架空线路感应雷过电压产生机理与计算方法

隋彬,曹建军

(二滩水电开发有限责任公司，四川 成都 610031)

架空线路感应雷过电压产生机理与计算方法

隋彬,曹建军

(二滩水电开发有限责任公司，四川 成都 610031)

架空配电线路裸露在空气中，极易遭受雷击产生雷电过电压，导致线路保护装置跳闸甚至线路电气设备元件的损坏，从而造成供电中断，影响了广大用户的生产和生活。对配电网架空线路感应雷过电压产生机理进行了详细的探讨，提出静电感应分量是配电网线路感应雷过电压的主要构成部分。并研究了目前常见的计算雷击导线附近大地时架空线路感应雷过电压的HC/idalen模型，并通过仿真分析表明大地电导率对架空线路感应雷过电压有一定的影响。

感应雷；过电压；HC/idalen模型；电磁暂态仿真

1 引言

架空线路上的雷电过电压有两种:一种是雷直击线路引起的直击雷过电压;另一种是雷击线路附近由于电磁感应所引起的感应雷过电压。通常,110kV以上高压架空线路的雷害故障次数是随线路遭受直击雷次数的减少而降低的。但是,由于35kV以下配电网架空线路绝缘水平低,因感应雷过电压引起的雷害故障次数明显较多。据测量,配电网架空线路感应雷过电压的幅值可达500kV左右,这将对配电网线路绝缘造成很大的威胁。因此，架空线路的感应雷过电压计算具有重要意义。本文对配电网架空线路感应雷过电压产生机理进行了详细的探讨，分析研究了三种典型的计算感应雷过电压的方法，并对这三种方法进行了相应的分析。

2 架空线路感应雷过电压机理

2.1 雷电放电过程

雷云是带有大量电荷的云层。雷电是雷云之间、或雷云内部、或雷云对地的放电现象。大量的电荷在雷云中并不是均匀分布的，通常在雷云中会形成多个电荷中心(电荷密集处称为电荷中心)。一般情况下每个电荷中心的电荷约0.1～10C(库仑)，而雷云中总电荷量的多少与雷云的大小有关，大块的雷云中可容纳多达数百库仑的同极性电荷。因为大量电荷的存在，在雷云之间和云与地之间以及雷云内部都会产生强大的电场。如果某处的电场强度超过了空气电气击穿强度的临界值，就会产生闪电。通过对雷云放电的大量观测结果表明，雷电放电大部分发生在雷云之间或者雷云内部，只有小部分雷电放电是对地进行的，我们重点关注的就是雷云的对地放电[1]。

经过众多学者的观测和研究发现，约90%的雷电对地放电过程是由对地负极性云团发生的。因此我们通常以带负电荷的下行雷为例分析雷电放电问题。存在于雷云中的电荷，通常在雷云下面的大地表面尤其是地面突出物体(如高大建筑、树木、杆塔、避雷针和避雷线等)上感应出相反极性的感应电荷，如图1所示。

图1 雷云在地面突出物上的感应电荷

当雷云中电荷中心的电场强度达到空气击穿的临界水平时，电荷中心附近的空气首先被击穿，开始雷电放电过程，这时产生的放电称为雷电先导放电。由雷电先导发展至地面需要约几个ms的时间。通过对雷电放电研究的光学照片显示，先导向下发展的过程不是均匀进行的，而是跳跃式或迈步式地频繁的向地面前进，即走一段、停一会，再走再停。每级的长度为10～200m，每级停歇时间为10～100μs，先导每级发展速度约为光速的1/10，延续时间约lus。先导中心的线电荷密度为(0.1～1)×10-3C/m，先导的电晕半径约0.6～6m，相应先导发展时的电流约为100A，先导中的电位梯度约100～500kV/m。当下行先导头部接近地面时，地面上的被击物(一般是较突出部分)上聚集的感应电荷会开始迎着它发出向上的流注——迎面先导(上行先导)。因为上升的迎面先导与下行先导中电荷的极性相反，当两者相遇时，就会在瞬间产生强烈的电荷中和效应，产生极大的放电电流，通常称这个阶段的放电电流为“雷电流”。在强烈的电荷中和过程中通常伴随有我们平时所熟知的雷鸣和闪电，闪电是沿主放电通道中形成的明亮光以及射线，这就是雷云放电的主放电阶段，因此“雷电流”也称为“主放电电流[1]。主放电过程中正负电荷的中和是自下而上发展的，这与先导放电过程中先导自上而下的发展方向正好相反，所以主放电过程也称为雷电回击过程。在这一过程中电荷的传播速度可达到光速的10%～50%。雷电放电的电流波形示意图如图2所示。在下行先导的首端开始受到地面目标的影响时，下行先导首端与影响它的地面目标的距离就是击距。向上的迎面先导(又称上行先导)的长度对感应过电压的数值有很大的影响。

