架空線路感應雷過電壓產生機理與計算方法

隋彬,曹建軍

(二灘水電開發有限責任公司，四川 成都 610031)

架空線路感應雷過電壓產生機理與計算方法

隋彬,曹建軍

(二灘水電開發有限責任公司，四川 成都 610031)

架空配電線路裸露在空氣中，極易遭受雷擊產生雷電過電壓，導致線路保護裝置跳閘甚至線路電氣設備元件的損壞，從而造成供電中斷，影響了廣大用戶的生產和生活。對配電網架空線路感應雷過電壓產生機理進行了詳細的探討，提出靜電感應分量是配電網線路感應雷過電壓的主要構成部分。并研究了目前常見的計算雷擊導線附近大地時架空線路感應雷過電壓的HC/idalen模型，并通過仿真分析表明大地電導率對架空線路感應雷過電壓有一定的影響。

感應雷；過電壓；HC/idalen模型；電磁暫態仿真

1 引言

架空線路上的雷電過電壓有兩種:一種是雷直擊線路引起的直擊雷過電壓;另一種是雷擊線路附近由于電磁感應所引起的感應雷過電壓。通常,110kV以上高壓架空線路的雷害故障次數是隨線路遭受直擊雷次數的減少而降低的。但是,由于35kV以下配電網架空線路絕緣水平低,因感應雷過電壓引起的雷害故障次數明顯較多。據測量,配電網架空線路感應雷過電壓的幅值可達500kV左右,這將對配電網線路絕緣造成很大的威脅。因此，架空線路的感應雷過電壓計算具有重要意義。本文對配電網架空線路感應雷過電壓產生機理進行了詳細的探討，分析研究了三種典型的計算感應雷過電壓的方法，并對這三種方法進行了相應的分析。

2 架空線路感應雷過電壓機理

2.1 雷電放電過程

雷云是帶有大量電荷的云層。雷電是雷云之間、或雷云內部、或雷云對地的放電現象。大量的電荷在雷云中并不是均勻分布的，通常在雷云中會形成多個電荷中心(電荷密集處稱為電荷中心)。一般情況下每個電荷中心的電荷約0.1～10C(庫侖)，而雷云中總電荷量的多少與雷云的大小有關，大塊的雷云中可容納多達數百庫侖的同極性電荷。因為大量電荷的存在，在雷云之間和云與地之間以及雷云內部都會產生強大的電場。如果某處的電場強度超過了空氣電氣擊穿強度的臨界值，就會產生閃電。通過對雷云放電的大量觀測結果表明，雷電放電大部分發生在雷云之間或者雷云內部，只有小部分雷電放電是對地進行的，我們重點關注的就是雷云的對地放電[1]。

經過眾多學者的觀測和研究發現，約90%的雷電對地放電過程是由對地負極性云團發生的。因此我們通常以帶負電荷的下行雷為例分析雷電放電問題。存在于雷云中的電荷，通常在雷云下面的大地表面尤其是地面突出物體(如高大建筑、樹木、桿塔、避雷針和避雷線等)上感應出相反極性的感應電荷，如圖1所示。

圖1 雷云在地面突出物上的感應電荷

當雷云中電荷中心的電場強度達到空氣擊穿的臨界水平時，電荷中心附近的空氣首先被擊穿，開始雷電放電過程，這時產生的放電稱為雷電先導放電。由雷電先導發展至地面需要約幾個ms的時間。通過對雷電放電研究的光學照片顯示，先導向下發展的過程不是均勻進行的，而是跳躍式或邁步式地頻繁的向地面前進，即走一段、停一會，再走再停。每級的長度為10～200m，每級停歇時間為10～100μs，先導每級發展速度約為光速的1/10，延續時間約lus。先導中心的線電荷密度為(0.1～1)×10-3C/m，先導的電暈半徑約0.6～6m，相應先導發展時的電流約為100A，先導中的電位梯度約100～500kV/m。當下行先導頭部接近地面時，地面上的被擊物(一般是較突出部分)上聚集的感應電荷會開始迎著它發出向上的流注——迎面先導(上行先導)。因為上升的迎面先導與下行先導中電荷的極性相反，當兩者相遇時，就會在瞬間產生強烈的電荷中和效應，產生極大的放電電流，通常稱這個階段的放電電流為“雷電流”。在強烈的電荷中和過程中通常伴隨有我們平時所熟知的雷鳴和閃電，閃電是沿主放電通道中形成的明亮光以及射線，這就是雷云放電的主放電階段，因此“雷電流”也稱為“主放電電流[1]。主放電過程中正負電荷的中和是自下而上發展的，這與先導放電過程中先導自上而下的發展方向正好相反，所以主放電過程也稱為雷電回擊過程。在這一過程中電荷的傳播速度可達到光速的10%～50%。雷電放電的電流波形示意圖如圖2所示。在下行先導的首端開始受到地面目標的影響時，下行先導首端與影響它的地面目標的距離就是擊距。向上的迎面先導(又稱上行先導)的長度對感應過電壓的數值有很大的影響。

