配電線路感應雷過電壓防護措施仿真研究

李 剛 ，劉大鵬 ，劉 斌 ，王 玨 ，李悠然

（1.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264000；2.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000）

0 引言

配電線路的電壓等級低，因此絕緣水平也低，容易被雷電影響，在線路中感應出雷過電壓，雷擊嚴重時導致線路產生雷擊故障。在線路上裝設避雷器或保護間隙是目前線路防雷主要采取的措施，因此仿真計算線路感應雷過電壓并研究避雷器和保護間隙對過電壓的影響具有實際應用意義。

線路感應雷過電壓仿真計算的理論較為完備。文獻［1-3］研究了感應雷過電壓在ATPDraw中的仿真。文獻［4-8］提出了采用不同的雷電回擊模型和場線耦合模型的線路感應雷過電壓計算方法。文獻［9-12］研究了避雷器和保護間隙的防護作用。

采用學者H?idalen在文獻［3］中提出的仿真模塊搭建出存在感應雷過電壓的10 kV線路仿真模型，以之計算出線路的感應雷過電壓。通過仿真，分析避雷器及保護間隙對線路感應雷過電壓防護作用，并比較其安裝密度不同對線路感應雷過電壓的影響，可為線路防雷提供參考。

1 配電線路感應雷過電壓模型與計算

雷電放電時線路與大地上雷擊點的位置關系如圖1所示，設距離線路A端點最近的雷擊點C為原點，雷擊點平行于線路向B點靠近的方向為x軸正方向，到線路的垂直距離為y軸正方向。

圖1 線路與雷擊的位置關系

用Bergeron模型作為計算配電線路感應雷過電壓使用的等效模型，如圖2所示。電壓關系為

式中：UrA（t）和 UrB（t）為線路端點 A、B 的電壓；UindA（t）和UindB（t）為線路感應雷過電壓；UA（t－τ）和UB（t－τ）為從線路端點A、B反射到端點B、A的電壓；Z為線路的特性阻抗；iA和iB為線路電流。

圖2 線路的Bergeron模型

根據上述模型在ATPDraw中搭建出產生感應雷過電壓的線路的等效仿真模型，如圖3所示。

圖3 線路仿真模型

1.1 感應雷過電壓仿真計算

仿真初始條件設置為：線路長1 000 m，線路高度10 m，檔距100 m，大地上的雷擊點距線路的水平距離 100m，雷電流幅值30kA，雷電流波形 2.6/50 μs，雷電回擊速度108 m/s，大地電導率0.001 S/m。雷擊點距線路A點最近（圖1的C點）。

1）感應雷過電壓隨時間變化情況。

仿真結果如圖4所示。圖中各折線表示以線路A端點為原點時線路各處的感應雷過電壓。

由圖4可知，因為雷擊點距離線路A端點距離最近，所以線路上A點（距離A點0 m處）的感應雷過電壓幅值最大，數值為69.061 kV。

為驗證仿真結果是否可信，用規程推薦的線路感應雷過電壓計算公式根據仿真條件進行計算，將規程公式得出的結果與仿真結果進行比較。我國規程推薦的線路感應雷過電壓幅值計算公式為［13］

圖4 隨時間變化的感應雷過電壓圖像

式中：Ui為感應雷過電壓幅值，kV；I為雷電流幅值，kA；hc為線路高度，m；S為雷擊點到線路的水平距離，m。

代入設置的數據計算得線路感應雷過電壓幅值為Ui=75 kV，與仿真結果誤差為5.939 kV，誤差較小。

2）感應雷過電壓的沿線分布。

線路感應雷過電壓的沿線分布的圖像如圖5所示，時間取 5 μs、10 μs、20 μs和 40 μs。由圖 5 可知，同一時間線路距離雷擊點最近處（A點）的過電壓幅值最大，過電壓幅值隨線路上到A點距離增大而減小，距離增大到一定程度后過電壓反向。

圖5 感應雷過電壓幅值沿線分布

1.2 線路感應雷過電壓幅值與雷擊點的關系

雷擊點相對于線路的位置不同對線路感應雷過電壓也有影響。仿真參數與1.1節設置的相同，雷擊點位置如圖1所示。對雷擊點位置不同時的線路過電壓分別進行仿真計算，得到過電壓幅值的沿線分布如圖6所示。因線路為直線路，關于線路中點對稱，故雷擊點越過中點H后、為I—M時，線路過電壓幅值與雷擊點為G—C時線路過電壓幅值關于線路中點x=500 m對稱，即雷擊點為I時線路過電壓幅值的圖像與雷擊點為G時線路過電壓幅值的圖像關于x=500 m對稱，以此類推不再畫圖表示。

圖6 雷擊點不同時線路感應雷過電壓幅值

圖6 中，線路距離雷擊點最近處的感應雷過電壓幅值最大，過電壓幅值隨線路距雷擊點最近處的距離的增大而減小，減小到一定程度會反向。雷擊點在H處即雷擊點到線路中點最近時，線路中點感應雷過電壓幅值是所有雷擊點情況中最大的。因此下文研究雷擊點為H時防雷措施的防護作用。

