10kV配电线路感应雷过电压形成机理及计算研究

高晓晶，杨 林,周 蠡, 廖晓红

(国网湖北省电力公司经济技术研究院，湖北 武汉 430000)

10kV配电线路感应雷过电压形成机理及计算研究

高晓晶，杨 林,周 蠡, 廖晓红

(国网湖北省电力公司经济技术研究院，湖北 武汉 430000)

感应雷过电压是造成中低压配电线路雷击跳闸及导线断线的主要原因.目前配电线路工程中一般采用规程法计算感应雷过电压，该方法简化条件过多使得计算精度较低且未考虑感应过电压的实际物理过程.通过理论分析10kV配电线路上感应雷过电压的物理形成过程，揭示配电线路上感应雷过电压的形成机理；基于该物理过程，建立配电线路的雷电感应过电压计算模型，包括雷电放电通道的传输线模型、场线耦合模型及电力线路模型等；最后，计算分析了两种不同落雷点位置下，10kV配电线路上感应雷过电压波的分布特性.研究工作为10kV配电线路雷电过电压防护及实际防雷工程提供理论参考.

配电线路；感应雷过电压；形成机理；仿真模型；落雷点

配电线路是电力系统直接连接到用户的末级供电网络，其运行的安全性和可靠性将对系统末端用户的用电安全和质量产生直接影响[1].配电线路的覆盖面积广，且其配网结构复杂、绝缘水平低，同时配电网电力线路架线高度较低，雷雨季节容易受感应雷过电压的影响，引发配电网电力线路断线等雷击事故[2].2005年-2011年，上海金山区10kV配电网电力线路跳闸事故次数共计738次，而雷击跳闸次数在总跳闸次数所占比例高达87.45%[3].可见，实际工程中的配电线路防雷与维护仍然面临严峻挑战.

由于配电架空线路杆塔高度低，实际运行中绝大部分的雷击跳闸是由感应雷过电压引起的.为了分析感应雷过电压在配电网中的传播特性，国内外学者开展过大量相关研究工作.电力工作者根据大量运行数据得到线路感应雷过电压的经验计算公式[4-6].运行数据表明：雷电感应过电压与雷电流幅值、杆塔高度成正比，与雷击点距离成反比[7].上述研究根据经验得到的计算公式，未涉及到雷电放电物理过程.为了更深入的研究雷电感应过电压的形成，研究者在大量假设的前提下，提出了不同的雷击放电先导通道模型、电力线路模型等[8]，充分考虑雷电放电过程对雷电感应过电压的影响，这些模型基本能够考虑雷电放电物理过程，更接近配电线路感应雷的实际形成过程.

因此，为了详细分析10kV配电线路感应雷过电压的形成过程及特点，本文理论分析了配电线路感应雷过电压的物理形成机理，并基于雷电放电物理过程建立配电线路感应雷过电压计算模型，雷电先导通道采用传输线模型，电磁场与电力线路采用场线耦合模型，最后采用有限差分法数值计算雷击点位于不同位置时配电线路感应雷过电压的分布特性.本文研究工作可为配电线路雷电防护工作提供理论参考.

1 电力线路感应雷过电压形成机理

配电架空线路感应雷过电压是由于地闪放电过程在配电架空线路周围空间产生强烈变化的电磁场，该电磁场与电力线路相互作用而产生的.感应雷过电压包含雷电先导通道电荷电场作用下的静电分量部分和雷电回击电流磁场作用下的电磁分量[9].

1.1 感应雷过电压的静电分量

在负地闪下行先导放电过程中，雷电下行先导通道与大地之间形成高强度电场，形成了架空配电线路的背景电场(图1).由于静电感应的作用，处于该电场中的架空配电线路沿线电荷分布产生变化：首先架空配电线路的轴线方向上产生一个新的电场强度Ex，这个新形成的电场将“放电通道—大地”电场中的正电荷吸引过来，这些正电荷逐渐积聚到靠近先导放电通道的那段导线上，从而形成正极性束缚电荷.而此时架空配电线路的导线上的负电荷就被剩余下来，因为排斥作用开始向导线的两侧运动(图2)，并通过架空配电线路的接地装置被泄入大地中[10].

