中壓配電線路的雷電過電壓仿真研究

王遠(yuǎn)瞧，袁 萌

（三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活水平的提高，電能已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)最重要的能源之一[1]。配電網(wǎng)是連結(jié)變電站和電力用戶之間的紐帶，電力系統(tǒng)供電可靠性的高低很大程度上取決于配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定程度[2]。據(jù)以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，雷電現(xiàn)象是導(dǎo)致架空輸電線路發(fā)生故障的主要原因之一[3]。雷電對架空輸電線路的影響除了會(huì)產(chǎn)生雷電過電壓以外，雷電放電過程中線路附近的電磁環(huán)境也會(huì)發(fā)生比較大的變化。

電壓等級較低的架空線路，其架設(shè)高度也會(huì)相應(yīng)較低，因此，更容易受到感應(yīng)雷的影響，線路中發(fā)生雷電過電壓的概率更高?；诖耍瑸榱烁嗅槍π缘募訌?qiáng)雷電防護(hù)，對線路的感應(yīng)雷過電壓進(jìn)行仿真計(jì)算具有重要意義[4]。

1 雷電放電現(xiàn)象

自然界中的雷電現(xiàn)象通常都是伴隨著暴風(fēng)雨而來。由于環(huán)境中的電荷分布不均，在極性不同的云團(tuán)之間以及云團(tuán)與大地之間會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電場，經(jīng)過一定的積累后發(fā)生雷電現(xiàn)象。在所有雷電現(xiàn)象中，對架空輸電線路影響最大的是云對地產(chǎn)生的閃電。

由于帶電雷云的底部為負(fù)極性，因此地面會(huì)感應(yīng)出大量的正電荷。當(dāng)雷電與大地之間所形成電場的場強(qiáng)大到超過兩極間空氣的擊穿電壓時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)自然界的閃電現(xiàn)象，也就是雷云對地產(chǎn)生電火花，在此過程中的電流幅值最高可達(dá)數(shù)百千安培。

2 配電線路雷電感應(yīng)過電壓分布

參考文獻(xiàn)[5]中所提供的計(jì)算方法，可以通過在一條長度為1 km的線路lAB上由A至B的方向依次設(shè)置雷擊點(diǎn)，觀察線路雷電過電壓的分布和變化情況。圖1是當(dāng)雷擊點(diǎn)靠近A點(diǎn)時(shí)，配電線路各個(gè)位置的感應(yīng)雷過電壓分布及其隨時(shí)間的變化情況。

從圖1中的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，在線路經(jīng)受雷擊后，雷電過電壓急劇升高，整體在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，隨后又逐漸衰減到零。由于雷擊點(diǎn)在靠近A點(diǎn)的位置，因此在線路首段出現(xiàn)感應(yīng)雷過電壓的電壓幅值最高，靠近線路末端的過電壓因?yàn)槭艿嚼纂姴〒p耗的影響隨之變小。另外，距離雷擊點(diǎn)不同位置出現(xiàn)感應(yīng)雷過電壓幅值的時(shí)間也稍有區(qū)別，距離雷擊點(diǎn)越遠(yuǎn)的位置出現(xiàn)過電壓幅值的時(shí)間越長，這可能是因?yàn)槔纂娏鞑ǖ膫鞑バ枰欢ǖ臅r(shí)間。

以定長度100 m的距離為步長，由A至B的方向設(shè)置雷擊點(diǎn)，仿真計(jì)算lAB上各位置感應(yīng)雷過電壓幅值的分布情況，其結(jié)果示意圖如圖2。

基于此前的分析，雷擊點(diǎn)位置的過電壓幅值在同線路中最高。因此，由圖2可知，在雷擊點(diǎn)靠近線路首末兩端的位置，整個(gè)線路過電壓的幅值較小，而越靠近線路中段，整個(gè)線路過電壓的幅值越大。

3 不同因素對雷電感應(yīng)過電壓的影響

3.1 雷電流幅值的影響

仿真計(jì)算時(shí)，分別向線路模型注入15 kA、30 kA、60 kA、120 kA的雷電流，以此獲得感應(yīng)雷過電壓的波形，其結(jié)果如圖3所示。

