一次多回擊自然閃電引發的輸電線路感應過電壓特征分析

史衍賀

摘要：本文通過進行野外高壓架空輸電線路的過電壓保護實驗，利用典型的多回擊自然閃電引發的過電壓，并與閃電定位數據相結合，對不同地點的入口端、集器前端過電壓、收集器前端電涌保護的殘余電壓、入戶側L線過電壓與閃電回擊電流的關系進行了研究。結果表明：近距離的閃電可以使架空輸電線路產生數千伏的過電壓，其過壓持續時間為1.0毫秒，而在采集端安裝SPD后，將會對更遠處的入戶端過電壓波形造成一定的影響。在采集頭的SPD工作殘余壓持續時間為218毫秒，其持續時間較標準8/20微秒左右。在輸入端感應過電壓和回擊電流與距離之間具有良好的線性關系。

關鍵詞：高壓架空輸電線路;過電壓保護試驗;線性關系

1.試驗布置及測量儀器

輸電線路分為兩個階段：架空線和管道埋設，導線由兩個相間的火線（L）和零線（N）構成，它們分別由一根木頭柱子支撐，與電源變壓器相隔1200米左右，架空線抵達用戶終端后，穿過管道埋設在地面52m處，為自動氣象站采集裝置提供電力，架空線為220V農用輸配線，線路曲折，但整體方向從南到北。為了測量由電力線上的相鄰閃電（包括人為的和天然的）引起的過壓，在L線、N線和收集器的L線上分別裝有沖擊分壓器。該分壓器采用阻容型，一端接L或N線，一端接地。分壓比為205.4，204.9，203.0。通過高壓絕緣纖維數據采集系統對感生過電壓進行了測量，取樣速率為5M/s，取樣長度為08秒。為了探討殘余壓與感應過電壓的關系，在傳感器的前端加裝了一個電涌保護器（SPD），其額定放電電流是20kA，電壓保護等級U≤1.75kV。所有的測量儀器和系統均已在現場進行了試驗和校準。

2.輸電線路感應過電壓

2.1感應過電壓波形

8月11日，一種多回波的天然閃電（下文稱為N0811）出現在測量系統附近，該測量系統對 L、 N線和采集器 L線產生的過電壓進行了記錄，因為在采集頭上安裝了 SPD，因此，在超過 SPD壓力敏感的情況下，它的末端測得的過電壓會顯示為殘留電壓。通過對電磁場的改變和過電壓的測定，我們可以看出，該雷暴一共發生了11次的回擊。對N0811引起的不同線路的不同回擊過電壓的波形進行分析，其中 L型和 N型均具有相同的波形，但峰值稍有差異。由于在采集頭上安裝了 SPD，所以在過電壓超過變壓時，會出現殘留壓。在過電壓不高于變頻器的情況下，它的電壓波形與輸入端基本相同，但峰值稍有降低。分析11次回擊引起的過壓，可以分為三種：第一種是第一次回擊，即過電壓的峰值比較高，持續時間比較長，第二種是感應過電壓比較大，比 SPD的壓力敏感，但是持續時間比第一次回擊要短。

2.2入戶端L線感應過電壓波形特征

在SPD作用下，高架線路入戶部L線感應過電壓波形與殘余壓相似，尤其是殘壓相應時段的波形與自然閃電感應的波形有很大差別。因為它的過電壓很低，不會受到 SPD的影響，本文以它為典型的輸入端過壓實例，對其特性進行了分析。此外，通過對未安裝 SPD線路的感應過電壓波形進行統計，結果表明，90%以上的自然電波具有相同的特征。結果表明，典型的繼后回擊誘發的過壓持續時間在80 us左右，半峰寬度在50 us左右，波頭時刻 T和T14分別為20和52 us，而波頭時間比峰值時間短，峰值時間為1/3～1/2。從其它自然閃電的數據來看，第一次回擊感應過電壓的持續時間大于后一次回擊，它具有豐富的過壓成分，其它特點也比較相似。在誘導的過電壓升高期間，存在一個初始的峰值，然后到達一個次級的峰值。起始峰的升高時間大約為5 us，它和第二峰之間的間隔大約為12 us。

2.3入戶端L、N線感應過電壓

架空線路 L、N線感應過電壓波形相同，感應過電壓幅度也大致相同，多數回擊（10/11） N線的過電壓要稍高于 L線， L、 N線架設高度大致相同， N線過電壓較高，這是由于其在變壓器末端接地所致。此外，在輸入端的過壓持續時間為02-1.8毫秒，平均10毫秒。

3.過電壓與閃電電流的相關性

3.1閃電定位系統定位結果

從電力部門的數據來看，N0811的11次回擊中，只有9次和11次是最弱的，其他9次都是準確的，而且都是在3公里之外。從測得的電流值來看，9個回擊電流在-6.9--50.4 kA之間。在第6和710次回擊中，電流振幅低于10 kA時，產生的過電壓很低，沒有引起采集頭的 SPD工作。

3.2入戶端L線過電壓與閃電電流峰值之間的相關關系

對因雷電而產生的電感電壓計算可分成兩個步驟：（1）采用回擊方式對閃電附近的電磁場進行計算。（2）采用耦合方式，對線上的電場磁耦合所引起的感應電壓進行了計算。最常見的多個橫向導線的感應電壓耦合方式。從有關的計算結果可以看出， Rusck理論估計的結果要小于實際觀測值，在大電流下，估計結果與實測結果相近，而在電流小的情況下，估計結果與實測結果相近，而在電流小的情況下，估計結果基本相同。由于 Rusck理論的計算公式僅包括了回彈速度和線路高度等因素，而對于導線自身的長度和導線的兩端接地等問題并未反映在公式中，因此，過電壓耦合的計算比較繁瑣，其與 I/d之間的簡單比例關系必然是不合理的。

結束語

短距離的閃電能在架空傳輸線上引起數千伏的超壓，其持續時間為1.0毫秒，而在采集端安裝 SPD后，將會對輸入端的過電壓波形造成一定的影響。在電纜穿管52 m后，收集器前線的過壓小于進戶端，降低的百分比為：4.4%～7.2%。近距離自然閃電誘發的 SPD操作殘余電壓持續時間平均為218 us，超過了8/20 us標準的脈沖電流測試。輸入端的過壓與回擊電流、距離之比具有較好的線性擬合，且在一定程度上與電流強度成正比。文中所述的閃電只是觀察到的一種典型的自然閃電，其它的閃電也有相似的特征。

參考文獻

[1]王孝波， 陳紹東， 張義軍，等. 一次多回擊自然閃電引發的輸電線路感應過電壓特征分析[J]. 電網技術， 2011， 35（2）：6.