配电线路感应雷过电压防护措施仿真研究

李 刚 ，刘大鹏 ，刘 斌 ，王 珏 ，李悠然

（1.国网山东省电力公司烟台供电公司，山东 烟台 264000；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000）

0 引言

配电线路的电压等级低，因此绝缘水平也低，容易被雷电影响，在线路中感应出雷过电压，雷击严重时导致线路产生雷击故障。在线路上装设避雷器或保护间隙是目前线路防雷主要采取的措施，因此仿真计算线路感应雷过电压并研究避雷器和保护间隙对过电压的影响具有实际应用意义。

线路感应雷过电压仿真计算的理论较为完备。文献［1-3］研究了感应雷过电压在ATPDraw中的仿真。文献［4-8］提出了采用不同的雷电回击模型和场线耦合模型的线路感应雷过电压计算方法。文献［9-12］研究了避雷器和保护间隙的防护作用。

采用学者Høidalen在文献［3］中提出的仿真模块搭建出存在感应雷过电压的10 kV线路仿真模型，以之计算出线路的感应雷过电压。通过仿真，分析避雷器及保护间隙对线路感应雷过电压防护作用，并比较其安装密度不同对线路感应雷过电压的影响，可为线路防雷提供参考。

1 配电线路感应雷过电压模型与计算

雷电放电时线路与大地上雷击点的位置关系如图1所示，设距离线路A端点最近的雷击点C为原点，雷击点平行于线路向B点靠近的方向为x轴正方向，到线路的垂直距离为y轴正方向。

图1 线路与雷击的位置关系

用Bergeron模型作为计算配电线路感应雷过电压使用的等效模型，如图2所示。电压关系为

式中：UrA（t）和 UrB（t）为线路端点 A、B 的电压；UindA（t）和UindB（t）为线路感应雷过电压；UA（t－τ）和UB（t－τ）为从线路端点A、B反射到端点B、A的电压；Z为线路的特性阻抗；iA和iB为线路电流。

图2 线路的Bergeron模型

根据上述模型在ATPDraw中搭建出产生感应雷过电压的线路的等效仿真模型，如图3所示。

图3 线路仿真模型

1.1 感应雷过电压仿真计算

仿真初始条件设置为：线路长1 000 m，线路高度10 m，档距100 m，大地上的雷击点距线路的水平距离 100m，雷电流幅值30kA，雷电流波形 2.6/50 μs，雷电回击速度108 m/s，大地电导率0.001 S/m。雷击点距线路A点最近（图1的C点）。

1）感应雷过电压随时间变化情况。

仿真结果如图4所示。图中各折线表示以线路A端点为原点时线路各处的感应雷过电压。

由图4可知，因为雷击点距离线路A端点距离最近，所以线路上A点（距离A点0 m处）的感应雷过电压幅值最大，数值为69.061 kV。

为验证仿真结果是否可信，用规程推荐的线路感应雷过电压计算公式根据仿真条件进行计算，将规程公式得出的结果与仿真结果进行比较。我国规程推荐的线路感应雷过电压幅值计算公式为［13］

图4 随时间变化的感应雷过电压图像

式中：Ui为感应雷过电压幅值，kV；I为雷电流幅值，kA；hc为线路高度，m；S为雷击点到线路的水平距离，m。

代入设置的数据计算得线路感应雷过电压幅值为Ui=75 kV，与仿真结果误差为5.939 kV，误差较小。

2）感应雷过电压的沿线分布。

线路感应雷过电压的沿线分布的图像如图5所示，时间取 5 μs、10 μs、20 μs和 40 μs。由图 5 可知，同一时间线路距离雷击点最近处（A点）的过电压幅值最大，过电压幅值随线路上到A点距离增大而减小，距离增大到一定程度后过电压反向。

图5 感应雷过电压幅值沿线分布

1.2 线路感应雷过电压幅值与雷击点的关系

雷击点相对于线路的位置不同对线路感应雷过电压也有影响。仿真参数与1.1节设置的相同，雷击点位置如图1所示。对雷击点位置不同时的线路过电压分别进行仿真计算，得到过电压幅值的沿线分布如图6所示。因线路为直线路，关于线路中点对称，故雷击点越过中点H后、为I—M时，线路过电压幅值与雷击点为G—C时线路过电压幅值关于线路中点x=500 m对称，即雷击点为I时线路过电压幅值的图像与雷击点为G时线路过电压幅值的图像关于x=500 m对称，以此类推不再画图表示。

图6 雷击点不同时线路感应雷过电压幅值

图6 中，线路距离雷击点最近处的感应雷过电压幅值最大，过电压幅值随线路距雷击点最近处的距离的增大而减小，减小到一定程度会反向。雷击点在H处即雷击点到线路中点最近时，线路中点感应雷过电压幅值是所有雷击点情况中最大的。因此下文研究雷击点为H时防雷措施的防护作用。

