配電線路感應(yīng)雷過電壓防護(hù)措施仿真研究

李 剛 ，劉大鵬 ，劉 斌 ，王 玨 ，李悠然

（1.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 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

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

線路感應(yīng)雷過電壓仿真計算的理論較為完備。文獻(xiàn)［1-3］研究了感應(yīng)雷過電壓在ATPDraw中的仿真。文獻(xiàn)［4-8］提出了采用不同的雷電回?fù)裟Ｐ秃蛨鼍€耦合模型的線路感應(yīng)雷過電壓計算方法。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)雷過電壓的10 kV線路仿真模型，以之計算出線路的感應(yīng)雷過電壓。通過仿真，分析避雷器及保護(hù)間隙對線路感應(yīng)雷過電壓防護(hù)作用，并比較其安裝密度不同對線路感應(yīng)雷過電壓的影響，可為線路防雷提供參考。

1 配電線路感應(yīng)雷過電壓模型與計算

雷電放電時線路與大地上雷擊點(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)平行于線路向B點(diǎn)靠近的方向?yàn)閤軸正方向，到線路的垂直距離為y軸正方向。

圖1 線路與雷擊的位置關(guān)系

用Bergeron模型作為計算配電線路感應(yīng)雷過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）為線路端點(diǎn) A、B 的電壓；UindA（t）和UindB（t）為線路感應(yīng)雷過電壓；UA（t－τ）和UB（t－τ）為從線路端點(diǎn)A、B反射到端點(diǎn)B、A的電壓；Z為線路的特性阻抗；iA和iB為線路電流。

圖2 線路的Bergeron模型

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

圖3 線路仿真模型

1.1 感應(yīng)雷過電壓仿真計算

仿真初始條件設(shè)置為：線路長1 000 m，線路高度10 m，檔距100 m，大地上的雷擊點(diǎn)距線路的水平距離 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)距線路A點(diǎn)最近（圖1的C點(diǎn)）。

1）感應(yīng)雷過電壓隨時間變化情況。

仿真結(jié)果如圖4所示。圖中各折線表示以線路A端點(diǎn)為原點(diǎn)時線路各處的感應(yīng)雷過電壓。

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

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

圖4 隨時間變化的感應(yīng)雷過電壓圖像

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

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

2）感應(yīng)雷過電壓的沿線分布。

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

圖5 感應(yīng)雷過電壓幅值沿線分布

1.2 線路感應(yīng)雷過電壓幅值與雷擊點(diǎn)的關(guān)系

雷擊點(diǎn)相對于線路的位置不同對線路感應(yīng)雷過電壓也有影響。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。對雷擊點(diǎn)位置不同時的線路過電壓分別進(jìn)行仿真計算，得到過電壓幅值的沿線分布如圖6所示。因線路為直線路，關(guān)于線路中點(diǎn)對稱，故雷擊點(diǎn)越過中點(diǎn)H后、為I—M時，線路過電壓幅值與雷擊點(diǎn)為G—C時線路過電壓幅值關(guān)于線路中點(diǎn)x=500 m對稱，即雷擊點(diǎn)為I時線路過電壓幅值的圖像與雷擊點(diǎn)為G時線路過電壓幅值的圖像關(guān)于x=500 m對稱，以此類推不再畫圖表示。

圖6 雷擊點(diǎn)不同時線路感應(yīng)雷過電壓幅值

圖6 中，線路距離雷擊點(diǎn)最近處的感應(yīng)雷過電壓幅值最大，過電壓幅值隨線路距雷擊點(diǎn)最近處的距離的增大而減小，減小到一定程度會反向。雷擊點(diǎn)在H處即雷擊點(diǎn)到線路中點(diǎn)最近時，線路中點(diǎn)感應(yīng)雷過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時防雷措施的防護(hù)作用。

2 防雷措施對線路的防護(hù)作用仿真分析

2.1 線路型避雷器對感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)效果

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

在仿真中，線路型避雷器采用非線性電阻進(jìn)行等效模擬，其動作電壓取60 kV，伏安特性如圖7所示。當(dāng)其兩端電壓未達(dá)到其動作電壓60 kV時，其電阻值接近無窮大，相當(dāng)于開路；當(dāng)其兩端電壓達(dá)到其動作電壓時，其電阻變得極小，過電壓在通過設(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

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

圖8 裝設(shè)避雷器前后線路中點(diǎn)感應(yīng)雷過電壓

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

圖9 不同避雷器安裝密度下線路感應(yīng)雷過電壓波形

如圖9所示，線路型避雷器安裝密度對配電線路感應(yīng)雷過電壓具有一定的影響。全線安裝線路型避雷器時，配電線路的感應(yīng)雷過電壓幅值最?。幻扛?個桿塔裝設(shè)線路型避雷器，線路上出現(xiàn)的最大感應(yīng)雷過電壓值次之；每隔2個桿塔裝設(shè)線路型避雷器出現(xiàn)的最大感應(yīng)雷過電壓幅值最大。

2.2 保護(hù)間隙對感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)效果

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

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

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

圖11 不同間隙安裝密度下線路最大感應(yīng)雷過電壓波形

如圖11所示，保護(hù)間隙安裝密度對配電線路感應(yīng)雷過電壓具有一定的影響。全線安裝時，配電線路感應(yīng)雷過電壓幅值最??；每隔1個桿塔裝設(shè)1個保護(hù)間隙時，線路感應(yīng)雷過電壓幅值處于中間水平；每隔2個桿塔裝設(shè)1個保護(hù)間隙時，線路感應(yīng)雷過電壓幅值最大。

3 結(jié)語

搭建有感應(yīng)雷過電壓存在的1 km長10 kV配電線路的仿真模型，通過模型計算出線路感應(yīng)雷過電壓及其幅值的沿線分布，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)與線路相對位置不同的所有情況中，雷擊點(diǎn)距線路中點(diǎn)最近時線路中點(diǎn)的感應(yīng)雷過電壓幅值最大。

避雷器對線路感應(yīng)雷過電壓的降壓效果顯著。避雷器安裝密度不同時，全線安裝時線路感應(yīng)雷過電壓幅值最小，每隔2個桿塔裝設(shè)1個避雷器時感應(yīng)雷過電壓幅值最大。安裝密度越大防護(hù)效果越好。

保護(hù)間隙對線路感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)效果與避雷器相似。保護(hù)間隙安裝密度不同時，全線安裝時線路感應(yīng)雷過電壓幅值最小，每隔2個桿塔裝設(shè)1個避雷器時感應(yīng)雷過電壓幅值最大。安裝密度越大防護(hù)效果越好。