輸電線路感應過電壓雷電感應因子的研究

程文鋒 路軍

摘要：本論文通過建立雷電通道模型，并充分考慮了上行先導、凸起物和雷電距離等綜合因素，重新對雷電感應過電壓進行推導，提出了雷電感應因子的概念。在分析雷電感應因子各參數(shù)中，以上行先導為中心，以它先導長度為橫坐標，雷電感應因子為縱坐標，分別對上行先導、凸起物和雷電距離等進行了計算，求取了在目前配網(wǎng)輸電線路下雷電感應因子的值區(qū)間。通過計算結果的分析，各影響因素除了能降低感應過電壓的幅值外，也會在上行先導等因素的屏蔽作用下影響與雷云極性相反的雷電感應過電壓。本論文的研究成果對于評估架空輸電線路雷電感應過電壓具有重要的參考意義。

關鍵詞：雷電感應因子；上行先導；極性；屏蔽；電場；

引言

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(chǎn)生感應過電壓。介紹感應過電壓計算的文章很多，各種方法得到的感應過電壓的理論計算值存在一定的差異，影響因素也比較復雜[1-3]。在電力行業(yè)規(guī)程對于感應過電壓的計算有如下條款[5-8]：架空線路上的雷電過電壓距架空線路S>65m處，雷云對地放電時，線路上產(chǎn)生的感應過電壓最大值可用式（0-1）計算。

（0-1）

式（0-1）是通過雷電感應過電壓形成機理進行計算和推導的，在計算和推導中是未考慮上行先導、凸起物等因素，同時式（0-1）中的參數(shù)值“25”是根據(jù)線路模擬試驗、公式修正和蘇聯(lián)的一些經(jīng)驗確定。本論文將重新對雷電感應過電壓進行建模和推導，提出了包含各種影響因素在內(nèi)的雷電感應因子概念，它充分考慮了上行先導、凸起物、雷電距離和線路高度等因素。

1 輸電線路感應過電壓原理圖設計

雷電的發(fā)展過程主要分為下行先導、上行先導和中和過程[2][3]，因中和過程為電荷消失過程，即感應過電壓減小過程，所以目前對感應雷的研究主要在下行先導和上行先導相接觸的瞬間。按計算雷電感應過電壓靜電分量極限值時，一般假設[6-7]：

（1）先導通道中的電荷是均勻分布的，其線電荷密度為k空間電場是由先導形成的；

（2）先導通道中的電荷在主放電時是全部瞬時被中和的；

（3）主放電通道是垂直向上的，不考慮放電分支的影響。

設雷云為負極性，并采用鏡像原理進行分析，得出如圖1所示的輸電線路感應過電壓原理圖[11-12]。

圖1 線路感應過電壓分析原理圖

圖1中H為下行先導對地面的高度，可視為無窮大；h為上行先導頂端對地面的高度；s為凸起物的高度；P為輸電線路的截面圖，坐標（x0，y0）表示輸電線路到雷電的垂直水平距離x0和到地面的高度y0。因?qū)⒗纂姺烹娡ǖ揽擅枋鰹榇怪庇诘孛娴碾姾赏ǖ溃释ǖ纼?nèi)形成的電流所產(chǎn)生的磁場與輸電線路平行，即輸電線路的感應電壓只有電場感應，無磁場感應。同時，通常雷電的放電通道在低部也是接近直線的。

在雷電發(fā)展過程中，上行先導是普遍存在的。目前通過大量的高速攝相機對自然雷電進行過拍攝，證明了它存在的普遍性。圖2為試驗室中采用高速攝相機所拍攝的視頻截圖。圖2中的放電通道中電荷都是向上牽引，也說明了上面的雷云電極與放電通道的電荷極性相反，因而可以判斷出放電的發(fā)展路徑是由下往上迎接，為典型的上行先導。