图1 负地闪先导放电过程

雷电放电现象主放电阶段开始以后，先导通道中的负电荷迅速被其他雷云中的正电荷中和并消耗掉，相应产生的“放电通道—大地”电场强度也迅速减弱.由于“放电通道—大地”电场的电场强度减弱，架空配电线路上的正极性束缚电荷将被迅速释放，被释放掉的束缚电荷以电压波形式向架空配电线路两侧传播[11].

图2 负地闪回击放电过程

1.2 感应雷过电压的电磁分量

在负地闪回击放电过程中，将产生高幅值的雷电流冲击波，该雷电流冲击波将在电力线路周围产生强烈的脉冲磁场[12].该脉冲磁场的磁力线方向不同，部分磁力线将交链“大地—导线”回路，如图3所示.图3中，沿着A→B→C→D→A回路和A→B→E→F→A回路，在电磁感应的作用下形成了感应电动势，使得电力线路中A点的对地电位升幅值增高，进而产生过电压.这个过电压就是感应雷过电压的一部分，是构成感应雷过电压的主要电磁分量[13].

图3 负地闪回击过程空间脉冲磁场作用

2 10kV配电线路感应雷过电压计算模型

2.1 雷电放电过程简化假设

自然雷电放电通道具有弯曲分叉的随机特点.为了保证计算能够基本反映感应雷过电压的值，又保证计算过程不过于复杂.本文在计算10kV配电线路感应雷过电压时，采用如下假设条件：

(1)只考虑主放电回击过程中产生的静电效应和磁效应所形成的感应电压；

(2)认为雷电先导通道的电荷分布均匀，雷电先导通道垂直于大地，雷电通道采用传输线模型；

(4)雷电的主放电(雷电回击速度)v恒定；

(5)电磁场与电力线路耦合过程采用Agrawal场线耦合模型.

2.2 架空配电线路等效模型

由于配电线路电压等级比较低，且档距较小，因此配电线路的导线发热及电晕损耗较小，因此，本文在计算配电架空线路感应雷过电压时，忽略线路损耗，取配电架空线路为理想导体.为了分析配电架空线路的感应雷过电压情况，在电磁暂态仿真程序ATP-EMTP中采用架空线路的Bergeron模型，线路杆塔采用了集中参数模型.

假设的落雷点与架空配电线路的相对位置如图4所示.以雷击点位置为坐标原点建立坐标轴，点P(x,y,z)为配电架空线路AB上任一点，设其为观察点，AB为配电架空线路的两端点.

图4 架空线路坐标系统

本文在仿真计算时采用的10kV配电架空线路的Bergeron等效电路模型，如图5所示：

图5 架空线路的等效电路图

(1)

式(1)中，UrA(t)为线路A端的终端电压，kV；UindA(t)为感应过电压，kV；Z′为架空线的特性阻抗，Ω；τ为传播时间，μs.

2.3 配电线路感应雷过电压模型及参数

由于10kV配电线路中往往绝缘水平较低，且雷电防护措施相对滞后，本文在采用电磁暂态仿真程序ATP-EMTP建立配电线路模型时，以10kV电压等级架空配电线路为例，仿真取雷电流波形取标准2.6/50μs，雷电流幅值为30kA，雷电流的回击速度为1.5×108m/s；大地的土壤介电常数取10，大地电导率为0.001s/m.

(a)配电架空线路感应过电压模型

(b)配电架空电线路感应雷电压计算子模块图6 配电架空线路感应雷过电压仿真模型

由于雷电作用下配电线路三相线路同时产生感应电压波，本文计算中不考虑三相导线之间的耦合作用，在计算时采用单相线路计算感应雷过电压.在电磁暂态计算软件ATP-EMTP软件中，搭建配电架空线路的结构模型，调用MODELS语言编程的MOD感应过电压子模块仿真配电架空线路的感应雷过电压，建立雷电作用下配电架空线路感应产生过电压的模型如图6(a)所示.图6(b)为线路两端的感应过电压子模块，该模块为与配电架空线路特性阻抗具有相同数值的波阻抗，下端采用的四个type60电源，分别代表配电架空线路的两观测位置电压UrA和UrB.

