10kV配電線路感應(yīng)雷過(guò)電壓形成機(jī)理及計(jì)算研究

高曉晶，楊 林,周 蠡, 廖曉紅

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖北 武漢 430000)

10kV配電線路感應(yīng)雷過(guò)電壓形成機(jī)理及計(jì)算研究

高曉晶，楊 林,周 蠡, 廖曉紅

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖北 武漢 430000)

感應(yīng)雷過(guò)電壓是造成中低壓配電線路雷擊跳閘及導(dǎo)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(jì)算感應(yīng)雷過(guò)電壓，該方法簡(jiǎn)化條件過(guò)多使得計(jì)算精度較低且未考慮感應(yīng)過(guò)電壓的實(shí)際物理過(guò)程.通過(guò)理論分析10kV配電線路上感應(yīng)雷過(guò)電壓的物理形成過(guò)程，揭示配電線路上感應(yīng)雷過(guò)電壓的形成機(jī)理；基于該物理過(guò)程，建立配電線路的雷電感應(yīng)過(guò)電壓計(jì)算模型，包括雷電放電通道的傳輸線模型、場(chǎng)線耦合模型及電力線路模型等；最后，計(jì)算分析了兩種不同落雷點(diǎn)位置下，10kV配電線路上感應(yīng)雷過(guò)電壓波的分布特性.研究工作為10kV配電線路雷電過(guò)電壓防護(hù)及實(shí)際防雷工程提供理論參考.

配電線路；感應(yīng)雷過(guò)電壓；形成機(jī)理；仿真模型；落雷點(diǎn)

配電線路是電力系統(tǒng)直接連接到用戶的末級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)，其運(yùn)行的安全性和可靠性將對(duì)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(fù)雜、絕緣水平低，同時(shí)配電網(wǎng)電力線路架線高度較低，雷雨季節(jié)容易受感應(yīng)雷過(guò)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(jì)738次，而雷擊跳閘次數(shù)在總跳閘次數(shù)所占比例高達(dá)87.45%[3].可見(jiàn)，實(shí)際工程中的配電線路防雷與維護(hù)仍然面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn).

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

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

1 電力線路感應(yīng)雷過(guò)電壓形成機(jī)理

配電架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓是由于地閃放電過(guò)程在配電架空線路周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)烈變化的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)與電力線路相互作用而產(chǎn)生的.感應(yīng)雷過(guò)電壓包含雷電先導(dǎo)通道電荷電場(chǎng)作用下的靜電分量部分和雷電回?fù)綦娏鞔艌?chǎng)作用下的電磁分量[9].

1.1 感應(yīng)雷過(guò)電壓的靜電分量

在負(fù)地閃下行先導(dǎo)放電過(guò)程中，雷電下行先導(dǎo)通道與大地之間形成高強(qiáng)度電場(chǎng)，形成了架空配電線路的背景電場(chǎng)(圖1).由于靜電感應(yīng)的作用，處于該電場(chǎng)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(gè)新的電場(chǎng)強(qiáng)度Ex，這個(gè)新形成的電場(chǎng)將“放電通道—大地”電場(chǎng)中的正電荷吸引過(guò)來(lái)，這些正電荷逐漸積聚到靠近先導(dǎo)放電通道的那段導(dǎo)線上，從而形成正極性束縛電荷.而此時(shí)架空配電線路的導(dǎo)線上的負(fù)電荷就被剩余下來(lái)，因?yàn)榕懦庾饔瞄_(kāi)始向?qū)Ь€的兩側(cè)運(yùn)動(dòng)(圖2)，并通過(guò)架空配電線路的接地裝置被泄入大地中[10].

