架空配電線路感應雷過電壓的計算

左軍，趙少鋒

(湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引言

配電系統作為直接面向用戶的電能輸送單元，年均保持著非常可觀的供電量，國民經濟不斷增長，人民生活水平也不斷提高，許多新興行業和新興服務的不斷涌現，對配電網供電可靠性的要求越來越高，而中低壓配電網本就具有絕緣水平較低的先天性劣勢，雷擊對其造成的破壞非常大，嚴重甚至直接造成線路跳閘[1]。實際上，雷電的實質是一種強度極高的電磁脈沖現象，但這種自然對電力系統以及人身安全的威脅非常大[2]。由于我國電網的特點是多地區大聯網，所以現今電網遭受雷電災害影響的概率更大[3]。有資料顯示我國電力系統，特別是在線路部分發生的跳閘事故中，由雷電災害引起的線路跳閘占有很大的比重，多雷地區及部分特殊地區線路遭受雷擊的跳閘率更高，最高可以超過65%[4]。

配電網具有復雜的結構和運行環境，配電線路分布較廣泛，其絕緣水平也相對較低，雷擊對配電線路的負面影響非常大。其中，架空配電線路主要受感應雷過電壓破壞的影響比較嚴重，且架空配電線路運維難度較高[5]。因此，降低感應雷過電壓對架空配電線路的危害，提高架空配電線路供電可靠性，是目前該領域亟待解決的問題。

2 雷電特性概述

自然界中的雷電是極其短暫的時間內瞬時發生的，破壞力非常強[6]。雷電放電過程可大致分為先導放電階段、主放電階段和余輝放電階段。

(1)先導放電階段:負電荷慢慢地聚集于雷云，與此同時，雷云下方的地面將感應出數量較多的正電荷。當空間中的電場強度達到一定臨界值后，空間將出現雷云對地的局部放電通道。

(2)主放電階段:當先導放電過程逐漸發展接近地面后，放電從下向上發展，時間極短，且將會有巨大的電流流經雷擊點。

(3)余輝放電階段:余輝放電緊接著主放電，在此過程中前一階段殘余的電荷將繼續沿著通道進入地下，余輝放電的發展比較慢，持續時間長，雷電流的幅值也比較小。

3 感應雷過電壓的計算與分析

文獻[7]的方法，采用二維FDTD算法分析不同參數條件下架空配電線路遭受感應雷的影響，并計算其過電壓的大小。

3.1 電導率對過電壓的影響

圖1是電導率對線路感應雷過電壓的影響。

圖1 電導率變化對感應雷過電壓的影響

從圖1中可以發現，感應雷過電壓受山體電導率的影響較大，且電導率與感應雷過電壓呈負相關，電導率越大，感應雷過電壓的幅值反而越小，特別是σ由0.0001增大到0.01的過程中，感應雷過電壓的減小幅度很大。由圖1(a)可知，電導率在增大的過程中，近端點的感應雷過電壓隨之不斷減小，且逐漸趨于平穩。圖1(b)中，遠端點的感應雷過電壓幅值同樣地與電導率呈現出負相關的關系，但逐漸減小為零。

近端點的位置靠近雷電反擊通道，電導率越大，雷電在水平方向上產生的電磁脈沖也相應增加，導致架空配電線路受電場水平方向的影響增強，近端點的感應雷過電壓幅值呈現逐漸降低的趨勢。而遠端點，隨著電導率的增加，線路電場在水平方向分量的衰減比較大，從而導致線路的感應雷過電壓有所降低，當電導率繼續增加，接近于無窮大時，水平電場波頭的極性會因此發生改變，造成過電壓的極性出現反轉為正的情況。

3.2 雷電回擊速度對過電壓的影響

圖2是雷電回擊速度對線路感應雷過電壓的影響。

圖2 雷電回擊速度變化對感應雷過電壓的影響

根據圖2的結果能夠發現，線路的感應過電壓受雷電回擊速度的影響比較小，雷電回擊的速度越快，在線路中產生的感應雷過電壓越小。

3.3 傳輸導線線路高度對過電壓的影響

圖3是架空線路高度對感應雷過電壓的影響。

圖3 線路高度變化對感應雷過電壓的影響

根據圖3可以發現，線路感應雷過電壓受線路高度的影響比較大。近端點時，線路感應雷過電壓隨著線路架設高度的減小逐漸降低，特別是σ由50降低到10的過程中，幅度過大。遠端點的變化規律與近端點恰好相反，線路感應雷過電壓隨著線路架設高度的減小逐漸增大，且在以上仿真的四種情況下，增幅基本接近。

4 結論

架空配電線路結構和運行環境較為復雜，絕緣水平低，雷擊跳閘事故時有發生。本文通過仿真計算，分析了電導率、雷擊速度以及線路架設高度對線路感應雷過電壓的影響，得到的結論對提高架空配電線路耐雷水平的設計具有一定的實際參考價值。