圖2 試驗室中高速攝相下接閃圖

2 輸電線路感應過電壓方程的建立

雷電主放電通道的線電荷密度 均勻且垂直于地面，圖3為雷電通道按電磁場鏡像原理進行處理，則可計算出輸電線路P處電場強度的垂直分量EYP。

圖3 采用鏡像原理對雷電通道分析圖

（2—1）

因 ，即電壓為電場強度的積分。對式（2—1）的 進行0～ 積分（ 為地面到架空線路的高度），可得感應過電壓為：

（2—2）

式（2—2）中，因H>> ，H>> ，取H=+∞，即把下行先導看成無窮，則式（2—2）為：

（2—3）

式（2—3）中，令 即感應過電壓 ，K是一個無量綱的參數(shù)，包含了上行先導、凸起物、雷電距離和線路安裝高度等，本論文稱之為雷電感應因子。下面就雷電感應因子所包含的參數(shù)因子進行分析。

3 各參數(shù)對雷電感應因子的影響

3.1 上行先導對雷電感應因子的分析

上行先導是雷電發(fā)展中是普遍存在的，它的電荷極性與雷云相反，但其長度具有不確定性，一般在5～300米范圍。取凸起物高度 =0m；輸電線路高度 =15m；輸電線路距雷擊通道的垂直距離 =30m，則可計算出上行先導高度與雷電感應因子的關系如圖4所示。

圖4 上行先導對雷電感應因子的影響

由圖4分析，上行先導對雷電因子值的影響范圍在-0.4～0.5間。當上行先導在0～50米范圍時，對雷電感應因子影響較大，且迅速地由正轉(zhuǎn)為負。當上行先導高度大約在18米處時，雷電感應因子為零，即此時雷電感應電壓為零。圖4說明了輸電線路雷電感應過電壓因有上行先導屏蔽下行先導的特性，除了能降低感應過電壓幅值外，也可以改變感應過電壓的極性。

3.2 凸起物對雷電因子的分析

所謂的凸起物，主要是指地面尖端的放電通道，比如避雷針等，其通道內(nèi)流動的電荷與雷云的電荷相同。取輸電線路高度 =15m；輸電線路距雷擊通道的垂直距離 =30m；以雷電上行先導為橫坐標，雷電感應因子為縱坐標，在取不同高度的凸起物時，其計算結果見圖5。

圖5凸起物對雷電感應因子的影響

由圖5分析，隨著凸起物高度的增加，雷電感應因子的曲線越平穩(wěn)，且向中心零的位置靠攏。圖5說明了凸起物的對雷電感應因子也會產(chǎn)生很大影響，且凸起物高度的增加，雷電感應因子值會減小，從而降低了感應過電壓。

3.3 放電距離對雷電因子的分析

輸電線路與雷擊放電主通道的垂直距離對雷電感應電壓也會有很強的影響，以上行先導為橫坐標，雷電感應因子為縱坐標，并取凸起物高度 =0m；輸電線路高度 =15m；在不同的輸電線路與雷擊放電主通道的垂直距離下的計算結果如圖6。

圖6 雷電距離對雷電感應因子的影響

由圖6分析，無論輸電線路與雷擊主通道距離多遠，在出現(xiàn)上行先導后，雷電感應因子迅速降下來。同時，隨著輸電線路與雷擊主通道距離增加，雷擊因子越來越平穩(wěn)，且向上移動，變化的幅度也變小，主要在零值上方密集。圖6說明了當輸電線路與雷擊主通道距離增加到一定程度時，雷電感應過電壓影響越來越有限。當距離大于50m米時，由于上行先導的出現(xiàn)，雷電感應因子在零值上方處密集。

4 總結

本論文通過建立雷電通道模型，并充分考慮了上行先導、凸起物和雷電距離等綜合因素下重新對雷電感應過電壓進行推導，提出了雷電感應因子的概念。

在對雷電感應因子的分析中，著重考慮了上行先導的作用，除了說明它存在的普遍性外，還以它為橫坐標，分別對上行先導、凸起物和雷電距離進行了計算，結果表明在目前配網(wǎng)下的輸電線路下雷電感應因子的值主要集中在-0.5～+0.5，且與上行先導的長度有密切關系，當上行先導約在15米高度時，雷電感應因子的值在零值附近，隨著上行先導長度的增加，雷電感應因子的值也會成反極性，這說明了感應雷的極性未必與雷云下的極性相同，在上行先導作用下會存現(xiàn)與雷云極性相反的雷電感應過電壓。

通過上面分析，對于感應過電壓的計算公式 分析，由于雷電感應因子K值比較小，所以感應過電壓的幅值與電荷線密度 存在比較大的關系。

參考文獻

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