雷電過電壓作用下配電網SPD配合保護研究

劉 晴，池景冬，潘海娃

（臺州市氣象局，浙江 臺州 318000）

0 引 言

電力系統的穩定性跟外部環境有關，日常生活中最常見的兩種過電壓是直接雷電過電壓和雷電反擊過電壓。其中，雷電過電壓的形式又包括雷電侵入波過電壓和感應雷過電壓兩種。雷云直接對電氣設備進行放電的過程叫做直接雷電過電壓。通過對電力系統中的避雷線放電，從而產生不同程度的電壓，這一過程叫做雷電反擊過電壓。感應雷電過電壓的形成原理是在電力系統周圍發生閃電現象，電氣設備會感受到大量的束縛電荷，最終形成過電壓。雷電侵入波會對電器設備造成嚴重的損壞。配電網是保障電力系統正常運行的關鍵點，提高配電網的性能能夠有效提高用戶用電質量。SPD對電力系統進行了優化創新，可以根據用電情況進行分析，有效控制電流分配，讓系統配置和智能化程度更高。在雷電過電壓的作用下探究配電網SPD的配合保護方法，可確保配電網的安全性和穩定性。

1 雷電過電壓作用下配電網SPD配合保護

1.1 選取SPD的級間配合方式

通過了解SPD的級間配合，發現相互組合運行可以有效提高電力系統的保護性能。一種方法是將兩個限壓式SPD進行組合，實現性能保護；另一種方法是將限壓式SPD和開關式SPD進行組合，最終增強電力系統的穩定性[1]。在本文研究中選取第二種模式，將開關式SPD和限壓式SPD分別用來釋放雷擊能量和限制電壓。選取合適的SPD的級間配合方式，以期更有效地實現保護電力系統。

將開關式SPD與限壓式SPD進行組合，可以將配電網SPD配合保護電路分為3個階段，第一階段為泄流環節，第二階段為限壓環節，第三個階段將電壓控制到電器設備可以承受的范圍[2]。通過3個階段的相互配合實現了對配電網的保護，電壓分配公式為：

式中，Ucy代表每個階段兩端的殘壓值；Uyj作為電流元件兩端的降壓；Ufp表示的是電壓分配值。通過開關型SPD和限壓型SPD之間相互配合，控制電壓的強度，保持配電網的穩定性[3]。不同的SPD級間配合方式都會產生不一樣的效果，綜合兩種方式，選取符合實際的方式，最大程度地達到配合保護效果。

1.2 構建雷電流模型

在雷電過電壓的作用下，為了保證配電網的性能，根據上述限壓式SPD和開關式SPD進行組合的方式構建雷電流模型。雷電流是指直接雷擊時，通過被擊物體而泄入大地的電流[4]。采用Heidler模型作為構建雷電流模型的基礎，構建雷電流模型為：

式中，Ln表示雷電流幅動的值；m代表的是雷電流陡度值；I1表示電流上升的值；I2表示衰減時間[5]。利用構建的雷電流模型設置一個完整的配線系統，具體如圖1所示。

在進行配線系統設計時，采用架空線路方式，選用了用電設備和配電變壓器等設備，利用220 V線路貫穿整個配線系統。對不同的線路導線型號進行測量，選用合適的線路導線，將同一型號的導線按不同高度分為三組，并設定桿塔波阻值和電感平均值[6]。在對整個系統進行優化時，需要對雷電流的頻譜進行分析，為雷電防護做準備，大多精密設備都是采用濾波的方法進行雷電防護。計算雷電流電磁場得到雷電流產生及運動的時間，通過控制雷電流的時間得到一個較為理想的防護方法。在雷電過電壓的作用下構建的雷電流模型有利于確保配電網的穩定性和安全性。

1.3 實現階段式保護

在雷電過電壓作用下配電網SPD配合保護可以采取分段式保護方法，將整個電力系統分為不同的階段進行保護，主要的電力系統保護階段分為零序電流保護階段、接地距離保護階段以及相間距離保護階段。每個階段在進行保護時相互配合得到測量數據，并進行計算。在對電力系統進行SPD配合保護時，需要注意提前計算數據，避免同時進行計算和安裝保護裝備[7]。

在進行階段保護時，由于電力系統每個階段的電壓值不同，電壓控制的大小也不同，因此應當根據電力系統每個階段的實際情況，在不同的線路中安裝不同的保護設備，并制定合理的分段保護計劃。為了不斷提高電力系統的穩定性和安全性，實行階段整定的保護方式，將電力系統分為3個階段。在第二階段保護的同時進行第一階段保護，采用縱聯的方式進行保護配合[8]。將第三階段重新劃分出來，獨立地進行保護，以此作為用戶用電的最后保障。分析每個階段保護的聯系，保證在每個階段出現故障時可以分析故障原因，并實施保護措施。

2 實驗與分析

2.1 實驗準備

在進行配電網SPD配合保護時，需要測量電力系統供電的穩定性，選取一個供電區域給180戶用戶進行供電。分別選取兩個電力系統的兩個位置，兩個位置的SPD的殘壓值不同。觀察線路之間SPD的殘壓值與通流的變化情況，確定兩個位置的電壓值范圍，如表1所示。

由表1可知，位置1選取的SPD殘壓值與電壓值呈正向相關，且殘壓值增加的幅度較大[9]。位置2選取的SPD殘壓值與電流也呈正相關，但殘壓值增加的幅度相對較小。將這兩處位置劃分為階段保護路線，將位置1分配在第一階段，位置2分配在第二階段。測試不同位置發生故障時，階段保護的具體情況如表2所示。

表2 分段開關故障點保護動作情況表

通過選取的兩個位置進行故障測試，發現對第一階段的保護情況較多，觀察不同階段出現故障對電力系統造成的影響。

2.2 結果分析

通過上述的實驗準備，確定好SPD的線路位置以及發生故障的路線，并確定4條線路分別標記為A1、A2、A3以及A4進行測試，得到傳統方法和本文方法電力系統故障保護用時如表3所示。

表3 電力系統故障保護用時表

從表可知使用本文方法檢測的電力系統保護用時比傳統方法的電力系統保護用時短，經計算，在A1、A2、A3以及A4線路時本文方法比傳統方法的保護用時分別縮短12 ms、9 ms、22 ms以及12 ms。由此說明，本文方法更有利于對電力系統進行保護。本文方法選取SPD的級間配合方式控制雷電過電壓，使電壓可以保持在電器設備承受范圍之內。通過構建雷電流模型，控制雷電產生的電壓時間，有利于確保配電網的安全性和穩定性。將電力系統分成不同的階段，實現分階段式保護。分析每個階段之間的聯系，當路線出現故障時，將保護用時控制到最短，以期能夠有效解決電力系統的故障點。

3 結 論

本文探究了雷電過電壓作用下配電網SPD配合保護，確保配電網的安全性能和穩定性能，優化配電網的保護措施，實現更高的電力質量。但本文未涉及配電網的穩定性能研究，且沒有對配電網的安全性能進行測試，希望在今后的研究中對配電網的穩定性和安全性能進行測試，充分利用SPD智能配電系統對用電進行控制和分析。