一次多回击自然闪电引发的输电线路感应过电压特征分析

史衍贺

摘要：本文通过进行野外高压架空输电线路的过电压保护实验，利用典型的多回击自然闪电引发的过电压，并与闪电定位数据相结合，对不同地点的入口端、集器前端过电压、收集器前端电涌保护的残余电压、入户侧L线过电压与闪电回击电流的关系进行了研究。结果表明：近距离的闪电可以使架空输电线路产生数千伏的过电压，其过压持续时间为1.0毫秒，而在采集端安装SPD后，将会对更远处的入户端过电压波形造成一定的影响。在采集头的SPD工作残余压持续时间为218毫秒，其持续时间较标准8/20微秒左右。在输入端感应过电压和回击电流与距离之间具有良好的线性关系。

关键词：高压架空输电线路;过电压保护试验;线性关系

1.试验布置及测量仪器

输电线路分为两个阶段：架空线和管道埋设，导线由两个相间的火线（L）和零线（N）构成，它们分别由一根木头柱子支撑，与电源变压器相隔1200米左右，架空线抵达用户终端后，穿过管道埋设在地面52m处，为自动气象站采集装置提供电力，架空线为220V农用输配线，线路曲折，但整体方向从南到北。为了测量由电力线上的相邻闪电（包括人为的和天然的）引起的过压，在L线、N线和收集器的L线上分别装有冲击分压器。该分压器采用阻容型，一端接L或N线，一端接地。分压比为205.4，204.9，203.0。通过高压绝缘纤维数据采集系统对感生过电压进行了测量，取样速率为5M/s，取样长度为08秒。为了探讨残余压与感应过电压的关系，在传感器的前端加装了一个电涌保护器（SPD），其额定放电电流是20kA，电压保护等级U≤1.75kV。所有的测量仪器和系统均已在现场进行了试验和校准。

2.输电线路感应过电压

2.1感应过电压波形

8月11日，一种多回波的天然闪电（下文称为N0811）出现在测量系统附近，该测量系统对 L、 N线和采集器 L线产生的过电压进行了记录，因为在采集头上安装了 SPD，因此，在超过 SPD压力敏感的情况下，它的末端测得的过电压会显示为残留电压。通过对电磁场的改变和过电压的测定，我们可以看出，该雷暴一共发生了11次的回击。对N0811引起的不同线路的不同回击过电压的波形进行分析，其中 L型和 N型均具有相同的波形，但峰值稍有差异。由于在采集头上安装了 SPD，所以在过电压超过变压时，会出现残留压。在过电压不高于变频器的情况下，它的电压波形与输入端基本相同，但峰值稍有降低。分析11次回击引起的过压，可以分为三种：第一种是第一次回击，即过电压的峰值比较高，持续时间比较长，第二种是感应过电压比较大，比 SPD的压力敏感，但是持续时间比第一次回击要短。

2.2入户端L线感应过电压波形特征

在SPD作用下，高架线路入户部L线感应过电压波形与残余压相似，尤其是残压相应时段的波形与自然闪电感应的波形有很大差别。因为它的过电压很低，不会受到 SPD的影响，本文以它为典型的输入端过压实例，对其特性进行了分析。此外，通过对未安装 SPD线路的感应过电压波形进行统计，结果表明，90%以上的自然电波具有相同的特征。结果表明，典型的继后回击诱发的过压持续时间在80 us左右，半峰宽度在50 us左右，波头时刻 T和T14分别为20和52 us，而波头时间比峰值时间短，峰值时间为1/3～1/2。从其它自然闪电的数据来看，第一次回击感应过电压的持续时间大于后一次回击，它具有丰富的过压成分，其它特点也比较相似。在诱导的过电压升高期间，存在一个初始的峰值，然后到达一个次级的峰值。起始峰的升高时间大约为5 us，它和第二峰之间的间隔大约为12 us。

2.3入户端L、N线感应过电压

架空线路 L、N线感应过电压波形相同，感应过电压幅度也大致相同，多数回击（10/11） N线的过电压要稍高于 L线， L、 N线架设高度大致相同， N线过电压较高，这是由于其在变压器末端接地所致。此外，在输入端的过压持续时间为02-1.8毫秒，平均10毫秒。

3.过电压与闪电电流的相关性

3.1闪电定位系统定位结果

从电力部门的数据来看，N0811的11次回击中，只有9次和11次是最弱的，其他9次都是准确的，而且都是在3公里之外。从测得的电流值来看，9个回击电流在-6.9--50.4 kA之间。在第6和710次回击中，电流振幅低于10 kA时，产生的过电压很低，没有引起采集头的 SPD工作。

3.2入户端L线过电压与闪电电流峰值之间的相关关系

对因雷电而产生的电感电压计算可分成两个步骤：（1）采用回击方式对闪电附近的电磁场进行计算。（2）采用耦合方式，对线上的电场磁耦合所引起的感应电压进行了计算。最常见的多个横向导线的感应电压耦合方式。从有关的计算结果可以看出， Rusck理论估计的结果要小于实际观测值，在大电流下，估计结果与实测结果相近，而在电流小的情况下，估计结果与实测结果相近，而在电流小的情况下，估计结果基本相同。由于 Rusck理论的计算公式仅包括了回弹速度和线路高度等因素，而对于导线自身的长度和导线的两端接地等问题并未反映在公式中，因此，过电压耦合的计算比较繁琐，其与 I/d之间的简单比例关系必然是不合理的。

结束语

短距离的闪电能在架空传输线上引起数千伏的超压，其持续时间为1.0毫秒，而在采集端安装 SPD后，将会对输入端的过电压波形造成一定的影响。在电缆穿管52 m后，收集器前线的过压小于进户端，降低的百分比为：4.4%～7.2%。近距离自然闪电诱发的 SPD操作残余电压持续时间平均为218 us，超过了8/20 us标准的脉冲电流测试。输入端的过压与回击电流、距离之比具有较好的线性拟合，且在一定程度上与电流强度成正比。文中所述的闪电只是观察到的一种典型的自然闪电，其它的闪电也有相似的特征。

参考文献

[1]王孝波， 陈绍东， 张义军，等. 一次多回击自然闪电引发的输电线路感应过电压特征分析[J]. 電网技术， 2011， 35（2）：6.