2 防雷措施對線路的防護作用仿真分析

2.1 線路型避雷器對感應雷過電壓的防護效果

線路型避雷器是線路感應雷過電壓防護的基本措施，目前也被廣泛應用于配電線路防雷。為了研究避雷器對配電線路感應雷過電壓的防護效果，在ATP-EMTP軟件中搭建配電線路感應雷過電壓計算模型，并仿真分析線路型避雷器對配電線路感應雷過電壓的防雷效果。

在仿真中，線路型避雷器采用非線性電阻進行等效模擬，其動作電壓取60 kV，伏安特性如圖7所示。當其兩端電壓未達到其動作電壓60 kV時，其電阻值接近無窮大，相當于開路；當其兩端電壓達到其動作電壓時，其電阻變得極小，過電壓在通過設備前從避雷器流入大地。避雷器的裝設方式一般是被并聯在被保護設備的旁邊且接地。

圖7 避雷器伏安特性

在線路中點并聯一個避雷器，裝設避雷器前后線路中點感應雷過電壓仿真結果如圖8所示。由圖8可知，避雷器對10 kV配電線路感應雷過電壓防護效果明顯。未裝設避雷器時，線路中點感應雷過電壓幅值為118.97 kV；裝設避雷器時，線路中點感應雷過電壓幅值降為92.019 kV。

圖8 裝設避雷器前后線路中點感應雷過電壓

實際線路中避雷器安裝密度多種多樣，本節針對避雷器安裝密度對配電線路感應雷過電壓的影響進行仿真計算。仿真中，線路型避雷器的安裝密度分為全線裝設、每隔1個桿塔裝設、每隔2個桿塔裝設3種情況。不同避雷器安裝密度下，線路中點及線路最大感應雷過電壓仿真波形如圖9所示。

圖9 不同避雷器安裝密度下線路感應雷過電壓波形

如圖9所示，線路型避雷器安裝密度對配電線路感應雷過電壓具有一定的影響。全線安裝線路型避雷器時，配電線路的感應雷過電壓幅值最小；每隔1個桿塔裝設線路型避雷器，線路上出現的最大感應雷過電壓值次之；每隔2個桿塔裝設線路型避雷器出現的最大感應雷過電壓幅值最大。

2.2 保護間隙對感應雷過電壓的防護效果

由于保護間隙成本低、安裝方便，目前也常被應用于配電線路雷電防護中。為了研究保護間隙對配電線路感應雷過電壓的防護效果，在ATP-EMTP軟件中搭建配電線路感應雷過電壓計算模型，并仿真分析保護間隙對配電線路感應雷過電壓的防雷效果。仿真中采用壓控開關模擬線路保護間隙，認為當保護間隙兩端承受的過電壓超過其50%放電電壓時，放電間隙擊穿。在線路中點線路絕緣子兩端并聯保護間隙，保護間隙的50%放電電壓取60 kV。裝設保護間隙前后線路中點感應雷過電壓仿真結果如圖10所示。由圖10可知，保護間隙對線路的防護效果明顯。未裝設保護間隙時，線路中點感應雷過電壓幅值為118.97 kV；裝設避雷器時，線路中點感應雷過電壓幅值降為72.1 kV。

圖10 裝設保護間隙前后線路中點感應雷過電壓

與線路型避雷器類似，線路裝設保護間隙的密度不同時，線路的感應雷過電壓也不同。仿真中，將保護間隙的密度分為全線裝設、每隔1個桿塔裝設、每隔2個桿塔裝設3種情況。不同間隙安裝密度下，線路感應雷過電壓仿真波形如圖11所示。

圖11 不同間隙安裝密度下線路最大感應雷過電壓波形

如圖11所示，保護間隙安裝密度對配電線路感應雷過電壓具有一定的影響。全線安裝時，配電線路感應雷過電壓幅值最小；每隔1個桿塔裝設1個保護間隙時，線路感應雷過電壓幅值處于中間水平；每隔2個桿塔裝設1個保護間隙時，線路感應雷過電壓幅值最大。

3 結語

搭建有感應雷過電壓存在的1 km長10 kV配電線路的仿真模型，通過模型計算出線路感應雷過電壓及其幅值的沿線分布，仿真分析了避雷器和保護間隙的防護作用。

在雷擊點與線路相對位置不同的所有情況中，雷擊點距線路中點最近時線路中點的感應雷過電壓幅值最大。

避雷器對線路感應雷過電壓的降壓效果顯著。避雷器安裝密度不同時，全線安裝時線路感應雷過電壓幅值最小，每隔2個桿塔裝設1個避雷器時感應雷過電壓幅值最大。安裝密度越大防護效果越好。

保護間隙對線路感應雷過電壓的防護效果與避雷器相似。保護間隙安裝密度不同時，全線安裝時線路感應雷過電壓幅值最小，每隔2個桿塔裝設1個避雷器時感應雷過電壓幅值最大。安裝密度越大防護效果越好。