對(duì)10kV配電線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓模擬實(shí)驗(yàn)的探討

摘 ?要：本文以10kV配電線路為研究對(duì)象，對(duì)其中的雷電感應(yīng)過(guò)電壓模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。在概述雷電感應(yīng)過(guò)電壓故障的基礎(chǔ)上，針對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)分析中的計(jì)算方法進(jìn)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(hù);感應(yīng)過(guò)電壓;實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號(hào)：TM863 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)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(guò)電壓，降低甚至消除閃絡(luò)問(wèn)題的發(fā)生條件，需要對(duì)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(shí)現(xiàn)這一技術(shù)之前，需要對(duì)整體雷電感應(yīng)過(guò)電壓的概念與故障表現(xiàn)進(jìn)行分析，以此保證對(duì)技術(shù)內(nèi)容的指導(dǎo)效果。

1 ?雷電感應(yīng)過(guò)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(huì)在建筑物結(jié)構(gòu)中對(duì)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(guò)電壓水平的雷過(guò)電壓，就會(huì)產(chǎn)生絕緣子損壞的問(wèn)題。嚴(yán)重時(shí)，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(huì)通過(guò)避雷器設(shè)備，將超出規(guī)模的總量條件進(jìn)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(shí)，防止線路設(shè)備遭到損壞，維護(hù)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(xiǎn)，就會(huì)在應(yīng)用過(guò)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(xiǎn)，在出現(xiàn)雷電感應(yīng)過(guò)電壓超標(biāo)問(wèn)題的同時(shí)，會(huì)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(huì)對(duì)設(shè)備中的絕緣子造成影響，并在傳導(dǎo)過(guò)程中影響10kV線路系統(tǒng)中的正常傳導(dǎo)水平，對(duì)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(wèn)題。

2 ?雷電感應(yīng)過(guò)電壓模擬實(shí)驗(yàn)的計(jì)算方式

感應(yīng)過(guò)電壓數(shù)值計(jì)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(chǎng)分布的計(jì)算中得到具體數(shù)值。然后，再根據(jù)線路與電磁場(chǎng)的耦合關(guān)系數(shù)值，計(jì)算不同電磁場(chǎng)分布條件下所產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓條件。

計(jì)算方法上，平行多導(dǎo)線的FDTD算法較為常見(jiàn)，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(lì)源的影響，會(huì)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(jì)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(zhǎng)度導(dǎo)線，C為電容矩陣。ET（x，t）為導(dǎo)線電場(chǎng)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(guò)MTL方程的計(jì)算分析，可以確定各坐標(biāo)點(diǎn)位與時(shí)間參數(shù)影響下的離散數(shù)值，并將電壓對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)條件上，形成離散型的電壓、電流數(shù)據(jù)。以此，完成對(duì)分支節(jié)點(diǎn)的正常描述，形成電壓變量的迭代變化條件。

完成參數(shù)計(jì)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(guò)對(duì)絕緣子模型的簡(jiǎn)化處理，使其轉(zhuǎn)化為一個(gè)良性開(kāi)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(shí)，維持開(kāi)關(guān)的閉合狀態(tài)[2]。另外，在統(tǒng)計(jì)CFO數(shù)值的過(guò)程中，需將閃絡(luò)概率設(shè)定在50%，通過(guò)對(duì)間隙放電條件進(jìn)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(chǎng)的與傳輸參數(shù)的影響條件下，需要對(duì)公式條件做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，尤其在對(duì)等量電導(dǎo)率進(jìn)行論證的過(guò)程中，需要對(duì)理想數(shù)值與實(shí)際數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析。在確定差異變量的同時(shí)，找到重合與相似的計(jì)算交叉點(diǎn)。以此完成后續(xù)的完整計(jì)算內(nèi)容。

3 ?模擬實(shí)驗(yàn)中的雷電感應(yīng)過(guò)電壓特征說(shuō)明

3.1 ?線路過(guò)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(guò)電壓數(shù)值，會(huì)受到雷電電流幅值、配電線路對(duì)地高度、雷擊點(diǎn)與線路距離這三個(gè)條件參數(shù)的影響。而在Rusck公式中，對(duì)最大感應(yīng)過(guò)電壓的分析，需在以上三個(gè)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(guò)對(duì)其與光速比值條件的分析，確定最大雷擊感應(yīng)過(guò)電壓的變化數(shù)值條件。而在前文提到的計(jì)算方法下，感應(yīng)過(guò)電壓的數(shù)值表現(xiàn)，還會(huì)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(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。在進(jìn)行計(jì)算分析的過(guò)程中，可以確定基礎(chǔ)的運(yùn)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(jì)分析的合理性。

