此引起的導(dǎo)線中的電流很小，同時(shí)由于導(dǎo)線對(duì)地泄漏電導(dǎo)的存在，導(dǎo)線電位將與遠(yuǎn)離雷云處的導(dǎo)線電位相同。當(dāng)先導(dǎo)到達(dá)附近地面時(shí)，主放電開(kāi)始，先導(dǎo)通道中的電荷被中和，與之相應(yīng)的導(dǎo)線上的束縛電荷得到解放，以波的形式向?qū)Ь€兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，如圖3(b)所示。電荷流動(dòng)形成的電流i乘以導(dǎo)線的波阻抗Z即為兩側(cè)流動(dòng)的靜電感應(yīng)過(guò)電壓波U=iZ。此外，先導(dǎo)通道電荷被中和時(shí)還會(huì)產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，使架空導(dǎo)線產(chǎn)生電磁感應(yīng)過(guò)電壓波。由于主放電通道是和架空導(dǎo)線互相垂直的，互感不大，所以總的感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值的構(gòu)成是以靜電感應(yīng)分量為主。

圖3 感應(yīng)雷過(guò)電壓的形成

3 架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算

3.1 Hc/idalen計(jì)算模型

由于大地電導(dǎo)率對(duì)電磁場(chǎng)和線路參數(shù)的計(jì)算都有一定的影響,因此Hc/idalen模型[7]在計(jì)算感應(yīng)雷過(guò)電壓時(shí)分別考慮了大地為理想導(dǎo)體和非理想導(dǎo)體兩種情況。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，在該模型中作出的假設(shè)同前面，只不過(guò)此時(shí)大地為非理想導(dǎo)體。

圖4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算用的架空線和雷擊點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系如圖5所示，計(jì)算時(shí)所采用的坐標(biāo)系同前面。

圖5 架空線的方向和坐標(biāo)

在計(jì)算電磁場(chǎng)時(shí)假設(shè)雷電流為恒定電流I0。雷擊導(dǎo)線附近大地時(shí)，導(dǎo)線上將出現(xiàn)3個(gè)分量的電磁場(chǎng)：

沿x軸方向：

(1)

沿y軸方向：

(2)

沿z軸方向：

(3)

其中：μ0為真空的導(dǎo)磁系數(shù)；h為架空線的高度，m。

(4)

(5)

計(jì)算架空線路上的感應(yīng)雷過(guò)電壓時(shí)，將其分為兩種情況來(lái)計(jì)算：

(6)

其中：g1(x,t)為雷電流的波形函數(shù)；U0(x,t)為由單位階躍電流產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓。

(7)

(8)

架空線路末端匹配相應(yīng)的波阻抗時(shí)，架空線路上觀測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)雷過(guò)電壓為：

Uind=0.5*Uind(x,t)

(9)

(10)

(11)

(12)

其中：g0(t)、g0(s)分別為時(shí)域和s域時(shí)包含有大地參數(shù)的地面損耗函數(shù);ε0為真空的介電常數(shù),εr為土壤的介電常數(shù)；σ為大地電導(dǎo)率。

架空線路末端匹配相應(yīng)的波阻抗時(shí)，架空線路上觀測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)雷過(guò)電壓為：

(13)

3.2 仿真分析

為了更直觀地說(shuō)明大地電導(dǎo)率對(duì)感應(yīng)雷過(guò)電壓的影響，本文采用了電磁暫態(tài)仿真程序ATPDraw對(duì)大地為理想導(dǎo)體和非理想導(dǎo)體時(shí)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓分別進(jìn)行了仿真計(jì)算。

由于線路的三相導(dǎo)線對(duì)地高度相差不大,各相導(dǎo)線上感應(yīng)雷過(guò)電壓基本相等[8]，因此只需對(duì)某一相上的感應(yīng)雷過(guò)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算。

計(jì)算條件如下：雷電流幅值為12kA，雷電流波頭為0.5μs，雷電流波長(zhǎng)為20μs，雷擊點(diǎn)距離線路的水平距離為50m,xA=500m，xB=-500m，雷電回?fù)羲俣葹?30m/μs，線路高度10m，大地電導(dǎo)率為0.001s/m，土壤介電常數(shù)為10。架空線路末端匹配相應(yīng)的波阻抗時(shí)，通過(guò)仿真得到架空線路觀測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)雷過(guò)電壓波形如圖6所示。

圖6 架空線路觀測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)雷過(guò)電壓波形

由圖6可以看出，大地電導(dǎo)率對(duì)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓有一定的影響。

4 結(jié)論

本文得出10kV架空配電線路由雷擊引起的線路閃絡(luò)或故障的主要因素不是直擊雷過(guò)電壓而是感應(yīng)雷過(guò)電壓，感應(yīng)雷過(guò)電壓導(dǎo)致的故障比例超過(guò)90%。文中對(duì)配電網(wǎng)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探討，提出靜電感應(yīng)分量是配電網(wǎng)線路感應(yīng)雷過(guò)電壓的主要構(gòu)成部分。并研究了目前常見(jiàn)的計(jì)算雷擊導(dǎo)線附近大地時(shí)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓的HC/idalen模型，并通過(guò)仿真分析表明大地電導(dǎo)率對(duì)架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓有一定的影響,提高了架空線路防雷措施的可靠性。

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Generation Mechanism and Calculation Methods ofOverhead Lines Lightning Over-Voltage

SUIBin,CAOJian-jun

(Ertan Hydropower Development Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China)

Overhead distribution lines exposed to the air,vulnerable to the lightning lightning over-voltage line protection device tripping even damage to the line electrical equipment components,resulting in a power interruption,the impact of the production and living of the majority of users.This article distribution network overhead line lightning over-voltage generation mechanism were discussed in detail,proposed electrostatic induction component with the main components of electric power lines and lightning over-voltage.And is common in the vicinity of the lightning conductor earth when the overhead line lightning over-voltage the H?idalen model,and simulation results show that the ground conductivity lightning over-voltage overhead lines have a certain impact.

lightning；over-voltage；Hidalen model；electromagnetic transient simulation

1004-289X(2014)02-0051-04

TM56

B

2013-04-21

隋彬(1978-)，男，工程師，主要從事高電壓與絕緣技術(shù)工作。