图2 雷电流波形

随着主放电过程的进行，正负电荷被迅速中和而急剧减小，因此主放电时间很短；之后通道内电荷减少，电荷中和效应减弱，产生的电流也迅速减小，发光也较之前减弱，这一放电过程称为余辉放电。余辉放电时虽然发光微弱，但是持续时间较长，可达几ms到几十ms。余辉放电过后，整个雷电放电过程就随之结束。雷云放电过程中不同阶段的雷电流变化情况如图2所示。

2.2 感应雷过电压的产生

感应过电压是由于电磁感应作用在导线上引起的过电压。由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了电荷，如图3(a)所示，这些电荷对导线产生静电感应，在负先导附近的导线上积累了异号的正束缚电荷，而导线上的负电荷则被排斥到导线的远端。因为先导放电的速度很慢，所以导线上电荷的运动也很慢，由此引起的导线中的电流很小，同时由于导线对地泄漏电导的存在，导线电位将与远离雷云处的导线电位相同。当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动，如图3(b)所示。电荷流动形成的电流i乘以导线的波阻抗Z即为两侧流动的静电感应过电压波U=iZ。此外，先导通道电荷被中和时还会产生时变磁场，使架空导线产生电磁感应过电压波。由于主放电通道是和架空导线互相垂直的，互感不大，所以总的感应雷过电压幅值的构成是以静电感应分量为主。

图3 感应雷过电压的形成

3 架空线路感应雷过电压计算

3.1 Hc/idalen计算模型

由于大地电导率对电磁场和线路参数的计算都有一定的影响,因此Hc/idalen模型[7]在计算感应雷过电压时分别考虑了大地为理想导体和非理想导体两种情况。系统的结构如图4所示，在该模型中作出的假设同前面，只不过此时大地为非理想导体。

图4 系统的结构图

计算用的架空线和雷击点的相对关系如图5所示，计算时所采用的坐标系同前面。

图5 架空线的方向和坐标

在计算电磁场时假设雷电流为恒定电流I0。雷击导线附近大地时，导线上将出现3个分量的电磁场：

沿x轴方向：

(1)

沿y轴方向：

(2)

沿z轴方向：

(3)

其中：μ0为真空的导磁系数；h为架空线的高度，m。

(4)

(5)

计算架空线路上的感应雷过电压时，将其分为两种情况来计算：

(6)

其中：g1(x,t)为雷电流的波形函数；U0(x,t)为由单位阶跃电流产生的感应过电压。

(7)

(8)

架空线路末端匹配相应的波阻抗时，架空线路上观测点处感应雷过电压为：

Uind=0.5*Uind(x,t)

(9)

(10)

(11)

(12)

其中：g0(t)、g0(s)分别为时域和s域时包含有大地参数的地面损耗函数;ε0为真空的介电常数,εr为土壤的介电常数；σ为大地电导率。

架空线路末端匹配相应的波阻抗时，架空线路上观测点处感应雷过电压为：

(13)

3.2 仿真分析

为了更直观地说明大地电导率对感应雷过电压的影响，本文采用了电磁暂态仿真程序ATPDraw对大地为理想导体和非理想导体时架空线路感应雷过电压分别进行了仿真计算。

由于线路的三相导线对地高度相差不大,各相导线上感应雷过电压基本相等[8]，因此只需对某一相上的感应雷过电压进行仿真计算。

计算条件如下：雷电流幅值为12kA，雷电流波头为0.5μs，雷电流波长为20μs，雷击点距离线路的水平距离为50m,xA=500m，xB=-500m，雷电回击速度为130m/μs，线路高度10m，大地电导率为0.001s/m，土壤介电常数为10。架空线路末端匹配相应的波阻抗时，通过仿真得到架空线路观测点处感应雷过电压波形如图6所示。

图6 架空线路观测点处感应雷过电压波形

由图6可以看出，大地电导率对架空线路感应雷过电压有一定的影响。

4 结论

本文得出10kV架空配电线路由雷击引起的线路闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压而是感应雷过电压，感应雷过电压导致的故障比例超过90%。文中对配电网架空线路感应雷过电压产生机理进行了详细的探讨，提出静电感应分量是配电网线路感应雷过电压的主要构成部分。并研究了目前常见的计算雷击导线附近大地时架空线路感应雷过电压的HC/idalen模型，并通过仿真分析表明大地电导率对架空线路感应雷过电压有一定的影响,提高了架空线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，工程师，主要从事高电压与绝缘技术工作。