對10kV配電線路雷電感應過電壓模擬實驗的探討

摘 ?要：本文以10kV配電線路為研究對象，對其中的雷電感應過電壓模擬實驗進行分析。在概述雷電感應過電壓故障的基礎上，針對模擬實驗分析中的計算方法進行論述。由此，總結設備結構中的特征表現內容，為相關技術研究與應用探索提供參考。

關鍵詞：配電線路;雷電防護;感應過電壓;實驗分析

中圖分類號：TM863 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0044-03

Discussion on Simulation Experiment of Lightning Induced Overvoltage on

10kV Distribution Line

LIAN Qingnan

（Guangdong Power Grid Co.，Ltd. Maoming Gaozhou Power Supply Bureau，Gaozhou ?525200，China）

Abstract：This paper takes 10kV distribution line as the research object and analyzes the lightning induced overvoltage simulation experiment. On the basis of an overview of lightning induced overvoltage faults，the calculation methods in the simulation experiment analysis are discussed. Therefore，the feature expression content in the device structure is summarized，and the reference conditions are provided for related technology research and application exploration.

Keywords：distribution line;lightning protection;induced overvoltage;experimental analysis

0 ?引 ?言

10kV配電線路中，自身帶有的絕緣能力相對有限，容易受到環境中的雷擊影響。為了有效地控制電路結構，積極地管理線路中的雷擊感應過電壓，降低甚至消除閃絡問題的發生條件，需要對特定的功能結構做出調整，并采取相應的管理技術措施。而實現這一技術之前，需要對整體雷電感應過電壓的概念與故障表現進行分析，以此保證對技術內容的指導效果。

1 ?雷電感應過電壓概述

形成條件上，如果10kV架空配電線路的結構周圍，建筑物的整體高度較大，且高于10kV架空配電線路系統，由此就會在建筑物結構中對線路系統形成遮擋與屏蔽，以此降低出導線的合度狀態，并控制受到雷擊危害的概率條件。然而，在雷電的高發季節或地區，如果區域環境中的雷電較為密集，并在線路環境中生成大于線路自身感應過電壓水平的雷過電壓，就會產生絕緣子損壞的問題。嚴重時，甚至直接導致線路接地裝置的短路損毀，形成系統性的配網故障。故障表現形式中，可將這一條件下產生的故障分為避雷器故障與絕緣子閃絡故障這兩種類型。

避雷器設備設置在架空線路中，當出現雷擊事件之后，會通過避雷器設備，將超出規模的總量條件進行引導，并使大量的感應電流結構傳導到地下，完成分流處理。由此，在控制絕緣子兩端電壓的同時，防止線路設備遭到損壞，維護整體結構的避雷效果[1]。但是一旦這種避雷器設備出現老化與故障風險，就會在應用過程中，降低使用質量，影響整體結構的使用效果，產生較為嚴重的故障風險，在出現雷電感應過電壓超標問題的同時，會發生較為嚴重的故障。而在絕緣子閃絡故障中，在遭受到雷擊的條件下，會對設備中的絕緣子造成影響，并在傳導過程中影響10kV線路系統中的正常傳導水平，對整體結構造成安全隱患，甚至直接出現設備的受熱殘損問題。

2 ?雷電感應過電壓模擬實驗的計算方式

感應過電壓數值計算中，需要將放電的雷電流模型作為數據基礎，在分析不同距離的電磁場分布的計算中得到具體數值。然后，再根據線路與電磁場的耦合關系數值，計算不同電磁場分布條件下所產生的感應過電壓條件。

計算方法上，平行多導線的FDTD算法較為常見，是構成技術分析的基礎。受到外部分布式的電磁激勵源的影響，會在如圖1所示的模型結構中，形成導體傳導系統，并在計算方法上，總結出MTL方程：

