中壓配電線路的雷電過電壓仿真研究

王遠瞧，袁 萌

（三峽電力職業學院，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

隨著社會生產力的發展和人民生活水平的提高，電能已經成為當今社會最重要的能源之一[1]。配電網是連結變電站和電力用戶之間的紐帶，電力系統供電可靠性的高低很大程度上取決于配電網的安全穩定程度[2]。據以往的運行經驗來看，雷電現象是導致架空輸電線路發生故障的主要原因之一[3]。雷電對架空輸電線路的影響除了會產生雷電過電壓以外，雷電放電過程中線路附近的電磁環境也會發生比較大的變化。

電壓等級較低的架空線路，其架設高度也會相應較低，因此，更容易受到感應雷的影響，線路中發生雷電過電壓的概率更高。基于此，為了更有針對性的加強雷電防護，對線路的感應雷過電壓進行仿真計算具有重要意義[4]。

1 雷電放電現象

自然界中的雷電現象通常都是伴隨著暴風雨而來。由于環境中的電荷分布不均，在極性不同的云團之間以及云團與大地之間會產生一定強度的電場，經過一定的積累后發生雷電現象。在所有雷電現象中，對架空輸電線路影響最大的是云對地產生的閃電。

由于帶電雷云的底部為負極性，因此地面會感應出大量的正電荷。當雷電與大地之間所形成電場的場強大到超過兩極間空氣的擊穿電壓時，就會出現自然界的閃電現象，也就是雷云對地產生電火花，在此過程中的電流幅值最高可達數百千安培。

2 配電線路雷電感應過電壓分布

參考文獻[5]中所提供的計算方法，可以通過在一條長度為1 km的線路lAB上由A至B的方向依次設置雷擊點，觀察線路雷電過電壓的分布和變化情況。圖1是當雷擊點靠近A點時，配電線路各個位置的感應雷過電壓分布及其隨時間的變化情況。

從圖1中的變化規律可以發現，在線路經受雷擊后，雷電過電壓急劇升高，整體在很短的時間內達到峰值，隨后又逐漸衰減到零。由于雷擊點在靠近A點的位置，因此在線路首段出現感應雷過電壓的電壓幅值最高，靠近線路末端的過電壓因為受到雷電波損耗的影響隨之變小。另外，距離雷擊點不同位置出現感應雷過電壓幅值的時間也稍有區別，距離雷擊點越遠的位置出現過電壓幅值的時間越長，這可能是因為雷電流波的傳播需要一定的時間。

以定長度100 m的距離為步長，由A至B的方向設置雷擊點，仿真計算lAB上各位置感應雷過電壓幅值的分布情況，其結果示意圖如圖2。

基于此前的分析，雷擊點位置的過電壓幅值在同線路中最高。因此，由圖2可知，在雷擊點靠近線路首末兩端的位置，整個線路過電壓的幅值較小，而越靠近線路中段，整個線路過電壓的幅值越大。

3 不同因素對雷電感應過電壓的影響

3.1 雷電流幅值的影響

仿真計算時，分別向線路模型注入15 kA、30 kA、60 kA、120 kA的雷電流，以此獲得感應雷過電壓的波形，其結果如圖3所示。

從圖3中的變化規律可以發現，感應雷過電壓與雷電流的大小呈正相關，雷電流越大，感應雷過電壓的幅值也越大，但是其到達幅值的時間受雷電流大小的影響較小。在雷電流由15 kA增加到120 kA的過程中，由于雷電流的不斷增加，線路產生強大的電場，雷電通道上吸引了大量的電荷，從而導致線路上的感應雷過電壓增加了416.39 kV。

3.2 回擊速度的影響

分析回擊速度對感應雷過電壓的影響時，設置三個不同的雷擊速度：1×108m/s、1.5×108m/s和2×108m/s。獲取線路中點感應雷過電壓的波形，其結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著線路遭受感應雷擊的速度增大，感應雷過電壓的幅值也會相應有所增大，并且線路遭受過電壓的幅值越高下降速度越快。出現這種現象的主要原因可能是雷電主放電速度隨雷擊速度的增大而增大，在通道中大量的束縛電荷迅速變成自由電荷，導致在線路中產生大的電流波動，因此線路上的感應雷過電壓也會相應升高。

3.3 雷電流波頭時間的影響

為探究不同波形的雷電流對線路上感應雷過電壓的影響，分別模擬設置為1μs、2μs、4μs和6μs的波頭時間的雷電流，其仿真結果如圖5。

從圖5可以發現，線路的感應雷過電壓與雷電流的波頭時間也有一定的聯系，波頭時間越長，過電壓幅值反而越小，并且出現幅值的時間也越晚，整個過程產生的感應雷過電壓會在50 μs之后消失。其主要原因可能是，雷電流波頭時間越長，線路聚集電荷的時間也隨之變長，電場強度相對較小，進而導致線路上感應雷過電壓的幅值相對較低。

3.4 雷擊點到線路水平距離的影響

為分析水平面上線路感應雷過電壓受雷擊距離的影響，分別設置了50 m、100 m、150 m 和200 m水平距離不同的雷擊位置進行仿真計算，其線路模型中感應雷過電壓波形如圖6所示。

從圖6中可以看出，雷擊位置與線路的水平距離越大，線路遭受到的感應雷過電壓幅值越小，并且同樣在50 μs以后衰減至零。形成這種規律的主要原因可能是線路距離雷擊位置越遠，其相應的感應電場強度越小，束縛電荷量就越小，因此導致線路感應雷過電壓降低。

4 結 論

本文以中壓配電線路為對象，通過一系列的仿真計算，對影響線路感應雷過電壓的影響因素進行了較為全面的分析，得到如下結論。

（1）線路越靠近雷擊點位置的感應雷過電壓幅值越大，距離雷擊點越遠的位置其感應雷過電壓越小。（2）雷擊位置到線路中心的水平距離越近，線路感應雷過電壓幅值最大，并且雷擊位置在線路中心時，感應雷過電壓幅值最大。（3）中壓配電線路的感應雷過電壓與雷電流和雷擊速度呈正相關，與雷擊點到線路的水平距離呈負相關。