一种典型的架空线路雷电感应过电压计算方法

一种典型的架空线路雷电感应过电压计算方法

张力

（合肥航太电物理技术有限公司安徽合肥230031）

摘要：架空线路的雷电防护是一项复杂的系统工程。本文针对雷电干扰的特点、规律和架空配电线路的工作模式，简述了架空线路雷电感应现象，分析了架空线路雷电感应过电压及其典型影响因素，开展了基于雷电电气-几何模型的架空线路雷电感应过电压计算，获得了遭遇雷击的物体高度和该物体诱发的上升先导对雷电感应过电压的影响规律，对于其他电力系统的雷电防护设计具有指导意义。

关键词：架空线路；雷电感应；过电压计算

0引言

雷电导致的架空配电线路故障是危害配电网安全稳定提供电力的主要原因之一。雷电易击中架空线路周围的土地或者建筑物产生雷电感应过电压，而架空线路的装置高度低、绝缘性弱、容易导电，这是造成架空线路雷电故障的主要原因，占其雷击故障概率的90%以上。我国开展了一系列的工作来应对配电线易被雷击中的问题，由于雷电感应过电压的基础理论研究滞后，导致研究效果并不理想。研究雷电过电压的计算过程、分析其的特殊性质，有助于优化架空配电设备的雷电防护方案，提高配电网在雷雨天稳定安全的供电能力。

1架空线路雷电感应现象

雷电是常见的一种自然现象，并且具有强大的自然破坏力量。放电发生在雷云与大地之间时就会引发磁场改变，从而引起架空线路过电压。

雷击大地或建筑物时，雷电率先中和一部分电荷，使其成为电中性，这部分电荷起先位于先导通道中，这个步骤称为主放电。由于主放电的速率有限，导线上原先由静电感应而被约束不能自由移动电荷的被逐步解放。假设先导通道中全部的电荷被瞬时中和，那么刹那间产生的雷电流I将向无穷大方向发展。在主放电进程中，导线能产生数值非常大的过电压，这是因为在雷电电荷被中和的进程中，同时会产生变化剧烈的强大磁场，由此形成电磁感应过电压。但是主放电通道和导线彼此垂直，余弦值为零，电磁感应效果不明显。所以架空线路雷电感应现象中的电磁分量远小于静电分量，约是静电分量的五分之一。两种分量峰值出现时刻不同，但静电分量一般在雷电感应过电压上起关键作用。

2架空线路雷电感应过电压及其影响因素分析

经研究发现，由公式（1）可估算架空线路中由雷电感应而产生的过电压：

（1）

根据公式的表达形式可以看出，雷击产生电流大小I、架空线路与地面之间的距离hd、距雷击点的间隔s和回击点与地面的距离h（即为接闪时雷电先导离地高度）影响过电压的大小。当线路中不存在上升先导（也称为迎面先导）过程，雷电直接击于地面，这时回击点与地面之间的距离h=0。那么，将h=0代入（1）中，可得：

（2）

此时由于雷电产生的感应过电压只由电流大小I、架空线路与地面之间的距离hd、与雷击点的间隔S决定，简化了计算过程。

3基于雷电电气-几何模型的架空线路雷电感应电压计算

基于雷电电气-几何模型，得到滚球半径hr与雷电产生的电流大小I有关，关系式为hr=10•I0.65。除此之外，滚球半径hr还与hd、S、h（架空线路与地面之间的距离、雷击点与架空线路之间的间隔、回击点与地面之间的距离）有关。

遭遇雷击时，回击点与地面之间的距离h可大致分为零和非零两类，接下来本文即将从这两方面来分析架空线路中由雷电产生感应电压的大小。

3.1接闪时回击点与地面之间的距离h为零

若h=0，既雷电击于架空线路周围的大地，那么公式（2）可用来估算架空线路中由雷电引发的感应过电压。hr与hd和距离S的关系可用图来形象直观地表示，如图1。

此时感应过电压只由雷击电流大小I、架空线路高度hd和距雷击点距离S决定，简化了计算过程。

图1h=0，hr、hd和S之间关系图

根据图1，可得出滚球的半径hr与架空线路距离hd、雷击点与架空线路的间距S的关系

（3）

将hr=10•I0.65代入（3）式，得：

（4）

根据上式可以得到，架空线路与雷击点的间距S受雷击电流大小I和架空线路高度hd影响。一个架空线路铺设完毕后，它距离地面的长度便是一定的，既hd为定值，此时由雷电产生的电流大小I决定架空线路与雷击点之间的间隔S，此时二者之间是指数函数关系，电流I越大，则架空线路与雷击点的间隔S就越大。

