对10kV配电线路雷电感应过电压模拟实验的探讨

摘  要：本文以10kV配电线路为研究对象，对其中的雷电感应过电压模拟实验进行分析。在概述雷电感应过电压故障的基础上，针对模拟实验分析中的计算方法进行论述。由此，总结设备结构中的特征表现内容，为相关技术研究与应用探索提供参考。

关键词：配电线路;雷电防护;感应过电压;实验分析

中图分类号：TM863     文献标识码：A 文章编号：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配电线路中，自身带有的绝缘能力相对有限，容易受到环境中的雷击影响。为了有效地控制电路结构，积极地管理线路中的雷击感应过电压，降低甚至消除闪络问题的发生条件，需要对特定的功能结构做出调整，并采取相应的管理技术措施。而实现这一技术之前，需要对整体雷电感应过电压的概念与故障表现进行分析，以此保证对技术内容的指导效果。

1  雷电感应过电压概述

形成条件上，如果10kV架空配电线路的结构周围，建筑物的整体高度较大，且高于10kV架空配电线路系统，由此就会在建筑物结构中对线路系统形成遮挡与屏蔽，以此降低出導线的合度状态，并控制受到雷击危害的概率条件。然而，在雷电的高发季节或地区，如果区域环境中的雷电较为密集，并在线路环境中生成大于线路自身感应过电压水平的雷过电压，就会产生绝缘子损坏的问题。严重时，甚至直接导致线路接地装置的短路损毁，形成系统性的配网故障。故障表现形式中，可将这一条件下产生的故障分为避雷器故障与绝缘子闪络故障这两种类型。

避雷器设备设置在架空线路中，当出现雷击事件之后，会通过避雷器设备，将超出规模的总量条件进行引导，并使大量的感应电流结构传导到地下，完成分流处理。由此，在控制绝缘子两端电压的同时，防止线路设备遭到损坏，维护整体结构的避雷效果[1]。但是一旦这种避雷器设备出现老化与故障风险，就会在应用过程中，降低使用质量，影响整体结构的使用效果，产生较为严重的故障风险，在出现雷电感应过电压超标问题的同时，会发生较为严重的故障。而在绝缘子闪络故障中，在遭受到雷击的条件下，会对设备中的绝缘子造成影响，并在传导过程中影响10kV线路系统中的正常传导水平，对整体结构造成安全隐患，甚至直接出现设备的受热残损问题。

2  雷电感应过电压模拟实验的计算方式

感应过电压数值计算中，需要将放电的雷电流模型作为数据基础，在分析不同距离的电磁场分布的计算中得到具体数值。然后，再根据线路与电磁场的耦合关系数值，计算不同电磁场分布条件下所产生的感应过电压条件。

计算方法上，平行多导线的FDTD算法较为常见，是构成技术分析的基础。受到外部分布式的电磁激励源的影响，会在如图1所示的模型结构中，形成导体传导系统，并在计算方法上，总结出MTL方程：

式中U（x，t）与I（x，t）分别代表了电压状态和电流向量。R为长度导线，C为电容矩阵。ET（x，t）为导线电场的平行分量，IB为流出输电线路的分支电流向量参数。通过MTL方程的计算分析，可以确定各坐标点位与时间参数影响下的离散数值，并将电压对应到相应的节点条件上，形成离散型的电压、电流数据。以此，完成对分支节点的正常描述，形成电压变量的迭代变化条件。

完成参数计算之后，需要按照特定的模型结构，安装绝缘子杆塔设施。通过对绝缘子模型的简化处理，使其转化为一个良性开关结构，在绝缘子两端的电压参数上，都调整在1.5倍的临界值以上，使其能适应闪络电压CFO条件，并在绝缘子出现闪络时，维持开关的闭合状态[2]。另外，在统计CFO数值的过程中，需将闪络概率设定在50%，通过对间隙放电条件进行分析，确定1.5为具体变化系数，以此保证模型分析的合理性。

另外，在雷电磁场的与传输参数的影响条件下，需要对公式条件做出适当的调整，尤其在对等量电导率进行论证的过程中，需要对理想数值与实际数值进行对比分析。在确定差异变量的同时，找到重合与相似的计算交叉点。以此完成后续的完整计算内容。

3  模拟实验中的雷电感应过电压特征说明

3.1  线路过电压状态的最大感应数值

通常情况下最大状态的感应过电压数值，会受到雷电电流幅值、配电线路对地高度、雷击点与线路距离这三个条件参数的影响。而在Rusck公式中，对最大感应过电压的分析，需在以上三个数值条件之上，添加雷电先导中的回波速率参数，通过对其与光速比值条件的分析，确定最大雷击感应过电压的变化数值条件。而在前文提到的计算方法下，感应过电压的数值表现，还会受到雷电流波、回波速率、大地电导率、接地电阻数值等多种数值条件的干扰，形成差异化的计算结果数据。在进行计算分析的过程中，可以确定基础的运算数值条件，并在固定参数的指导与引用下，保证后续统计分析的合理性。

完成相关性的因素分析的同时，回波传播的速率水平与杆塔接地的处理方式，地感应过电压数值的影响效果较弱。所以在进行统计分析的过程中，可以适当地忽视此类数据条件，如果没有对统计数据做出特殊化的要求，在常规数值参数的分析中，无须对此类数据做出分析与计算，以此保证整体统计分析的效率水平。