圖2 雷電流波形

隨著主放電過程的進行，正負電荷被迅速中和而急劇減小，因此主放電時間很短；之后通道內電荷減少，電荷中和效應減弱，產生的電流也迅速減小，發光也較之前減弱，這一放電過程稱為余輝放電。余輝放電時雖然發光微弱，但是持續時間較長，可達幾ms到幾十ms。余輝放電過后，整個雷電放電過程就隨之結束。雷云放電過程中不同階段的雷電流變化情況如圖2所示。

2.2 感應雷過電壓的產生

感應過電壓是由于電磁感應作用在導線上引起的過電壓。由于雷云對地放電過程中，放電通道周圍空間電磁場的急劇變化，會在附近線路的導線上產生過電壓。在雷云放電的先導階段，先導通道中充滿了電荷，如圖3(a)所示，這些電荷對導線產生靜電感應，在負先導附近的導線上積累了異號的正束縛電荷，而導線上的負電荷則被排斥到導線的遠端。因為先導放電的速度很慢，所以導線上電荷的運動也很慢，由此引起的導線中的電流很小，同時由于導線對地泄漏電導的存在，導線電位將與遠離雷云處的導線電位相同。當先導到達附近地面時，主放電開始，先導通道中的電荷被中和，與之相應的導線上的束縛電荷得到解放，以波的形式向導線兩側運動，如圖3(b)所示。電荷流動形成的電流i乘以導線的波阻抗Z即為兩側流動的靜電感應過電壓波U=iZ。此外，先導通道電荷被中和時還會產生時變磁場，使架空導線產生電磁感應過電壓波。由于主放電通道是和架空導線互相垂直的，互感不大，所以總的感應雷過電壓幅值的構成是以靜電感應分量為主。

圖3 感應雷過電壓的形成

3 架空線路感應雷過電壓計算

3.1 Hc/idalen計算模型

由于大地電導率對電磁場和線路參數的計算都有一定的影響,因此Hc/idalen模型[7]在計算感應雷過電壓時分別考慮了大地為理想導體和非理想導體兩種情況。系統的結構如圖4所示，在該模型中作出的假設同前面，只不過此時大地為非理想導體。

圖4 系統的結構圖

計算用的架空線和雷擊點的相對關系如圖5所示，計算時所采用的坐標系同前面。

圖5 架空線的方向和坐標

在計算電磁場時假設雷電流為恒定電流I0。雷擊導線附近大地時，導線上將出現3個分量的電磁場：

沿x軸方向：

(1)

沿y軸方向：

(2)

沿z軸方向：

(3)

其中：μ0為真空的導磁系數；h為架空線的高度，m。

(4)

(5)

計算架空線路上的感應雷過電壓時，將其分為兩種情況來計算：

(6)

其中：g1(x,t)為雷電流的波形函數；U0(x,t)為由單位階躍電流產生的感應過電壓。

(7)

(8)

架空線路末端匹配相應的波阻抗時，架空線路上觀測點處感應雷過電壓為：

Uind=0.5*Uind(x,t)

(9)

(10)

(11)

(12)

其中：g0(t)、g0(s)分別為時域和s域時包含有大地參數的地面損耗函數;ε0為真空的介電常數,εr為土壤的介電常數；σ為大地電導率。

架空線路末端匹配相應的波阻抗時，架空線路上觀測點處感應雷過電壓為：

(13)

3.2 仿真分析

為了更直觀地說明大地電導率對感應雷過電壓的影響，本文采用了電磁暫態仿真程序ATPDraw對大地為理想導體和非理想導體時架空線路感應雷過電壓分別進行了仿真計算。

由于線路的三相導線對地高度相差不大,各相導線上感應雷過電壓基本相等[8]，因此只需對某一相上的感應雷過電壓進行仿真計算。

計算條件如下：雷電流幅值為12kA，雷電流波頭為0.5μs，雷電流波長為20μs，雷擊點距離線路的水平距離為50m,xA=500m，xB=-500m，雷電回擊速度為130m/μs，線路高度10m，大地電導率為0.001s/m，土壤介電常數為10。架空線路末端匹配相應的波阻抗時，通過仿真得到架空線路觀測點處感應雷過電壓波形如圖6所示。

圖6 架空線路觀測點處感應雷過電壓波形

由圖6可以看出，大地電導率對架空線路感應雷過電壓有一定的影響。

4 結論

本文得出10kV架空配電線路由雷擊引起的線路閃絡或故障的主要因素不是直擊雷過電壓而是感應雷過電壓，感應雷過電壓導致的故障比例超過90%。文中對配電網架空線路感應雷過電壓產生機理進行了詳細的探討，提出靜電感應分量是配電網線路感應雷過電壓的主要構成部分。并研究了目前常見的計算雷擊導線附近大地時架空線路感應雷過電壓的HC/idalen模型，并通過仿真分析表明大地電導率對架空線路感應雷過電壓有一定的影響,提高了架空線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，工程師，主要從事高電壓與絕緣技術工作。