将线路与雷击点之间的距离S的关系式（4）式代入在架空线路中由雷电引发的感应过电压估算式（2）式中，可得：

（5）

3.2接闪时回击点与地面之间的距离h不为零

接收雷电时，架空线路周围的遭遇雷击的物体（如避雷针）与地面之间的巨鹿和它诱发的迎面先导的长度一起着控制着雷电先导与地面之间的距离。当雷电击中架空线路周围的时候，可将这些情形分为两类，分别是回击点与地面之间距离h小于等于架空线路与地面之间的距离hd和回击点与地面之间的距离h大于架空线路与地面之间的距离hd。前者可看作是架空线路与地面之间的距离是hd-h，雷电击于架空线路附近地面，这是可利用3.1的公式来估算。

对于第二种情形来说，在图2中表示滚球半径hr与架空线路与地面之间的距离hd、架空线路和雷击点的间距S和回击点与地面的间距h的联系，根据图2，它们之间的联系可用（6）式来表示。

图2接闪时回击点与地面之间的距离h不为零，且h＞hdh、hr、hd和S之间关系图

（6）

把hr=10•I0.65代入滚球半径hr表达式（6），计算并把复杂式子化为简单式子，可得：

（7）

由公式（7）不难看出，雷击电流大小I、回击点与地面之间的距离h和架空线路与地面之间的距离hd共同影响架空线路与雷击点之间的间隔S。

将（7）式代入架空线路中由雷电引发烦人感应过电压的估算式（1）中，可得：

（8）

经分析发现，当架空线路与地面之间的距离hd无限接近于回击点与地面之间的距离h时，hd≈h，s也无限趋向零，Us也趋向无穷，雷电击于与架空线路同等高度且离线路非常近的地方。事实上，如果雷击点与架空线路之间的距离相对来说比较小，线路会遭受到闪络的攻击。由此看见较大的电流击中架空线路附近且不在线路中产生闪络，这种现象发生的概率是微乎其微的。强雷电击中架空线路附近会发生闪络，闪络的距离受雷击电流大小、雷击点泄流阻抗的影响。

遵循独立接闪装置与被掩护的物体最小间隔距离条件，可把3m设置成为最小的间隔距离。当间隔距离S一定时，回击点与地面之间的距离h的最小值仅由线路与地面之间的距离hd决定。当架空线路与地面之间的hd一定时，回击一与地面之间的距离h也一定，Us的大小只是有电流的大小I决定。由于架空线路与雷击点之间的间隔S与由雷电引发的感应过电压Us存在一定关系，间隔距离S最小时，Us最大。因此，S是3m的时候，Us的大小由电流大小I控制的。架空线路与地面之间的距离hd、电流I为定值且回击点与地面之间的距离h为零时，Us最大值远小于回击点与地面之间的距离h为零时的Us最大值。这是由于当回击点与地面之间的距离h不为零时，雷电先导离架空线路比回击点与地面之间的距离h为零时近得多，相应由雷电产生的感应过电压比较高。

4结论

接收雷电时，线路周围的接闪物体（如避雷针）高度和该物体诱发的迎面先导长度共同着决定雷电先导距离地面高度。而架空线路中由雷电产生的感应过电压与接闪时雷电先导与地面之间的距离有一定的函数关系，Uhd=k，即反比例关系。因此，遭遇雷击的物体高度和该物体诱发的上升先导对雷电感应过电压的影响极大，是不能忽略的。本文中架空线路的雷电感应过电压计算方法和结论对于其他电力系统设计具有指导意义。

参考文献：

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[2]边凯，陈维江，李成榕，等.架空配电线路雷电感应过电压计算研究[J].中国电机工程学报，2012（31）.

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