如果回波速率的数值参数相对较高，当雷击点距离系统较近时，就会加快达到峰值数据的速率，并使与之对应的du/dt数值变大。然而在这一条件下，不会对对应的峰值结构造成影响。当波前时间缩短后，才会加快峰值的增长速率，并对峰值产生影响，使其远远高出波前时间的对应峰值数据。

3.2  大地导率特征下的数值变化内容

大地是一种非理想型的导体结构，在进行模型分析的过程中，无法得到标准的理想化数值。因此，在应用FDTD法进行计算的同时，需要使用特殊的公式进行分析计算，并在形成具体参数的过程中，对其中的应用数值进行总结，以便形成更具针对性的指导数据。

方法上，可假设10kV配电网络系统的具体建设参数，将配电线路长度拟定在1.5km，并使雷击点发生在50m坐标位置。在确定相对节点常数之后会在不同大地电导率水平的条件下，形成具体的线路末端电压波形[3]。由此，保证对于大地实际高耗能数据的模拟分析，实现对整体感电状态的论证。然后在统计变量，并绘制大地电导率效果图的作用下，可以发现大地电导率、电压衰减这两项数值之间的正比例关系。当拟定数值在合理区间范围内时，可以确定沿时间变量，对感应过电压分布状态进行分析与确认，并形成如表1所示的电压分布数值，确定这一数值变量环境中，大地电导条件的影响内容。尤其在图形的电压变量数值中，形成了雷电波折发射条件。由此，可以在雷电波的分量中，确定大地电导率在高频段的影响力水平，进而确定具有静电场效应的电磁场结构。

在对大地电导率等变量数值条件进行分析的过程中，可以总结出三种特异化的变化情况，即绝缘效果无穷大、杆塔绝缘子的理想状态、有损大地条件下的绝缘子安装。在这三种条件下，可以形成以雷击点为基础的对应数值。在进行对比计算的过程中，可以直接反映出电压波形的振荡变化效果。在形成终点末端电压的同时，端头位置的电压参数基本一致。所不同的是，在电导率水平降低的过程中，末端电压会在波形条件上，形成负峰值结构。形成原因上，主要受到雷電场与雷电波的影响，在大地有限电导率的影响下，形成这一异动现象。而雷电波在常规线路中进行传导时，在延伸的进程中会出现衰变。这种衰变现象，会在各分支结构中表现出相同的变量数值，并在波形逐渐增大的条件下，使电压的波形发生变化，甚至会在电压的结构中出现极性变化效果。

3.3  感应过电压概率与闪络特征

数值计算法的应用中，可以确定统计线路中的感应过电压参数。通过对雷电流概率的分布统计，确定雷电流幅值的取值区间。在应用蒙托卡罗法完成计算的过程中，需将雷击区域进行随机抽检，在获取抽样性雷击点的同时，分析出现雷击问题的随机概率。由此，可以对雷击所引发的最大感应过电压数值展开模型化的计算分析。在10000次的雷击模拟分布统计中，能够总结出所有数据中的电路产生次数，以及每年每百公里的线路，发生闪络问题的频率。

为了使抽样数据的合理性得到强化，还需对特定工作环境中的雷暴天数进行统计分析，在确定落雷密度条件的基础上，设定合理的雷击点影响宽度范围。由于大地的有损条件，在应用MTL模型的基础上，需要通过FDTD法完成计算。当不分析直接雷击的特殊案例时，可以对应地分析最大感应过电压的分布条件。然后，在对雷击引发线路进行汇总的基础上，找到普遍降低的类变化次数与电压普遍变化数值。通过这一变量数值的计算发现，当雷击次数的变化率降低后，相应的电压值也会有所下降，并在产生雷电数值变量的同时，减少出现线路故障与闪络问题的概率。当大地的电导率增加后，雷击的概率也会顺势减少，并在直击闪络率与感应闪络率的参数上，都呈现出下降的趋势。另外，在引导闪络问题的雷击事故中，直击类型的雷击情况，占有较大的比例条件，如果环境较为开阔，这一影响条件将更为明显。

4  结  论

综上所述，雷电感应过电压现象，容易诱发配电系统的功能故障。在系统管理与分析的过程中，务必要从基础的技术原理入手，对其中的应用条件与特征内容进行分析。由此，才能最大化地发挥模拟实验的应用优势，在找到具体故障问题的基础上，分析出现故障问题的特征条件，保证整体系统的完整性。

参考文献：

[1] 任正某，胡长金，孙振权.一种配电自动化真型综合验证测试平台的结构方案研究 [J].电子测试，2019（7）：5-7.

[2] 李维，王洪林.计及建筑物不同位置、高度对雷电回击电磁场的影响及对配网运维重要性研究 [J].电瓷避雷器，2019（1）：120-125+132.

[3] 郑亮，王潇煜，刘财华.基于EMTP的配电系统终端雷电感应过电压防护分析 [J].电瓷避雷器，2019（1）：164-168+173.

作者简介：练庆南（1989.08-），男，汉族，广东高州人，工程师，本科，工科学士，研究方向：10kV配网。