式中U（x，t）與I（x，t）分別代表了電壓狀態和電流向量。R為長度導線，C為電容矩陣。ET（x，t）為導線電場的平行分量，IB為流出輸電線路的分支電流向量參數。通過MTL方程的計算分析，可以確定各坐標點位與時間參數影響下的離散數值，并將電壓對應到相應的節點條件上，形成離散型的電壓、電流數據。以此，完成對分支節點的正常描述，形成電壓變量的迭代變化條件。

完成參數計算之后，需要按照特定的模型結構，安裝絕緣子桿塔設施。通過對絕緣子模型的簡化處理，使其轉化為一個良性開關結構，在絕緣子兩端的電壓參數上，都調整在1.5倍的臨界值以上，使其能適應閃絡電壓CFO條件，并在絕緣子出現閃絡時，維持開關的閉合狀態[2]。另外，在統計CFO數值的過程中，需將閃絡概率設定在50%，通過對間隙放電條件進行分析，確定1.5為具體變化系數，以此保證模型分析的合理性。

另外，在雷電磁場的與傳輸參數的影響條件下，需要對公式條件做出適當的調整，尤其在對等量電導率進行論證的過程中，需要對理想數值與實際數值進行對比分析。在確定差異變量的同時，找到重合與相似的計算交叉點。以此完成后續的完整計算內容。

3 ?模擬實驗中的雷電感應過電壓特征說明

3.1 ?線路過電壓狀態的最大感應數值

通常情況下最大狀態的感應過電壓數值，會受到雷電電流幅值、配電線路對地高度、雷擊點與線路距離這三個條件參數的影響。而在Rusck公式中，對最大感應過電壓的分析，需在以上三個數值條件之上，添加雷電先導中的回波速率參數，通過對其與光速比值條件的分析，確定最大雷擊感應過電壓的變化數值條件。而在前文提到的計算方法下，感應過電壓的數值表現，還會受到雷電流波、回波速率、大地電導率、接地電阻數值等多種數值條件的干擾，形成差異化的計算結果數據。在進行計算分析的過程中，可以確定基礎的運算數值條件，并在固定參數的指導與引用下，保證后續統計分析的合理性。

完成相關性的因素分析的同時，回波傳播的速率水平與桿塔接地的處理方式，地感應過電壓數值的影響效果較弱。所以在進行統計分析的過程中，可以適當地忽視此類數據條件，如果沒有對統計數據做出特殊化的要求，在常規數值參數的分析中，無須對此類數據做出分析與計算，以此保證整體統計分析的效率水平。

如果回波速率的數值參數相對較高，當雷擊點距離系統較近時，就會加快達到峰值數據的速率，并使與之對應的du/dt數值變大。然而在這一條件下，不會對對應的峰值結構造成影響。當波前時間縮短后，才會加快峰值的增長速率，并對峰值產生影響，使其遠遠高出波前時間的對應峰值數據。

3.2 ?大地導率特征下的數值變化內容

大地是一種非理想型的導體結構，在進行模型分析的過程中，無法得到標準的理想化數值。因此，在應用FDTD法進行計算的同時，需要使用特殊的公式進行分析計算，并在形成具體參數的過程中，對其中的應用數值進行總結，以便形成更具針對性的指導數據。

方法上，可假設10kV配電網絡系統的具體建設參數，將配電線路長度擬定在1.5km，并使雷擊點發生在50m坐標位置。在確定相對節點常數之后會在不同大地電導率水平的條件下，形成具體的線路末端電壓波形[3]。由此，保證對于大地實際高耗能數據的模擬分析，實現對整體感電狀態的論證。然后在統計變量，并繪制大地電導率效果圖的作用下，可以發現大地電導率、電壓衰減這兩項數值之間的正比例關系。當擬定數值在合理區間范圍內時，可以確定沿時間變量，對感應過電壓分布狀態進行分析與確認，并形成如表1所示的電壓分布數值，確定這一數值變量環境中，大地電導條件的影響內容。尤其在圖形的電壓變量數值中，形成了雷電波折發射條件。由此，可以在雷電波的分量中，確定大地電導率在高頻段的影響力水平，進而確定具有靜電場效應的電磁場結構。