圖1 負(fù)地閃先導(dǎo)放電過(guò)程

雷電放電現(xiàn)象主放電階段開(kāi)始以后，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷迅速被其他雷云中的正電荷中和并消耗掉，相應(yīng)產(chǎn)生的“放電通道—大地”電場(chǎng)強(qiáng)度也迅速減弱.由于“放電通道—大地”電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)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(fù)地閃回?fù)舴烹娺^(guò)程

1.2 感應(yīng)雷過(guò)電壓的電磁分量

在負(fù)地閃回?fù)舴烹娺^(guò)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(qiáng)烈的脈沖磁場(chǎng)[12].該脈沖磁場(chǎng)的磁力線方向不同，部分磁力線將交鏈“大地—導(dǎo)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(yīng)的作用下形成了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得電力線路中A點(diǎn)的對(duì)地電位升幅值增高，進(jìn)而產(chǎn)生過(guò)電壓.這個(gè)過(guò)電壓就是感應(yīng)雷過(guò)電壓的一部分，是構(gòu)成感應(yīng)雷過(guò)電壓的主要電磁分量[13].

圖3 負(fù)地閃回?fù)暨^(guò)程空間脈沖磁場(chǎng)作用

2 10kV配電線路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算模型

2.1 雷電放電過(guò)程簡(jiǎn)化假設(shè)

自然雷電放電通道具有彎曲分叉的隨機(jī)特點(diǎn).為了保證計(jì)算能夠基本反映感應(yīng)雷過(guò)電壓的值，又保證計(jì)算過(guò)程不過(guò)于復(fù)雜.本文在計(jì)算10kV配電線路感應(yīng)雷過(guò)電壓時(shí)，采用如下假設(shè)條件：

(1)只考慮主放電回?fù)暨^(guò)程中產(chǎn)生的靜電效應(yīng)和磁效應(yīng)所形成的感應(yīng)電壓；

(2)認(rèn)為雷電先導(dǎo)通道的電荷分布均勻，雷電先導(dǎo)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?fù)羲俣?v恒定；

(5)電磁場(chǎng)與電力線路耦合過(guò)程采用Agrawal場(chǎng)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(jí)比較低，且檔距較小，因此配電線路的導(dǎo)線發(fā)熱及電暈損耗較小，因此，本文在計(jì)算配電架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓時(shí)，忽略線路損耗，取配電架空線路為理想導(dǎo)體.為了分析配電架空線路的感應(yīng)雷過(guò)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(shè)的落雷點(diǎn)與架空配電線路的相對(duì)位置如圖4所示.以雷擊點(diǎn)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸，點(diǎn)P(x,y,z)為配電架空線路AB上任一點(diǎn)，設(shè)其為觀察點(diǎn)，AB為配電架空線路的兩端點(diǎn).

圖4 架空線路坐標(biāo)系統(tǒng)

本文在仿真計(jì)算時(shí)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(yīng)過(guò)電壓，kV；Z′為架空線的特性阻抗，Ω；τ為傳播時(shí)間，μs.

2.3 配電線路感應(yīng)雷過(guò)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(hù)措施相對(duì)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(shí)，以10kV電壓等級(jí)架空配電線路為例，仿真取雷電流波形取標(biāo)準(zhǔn)2.6/50μs，雷電流幅值為30kA，雷電流的回?fù)羲俣葹?.5×108m/s；大地的土壤介電常數(shù)取10，大地電導(dǎo)率為0.001s/m.

(a)配電架空線路感應(yīng)過(guò)電壓模型

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

由于雷電作用下配電線路三相線路同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓波，本文計(jì)算中不考慮三相導(dǎo)線之間的耦合作用，在計(jì)算時(shí)采用單相線路計(jì)算感應(yīng)雷過(guò)電壓.在電磁暫態(tài)計(jì)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(yǔ)言編程的MOD感應(yīng)過(guò)電壓子模塊仿真配電架空線路的感應(yīng)雷過(guò)電壓，建立雷電作用下配電架空線路感應(yīng)產(chǎn)生過(guò)電壓的模型如圖6(a)所示.圖6(b)為線路兩端的感應(yīng)過(guò)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(gè)type60電源，分別代表配電架空線路的兩觀測(cè)位置電壓UrA和UrB.

3 10kV架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算

本節(jié)采用2.3節(jié)建立的10kV架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算模型，根據(jù)實(shí)際落雷點(diǎn)的隨機(jī)性，取代表性的落雷點(diǎn)位置計(jì)算配電線路感應(yīng)雷過(guò)電壓.算例取10kV配電網(wǎng)架空線路的長(zhǎng)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(diǎn)與10kV配電網(wǎng)架空線路的水平間距距離為100m，落雷點(diǎn)1到5分別距離中心點(diǎn)距離為0～800m，每個(gè)落雷點(diǎn)的間隔為200m，配電架空線路與落雷點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系如圖7所示.