2 防雷措施对线路的防护作用仿真分析

2.1 线路型避雷器对感应雷过电压的防护效果

线路型避雷器是线路感应雷过电压防护的基本措施，目前也被广泛应用于配电线路防雷。为了研究避雷器对配电线路感应雷过电压的防护效果，在ATP-EMTP软件中搭建配电线路感应雷过电压计算模型，并仿真分析线路型避雷器对配电线路感应雷过电压的防雷效果。

在仿真中，线路型避雷器采用非线性电阻进行等效模拟，其动作电压取60 kV，伏安特性如图7所示。当其两端电压未达到其动作电压60 kV时，其电阻值接近无穷大，相当于开路；当其两端电压达到其动作电压时，其电阻变得极小，过电压在通过设备前从避雷器流入大地。避雷器的装设方式一般是被并联在被保护设备的旁边且接地。

图7 避雷器伏安特性

在线路中点并联一个避雷器，装设避雷器前后线路中点感应雷过电压仿真结果如图8所示。由图8可知，避雷器对10 kV配电线路感应雷过电压防护效果明显。未装设避雷器时，线路中点感应雷过电压幅值为118.97 kV；装设避雷器时，线路中点感应雷过电压幅值降为92.019 kV。

图8 装设避雷器前后线路中点感应雷过电压

实际线路中避雷器安装密度多种多样，本节针对避雷器安装密度对配电线路感应雷过电压的影响进行仿真计算。仿真中，线路型避雷器的安装密度分为全线装设、每隔1个杆塔装设、每隔2个杆塔装设3种情况。不同避雷器安装密度下，线路中点及线路最大感应雷过电压仿真波形如图9所示。

图9 不同避雷器安装密度下线路感应雷过电压波形

如图9所示，线路型避雷器安装密度对配电线路感应雷过电压具有一定的影响。全线安装线路型避雷器时，配电线路的感应雷过电压幅值最小；每隔1个杆塔装设线路型避雷器，线路上出现的最大感应雷过电压值次之；每隔2个杆塔装设线路型避雷器出现的最大感应雷过电压幅值最大。

2.2 保护间隙对感应雷过电压的防护效果

由于保护间隙成本低、安装方便，目前也常被应用于配电线路雷电防护中。为了研究保护间隙对配电线路感应雷过电压的防护效果，在ATP-EMTP软件中搭建配电线路感应雷过电压计算模型，并仿真分析保护间隙对配电线路感应雷过电压的防雷效果。仿真中采用压控开关模拟线路保护间隙，认为当保护间隙两端承受的过电压超过其50%放电电压时，放电间隙击穿。在线路中点线路绝缘子两端并联保护间隙，保护间隙的50%放电电压取60 kV。装设保护间隙前后线路中点感应雷过电压仿真结果如图10所示。由图10可知，保护间隙对线路的防护效果明显。未装设保护间隙时，线路中点感应雷过电压幅值为118.97 kV；装设避雷器时，线路中点感应雷过电压幅值降为72.1 kV。

图10 装设保护间隙前后线路中点感应雷过电压

与线路型避雷器类似，线路装设保护间隙的密度不同时，线路的感应雷过电压也不同。仿真中，将保护间隙的密度分为全线装设、每隔1个杆塔装设、每隔2个杆塔装设3种情况。不同间隙安装密度下，线路感应雷过电压仿真波形如图11所示。

图11 不同间隙安装密度下线路最大感应雷过电压波形

如图11所示，保护间隙安装密度对配电线路感应雷过电压具有一定的影响。全线安装时，配电线路感应雷过电压幅值最小；每隔1个杆塔装设1个保护间隙时，线路感应雷过电压幅值处于中间水平；每隔2个杆塔装设1个保护间隙时，线路感应雷过电压幅值最大。

3 结语

搭建有感应雷过电压存在的1 km长10 kV配电线路的仿真模型，通过模型计算出线路感应雷过电压及其幅值的沿线分布，仿真分析了避雷器和保护间隙的防护作用。

在雷击点与线路相对位置不同的所有情况中，雷击点距线路中点最近时线路中点的感应雷过电压幅值最大。

避雷器对线路感应雷过电压的降压效果显著。避雷器安装密度不同时，全线安装时线路感应雷过电压幅值最小，每隔2个杆塔装设1个避雷器时感应雷过电压幅值最大。安装密度越大防护效果越好。

保护间隙对线路感应雷过电压的防护效果与避雷器相似。保护间隙安装密度不同时，全线安装时线路感应雷过电压幅值最小，每隔2个杆塔装设1个避雷器时感应雷过电压幅值最大。安装密度越大防护效果越好。