從圖3中的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)雷過電壓與雷電流的大小呈正相關(guān)，雷電流越大，感應(yīng)雷過電壓的幅值也越大，但是其到達(dá)幅值的時(shí)間受雷電流大小的影響較小。在雷電流由15 kA增加到120 kA的過程中，由于雷電流的不斷增加，線路產(chǎn)生強(qiáng)大的電場，雷電通道上吸引了大量的電荷，從而導(dǎo)致線路上的感應(yīng)雷過電壓增加了416.39 kV。

3.2 回?fù)羲俣鹊挠绊?/h3>

分析回?fù)羲俣葘Ω袘?yīng)雷過電壓的影響時(shí)，設(shè)置三個(gè)不同的雷擊速度：1×108m/s、1.5×108m/s和2×108m/s。獲取線路中點(diǎn)感應(yīng)雷過電壓的波形，其結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著線路遭受感應(yīng)雷擊的速度增大，感應(yīng)雷過電壓的幅值也會(huì)相應(yīng)有所增大，并且線路遭受過電壓的幅值越高下降速度越快。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能是雷電主放電速度隨雷擊速度的增大而增大，在通道中大量的束縛電荷迅速變成自由電荷，導(dǎo)致在線路中產(chǎn)生大的電流波動(dòng)，因此線路上的感應(yīng)雷過電壓也會(huì)相應(yīng)升高。

3.3 雷電流波頭時(shí)間的影響

為探究不同波形的雷電流對線路上感應(yīng)雷過電壓的影響，分別模擬設(shè)置為1μs、2μs、4μs和6μs的波頭時(shí)間的雷電流，其仿真結(jié)果如圖5。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，線路的感應(yīng)雷過電壓與雷電流的波頭時(shí)間也有一定的聯(lián)系，波頭時(shí)間越長，過電壓幅值反而越小，并且出現(xiàn)幅值的時(shí)間也越晚，整個(gè)過程產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓會(huì)在50 μs之后消失。其主要原因可能是，雷電流波頭時(shí)間越長，線路聚集電荷的時(shí)間也隨之變長，電場強(qiáng)度相對較小，進(jìn)而導(dǎo)致線路上感應(yīng)雷過電壓的幅值相對較低。

3.4 雷擊點(diǎn)到線路水平距離的影響

為分析水平面上線路感應(yīng)雷過電壓受雷擊距離的影響，分別設(shè)置了50 m、100 m、150 m 和200 m水平距離不同的雷擊位置進(jìn)行仿真計(jì)算，其線路模型中感應(yīng)雷過電壓波形如圖6所示。

從圖6中可以看出，雷擊位置與線路的水平距離越大，線路遭受到的感應(yīng)雷過電壓幅值越小，并且同樣在50 μs以后衰減至零。形成這種規(guī)律的主要原因可能是線路距離雷擊位置越遠(yuǎn)，其相應(yīng)的感應(yīng)電場強(qiáng)度越小，束縛電荷量就越小，因此導(dǎo)致線路感應(yīng)雷過電壓降低。

4 結(jié) 論

本文以中壓配電線路為對象，通過一系列的仿真計(jì)算，對影響線路感應(yīng)雷過電壓的影響因素進(jìn)行了較為全面的分析，得到如下結(jié)論。

（1）線路越靠近雷擊點(diǎn)位置的感應(yīng)雷過電壓幅值越大，距離雷擊點(diǎn)越遠(yuǎn)的位置其感應(yīng)雷過電壓越小。（2）雷擊位置到線路中心的水平距離越近，線路感應(yīng)雷過電壓幅值最大，并且雷擊位置在線路中心時(shí)，感應(yīng)雷過電壓幅值最大。（3）中壓配電線路的感應(yīng)雷過電壓與雷電流和雷擊速度呈正相關(guān)，與雷擊點(diǎn)到線路的水平距離呈負(fù)相關(guān)。