圖7 配電架空線路與落雷點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系

3.1 沿線位置變化仿真計(jì)算結(jié)果

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

圖8 沿線位置變化對(duì)配電架空線路過(guò)電壓影響

由圖8的仿真計(jì)算結(jié)果可知，保持落雷點(diǎn)與配電架空線路的水平間距不變，當(dāng)落雷點(diǎn)沿線分布在不同位置時(shí)，配電架空線路兩端的感應(yīng)雷過(guò)電壓分布特征有區(qū)別，對(duì)比兩端的感應(yīng)雷過(guò)電壓波形可知：由于配電架空線路A端與落雷點(diǎn)距離更近，雷擊過(guò)程在配電架空線路A端產(chǎn)生的輻射電場(chǎng)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(yīng)雷過(guò)電壓幅值更高.此外，由于配電架空線路上感應(yīng)雷過(guò)電壓受正極性垂直電場(chǎng)和負(fù)極性水平電場(chǎng)共同作用，近雷擊點(diǎn)線路端的感應(yīng)雷過(guò)電壓中，正極性垂直電場(chǎng)起主要作用；而遠(yuǎn)端感應(yīng)雷過(guò)電壓中負(fù)極性水平電場(chǎng)起主要作用.因此，當(dāng)落雷點(diǎn)從位置1(線路端點(diǎn))逐漸向位置5(線路中心)移動(dòng)時(shí)，A端感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值逐漸減小，B端感應(yīng)雷過(guò)電壓波形極性由與A端反極性逐漸變?yōu)橥瑯O性.當(dāng)落雷點(diǎn)為中垂線上時(shí)，配電架空線路的A、B兩端的感應(yīng)雷過(guò)電壓波形相同.

3.2 間距變化仿真計(jì)算結(jié)果

由于自然界的雷電流具有隨機(jī)性，落雷點(diǎn)與配電架空線路的距離并不是一成不變的.當(dāng)雷擊點(diǎn)與配電架空線路的間距變化時(shí)，架空線路感應(yīng)雷過(guò)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(diǎn)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(yīng)雷過(guò)電壓波形如圖9所示.

圖9 間距變化對(duì)配電架空線路過(guò)電壓影響

為了進(jìn)一步分析落雷點(diǎn)與配電架空線路的距離對(duì)配電架空線路感應(yīng)雷過(guò)電壓的影響，將架空配電線路感應(yīng)電壓幅值與雷擊點(diǎn)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(yīng)雷過(guò)電壓與雷擊點(diǎn)間距的關(guān)系擬合曲線

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

4 結(jié)論

感應(yīng)雷電過(guò)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(yīng)雷過(guò)電壓的形成過(guò)程及特性，并得到如下結(jié)論：

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

(2)保持落雷點(diǎn)與配電架空線路的水平間距不變，當(dāng)落雷點(diǎn)沿線分布在不同位置時(shí)，配電架空線路上靠近落雷點(diǎn)的一端感應(yīng)雷過(guò)電壓幅值較高.配電架空線路上感應(yīng)雷過(guò)電壓受正極性垂直電場(chǎng)和負(fù)極性水平電場(chǎng)共同作用，近雷擊點(diǎn)線路端的感應(yīng)雷過(guò)電壓中，正極性垂直電場(chǎng)起主要作用；而遠(yuǎn)端感應(yīng)雷過(guò)電壓中負(fù)極性水平電場(chǎng)起主要作用.

(3)架空配電線路的感應(yīng)過(guò)電壓幅值隨著雷擊點(diǎn)與線路間距增大而呈現(xiàn)出非線性降低的變化趨勢(shì).隨著落雷點(diǎn)與線路距離越遠(yuǎn)，落雷點(diǎn)與線路間距變化對(duì)架空配電線路上的感應(yīng)過(guò)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(guò)電壓防護(hù)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