在對大地電導率等變量數值條件進行分析的過程中，可以總結出三種特異化的變化情況，即絕緣效果無窮大、桿塔絕緣子的理想狀態、有損大地條件下的絕緣子安裝。在這三種條件下，可以形成以雷擊點為基礎的對應數值。在進行對比計算的過程中，可以直接反映出電壓波形的振蕩變化效果。在形成終點末端電壓的同時，端頭位置的電壓參數基本一致。所不同的是，在電導率水平降低的過程中，末端電壓會在波形條件上，形成負峰值結構。形成原因上，主要受到雷電場與雷電波的影響，在大地有限電導率的影響下，形成這一異動現象。而雷電波在常規線路中進行傳導時，在延伸的進程中會出現衰變。這種衰變現象，會在各分支結構中表現出相同的變量數值，并在波形逐漸增大的條件下，使電壓的波形發生變化，甚至會在電壓的結構中出現極性變化效果。

3.3 ?感應過電壓概率與閃絡特征

數值計算法的應用中，可以確定統計線路中的感應過電壓參數。通過對雷電流概率的分布統計，確定雷電流幅值的取值區間。在應用蒙托卡羅法完成計算的過程中，需將雷擊區域進行隨機抽檢，在獲取抽樣性雷擊點的同時，分析出現雷擊問題的隨機概率。由此，可以對雷擊所引發的最大感應過電壓數值展開模型化的計算分析。在10000次的雷擊模擬分布統計中，能夠總結出所有數據中的電路產生次數，以及每年每百公里的線路，發生閃絡問題的頻率。

為了使抽樣數據的合理性得到強化，還需對特定工作環境中的雷暴天數進行統計分析，在確定落雷密度條件的基礎上，設定合理的雷擊點影響寬度范圍。由于大地的有損條件，在應用MTL模型的基礎上，需要通過FDTD法完成計算。當不分析直接雷擊的特殊案例時，可以對應地分析最大感應過電壓的分布條件。然后，在對雷擊引發線路進行匯總的基礎上，找到普遍降低的類變化次數與電壓普遍變化數值。通過這一變量數值的計算發現，當雷擊次數的變化率降低后，相應的電壓值也會有所下降，并在產生雷電數值變量的同時，減少出現線路故障與閃絡問題的概率。當大地的電導率增加后，雷擊的概率也會順勢減少，并在直擊閃絡率與感應閃絡率的參數上，都呈現出下降的趨勢。另外，在引導閃絡問題的雷擊事故中，直擊類型的雷擊情況，占有較大的比例條件，如果環境較為開闊，這一影響條件將更為明顯。

4 ?結 ?論

綜上所述，雷電感應過電壓現象，容易誘發配電系統的功能故障。在系統管理與分析的過程中，務必要從基礎的技術原理入手，對其中的應用條件與特征內容進行分析。由此，才能最大化地發揮模擬實驗的應用優勢，在找到具體故障問題的基礎上，分析出現故障問題的特征條件，保證整體系統的完整性。

參考文獻：

[1] 任正某，胡長金，孫振權.一種配電自動化真型綜合驗證測試平臺的結構方案研究 [J].電子測試，2019（7）：5-7.

[2] 李維，王洪林.計及建筑物不同位置、高度對雷電回擊電磁場的影響及對配網運維重要性研究 [J].電瓷避雷器，2019（1）：120-125+132.

[3] 鄭亮，王瀟煜，劉財華.基于EMTP的配電系統終端雷電感應過電壓防護分析 [J].電瓷避雷器，2019（1）：164-168+173.

作者簡介：練慶南（1989.08-），男，漢族，廣東高州人，工程師，本科，工科學士，研究方向：10kV配網。