3 10kV架空线路感应雷过电压计算

本节采用2.3节建立的10kV架空线路感应雷过电压计算模型，根据实际落雷点的随机性，取代表性的落雷点位置计算配电线路感应雷过电压.算例取10kV配电网架空线路的长度为1600m，取线路杆塔高度为10m并忽略弧垂.仿真取雷击地面的落雷点与10kV配电网架空线路的水平间距距离为100m，落雷点1到5分别距离中心点距离为0～800m，每个落雷点的间隔为200m，配电架空线路与落雷点的相对位置关系如图7所示.

图7 配电架空线路与落雷点的相对位置关系

3.1 沿线位置变化仿真计算结果

在ATP Draw中更改感应过电压子模块的参数，分别计算配电架空线路与落雷点不同几何位置下的感应雷过电压幅值与分布特点.在配电架空线路模型A、B两端，分别设定电压互感器，根据计算得到配电架空线路两端的感应雷过电压波形如图8所示.

图8 沿线位置变化对配电架空线路过电压影响

由图8的仿真计算结果可知，保持落雷点与配电架空线路的水平间距不变，当落雷点沿线分布在不同位置时，配电架空线路两端的感应雷过电压分布特征有区别，对比两端的感应雷过电压波形可知：由于配电架空线路A端与落雷点距离更近，雷击过程在配电架空线路A端产生的辐射电场损失较小，因此配电架空线路A端比配电架空线路B端感应雷过电压幅值更高.此外，由于配电架空线路上感应雷过电压受正极性垂直电场和负极性水平电场共同作用，近雷击点线路端的感应雷过电压中，正极性垂直电场起主要作用；而远端感应雷过电压中负极性水平电场起主要作用.因此，当落雷点从位置1(线路端点)逐渐向位置5(线路中心)移动时，A端感应雷过电压幅值逐渐减小，B端感应雷过电压波形极性由与A端反极性逐渐变为同极性.当落雷点为中垂线上时，配电架空线路的A、B两端的感应雷过电压波形相同.

3.2 间距变化仿真计算结果

由于自然界的雷电流具有随机性，落雷点与配电架空线路的距离并不是一成不变的.当雷击点与配电架空线路的间距变化时，架空线路感应雷过电压的分布也表现出明显的差别.在ATP Draw中，取图7中落雷点1与配电架空线路(垂直方向上)的水平间距为100～500m.在不同间距下配电架空线路两端的感应雷过电压波形如图9所示.

图9 间距变化对配电架空线路过电压影响

为了进一步分析落雷点与配电架空线路的距离对配电架空线路感应雷过电压的影响，将架空配电线路感应电压幅值与雷击点距离的关系拟合成曲线，得到的拟合关系如图10所示：

图10 感应雷过电压与雷击点间距的关系拟合曲线

由图10所示的感应雷过电压与雷击点间距的关系拟合曲线结果可知：由于大地损耗的存在，随着雷击点与配电架空线路的间距增大，雷击过程在配电架空线路周围的辐射电场的损耗越大，因此，架空配电线路的感应过电压幅值随着雷击点与线路间距增大而呈现出非线性降低的变化趋势.由图10曲线拟合结果还可以看到：随着落雷点与线路距离的增大，落雷点与线路间距变化对架空配电线路上的感应过电压的影响程度逐渐降低.

4 结论

感应雷电过电压是架空配电线路雷击跳闸的主要因素，本文深入研究了10kV配电线路感应雷过电压的形成过程及特性，并得到如下结论：

(1)理论分析了感应雷过电压中静电分量和电磁分量的物理形成过程，并基于此，采用ATP-EMTP电磁暂态计算软件建立了典型10kV配电线路感应雷过电压数值计算模型.

(2)保持落雷点与配电架空线路的水平间距不变，当落雷点沿线分布在不同位置时，配电架空线路上靠近落雷点的一端感应雷过电压幅值较高.配电架空线路上感应雷过电压受正极性垂直电场和负极性水平电场共同作用，近雷击点线路端的感应雷过电压中，正极性垂直电场起主要作用；而远端感应雷过电压中负极性水平电场起主要作用.

(3)架空配电线路的感应过电压幅值随着雷击点与线路间距增大而呈现出非线性降低的变化趋势.随着落雷点与线路距离越远，落雷点与线路间距变化对架空配电线路上的感应过电压的影响程度逐渐降低.

本文研究结果可为电力系统配电架空线路雷电过电压防护提供理论参考.

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(编辑：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

高晓晶，女，1648070041@qq.com

1672-6197(2017)06-0074-05

TM 753

A