完成相關(guān)性的因素分析的同時(shí)，回波傳播的速率水平與桿塔接地的處理方式，地感應(yīng)過(guò)電壓數(shù)值的影響效果較弱。所以在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的過(guò)程中，可以適當(dāng)?shù)睾鲆暣祟悢?shù)據(jù)條件，如果沒(méi)有對(duì)統(tǒng)計(jì)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(wú)須對(duì)此類數(shù)據(jù)做出分析與計(jì)算，以此保證整體統(tǒng)計(jì)分析的效率水平。

如果回波速率的數(shù)值參數(shù)相對(duì)較高，當(dāng)雷擊點(diǎn)距離系統(tǒng)較近時(shí)，就會(huì)加快達(dá)到峰值數(shù)據(jù)的速率，并使與之對(duì)應(yīng)的du/dt數(shù)值變大。然而在這一條件下，不會(huì)對(duì)對(duì)應(yīng)的峰值結(jié)構(gòu)造成影響。當(dāng)波前時(shí)間縮短后，才會(huì)加快峰值的增長(zhǎng)速率，并對(duì)峰值產(chǎn)生影響，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出波前時(shí)間的對(duì)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(jìn)行模型分析的過(guò)程中，無(wú)法得到標(biāo)準(zhǔn)的理想化數(shù)值。因此，在應(yīng)用FDTD法進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，需要使用特殊的公式進(jìn)行分析計(jì)算，并在形成具體參數(shù)的過(guò)程中，對(duì)其中的應(yīng)用數(shù)值進(jìn)行總結(jié)，以便形成更具針對(duì)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(zhǎng)度擬定在1.5km，并使雷擊點(diǎn)發(fā)生在50m坐標(biāo)位置。在確定相對(duì)節(jié)點(diǎn)常數(shù)之后會(huì)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(duì)于大地實(shí)際高耗能數(shù)據(jù)的模擬分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體感電狀態(tài)的論證。然后在統(tǒng)計(jì)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(xiàng)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(shí)，可以確定沿時(shí)間變量，對(duì)感應(yīng)過(guò)電壓分布狀態(tài)進(jìn)行分析與確認(rèn)，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(jìn)而確定具有靜電場(chǎng)效應(yīng)的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

在對(duì)大地電導(dǎo)率等變量數(shù)值條件進(jìn)行分析的過(guò)程中，可以總結(jié)出三種特異化的變化情況，即絕緣效果無(wú)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(diǎn)為基礎(chǔ)的對(duì)應(yīng)數(shù)值。在進(jìn)行對(duì)比計(jì)算的過(guò)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(diǎn)末端電壓的同時(shí)，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(guò)程中，末端電壓會(huì)在波形條件上，形成負(fù)峰值結(jié)構(gòu)。形成原因上，主要受到雷電場(chǎng)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(dòng)現(xiàn)象。而雷電波在常規(guī)線路中進(jìn)行傳導(dǎo)時(shí)，在延伸的進(jìn)程中會(huì)出現(xiàn)衰變。這種衰變現(xiàn)象，會(huì)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(guò)電壓概率與閃絡(luò)特征

數(shù)值計(jì)算法的應(yīng)用中，可以確定統(tǒng)計(jì)線路中的感應(yīng)過(guò)電壓參數(shù)。通過(guò)對(duì)雷電流概率的分布統(tǒng)計(jì)，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(jì)算的過(guò)程中，需將雷擊區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)抽檢，在獲取抽樣性雷擊點(diǎn)的同時(shí)，分析出現(xiàn)雷擊問(wèn)題的隨機(jī)概率。由此，可以對(duì)雷擊所引發(fā)的最大感應(yīng)過(guò)電壓數(shù)值展開(kāi)模型化的計(jì)算分析。在10000次的雷擊模擬分布統(tǒng)計(jì)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(wèn)題的頻率。

為了使抽樣數(shù)據(jù)的合理性得到強(qiáng)化，還需對(duì)特定工作環(huán)境中的雷暴天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(guò)FDTD法完成計(jì)算。當(dāng)不分析直接雷擊的特殊案例時(shí)，可以對(duì)應(yīng)地分析最大感應(yīng)過(guò)電壓的分布條件。然后，在對(duì)雷擊引發(fā)線路進(jìn)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(guò)這一變量數(shù)值的計(jì)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(huì)有所下降，并在產(chǎn)生雷電數(shù)值變量的同時(shí)，減少出現(xiàn)線路故障與閃絡(luò)問(wèn)題的概率。當(dāng)大地的電導(dǎo)率增加后，雷擊的概率也會(huì)順勢(shì)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(shì)。另外，在引導(dǎo)閃絡(luò)問(wèn)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(kāi)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(guò)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(guò)程中，務(wù)必要從基礎(chǔ)的技術(shù)原理入手，對(duì)其中的應(yīng)用條件與特征內(nèi)容進(jìn)行分析。由此，才能最大化地發(fā)揮模擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在找到具體故障問(wèn)題的基礎(chǔ)上，分析出現(xiàn)故障問(wèn)題的特征條件，保證整體系統(tǒng)的完整性。

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作者簡(jiǎn)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)。