王吉文

（國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，合肥230000）

雷擊電暈對輸電線感應(yīng)電壓的影響

王吉文

（國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，合肥230000）

當(dāng)輸電線因受雷擊產(chǎn)生電暈放電時，電暈會發(fā)生電離、復(fù)合等物理過程，并且伴隨著熱效應(yīng)，由于電暈放電的影響，會造成輸電線的過電壓值增高，而且電暈會產(chǎn)生高次脈沖電流，并形成一定的輻射，對電子信號的傳輸造成一定的干擾。利用Agrawal耦合模型以及回?fù)綦娏髂Ｐ?，采用FDTD算法，研究了電暈對輸電線不同位置處感應(yīng)過電壓的影響。結(jié)果表明，輸電線路電暈的存在，在一定程度上提高了感應(yīng)過電壓值，且電暈對輸電線不同位置處的感應(yīng)過電壓的影響不同。

輸電線；Agrawal；過電壓；電暈

0 引言

當(dāng)輸電線因受雷擊產(chǎn)生電暈放電時，電暈會發(fā)生電離、復(fù)合等物理過程，并且伴隨著熱效應(yīng)，由于電暈放電的影響，會造成輸電線的過電壓值增高，而且電暈會產(chǎn)生高次脈沖電流，并形成一定的輻射，對電子信號的傳輸造成一定的干擾。因此，研究電暈對輸電線過電壓的研究，有利于深入的了解雷電在輸電線上的過電壓以及電暈現(xiàn)象，并且能夠了解電暈形成、發(fā)展的整個微物理過程。研究所得結(jié)論能夠為輸電線路的設(shè)計以及對跳閘事故的防護(hù)提供一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)外有很多學(xué)者對雷電感應(yīng)電壓方面進(jìn)行了研究，侯牧武等[1]針對雷擊輸電線產(chǎn)生的過電壓對其的影響，研究了輸電線的耐雷水平，并對不同種過電壓的計算方法進(jìn)行了對比分析，選取了較為合適的方法與實際的試驗結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。李明貴等[2]利用雷電過電壓計算模型，對輸電線路的耐雷水平的影響因子進(jìn)行了分析，并且結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境以及氣象因子，提出了防雷保護(hù)措施。舒海蓮等[3]分別對110 kV、220 kV輸電線的耐受雷電壓水平進(jìn)行計算，主要研究了在不同種的雷擊方式情況下，不同線路的耐雷水平。王偉等[4]針對雷電引起輸電線跳閘率的問題，對超高壓輸電線的耐受雷電壓水平進(jìn)行了計算，從而有效地減少了雷擊引起的線路跳閘率。張秀斌等[5]利用EMTP電磁計算程序研究了線路末端空載以及線路不對稱情況下，對輸電線的工頻感應(yīng)進(jìn)行計算，分析了線路因雷擊發(fā)生閃絡(luò)的原因以及對雷電引起線路故障提出了保護(hù)方案。王劍等[6]對酒泉330 kV輸電線路的雷擊過電壓進(jìn)行了計算，然后采用了EMTP電磁模型對線路工頻過電壓進(jìn)行了研究。袁海燕等[7]利用ATP-EMTP電磁軟件，建立了660 kV高壓的耐受雷擊過電壓計算模型，并利用實驗數(shù)據(jù)對過電壓計算模型進(jìn)行了驗證，然后研究了桿塔的接地電阻、高度等對輸電線的耐雷水平進(jìn)行了計算。還有很多學(xué)者[8-13]利用不同的方法對雷電過電壓進(jìn)行了研究。

然而，目前大多數(shù)的研究都是基于雷擊大地時，感應(yīng)過電壓的計算，而實際情況下，雷電更易擊中高大建筑物，如高塔等，但國內(nèi)外對于電暈對輸電線感應(yīng)過電壓的計算相對較少。因此，研究了電暈對感應(yīng)過電壓的影響。

1 輸電線過電壓計算

1.1 閃電回?fù)綦姶艌鲇嬎?/h3>

筆者的計算模型示意圖如圖1所示，從圖中可以看出，假定閃電通道垂直于大地，并且模擬的空間呈現(xiàn)軸對稱特征，因而筆者采用二維柱坐標(biāo)下的FDTD算法來計算雷電回?fù)綦姶艌觥?/p>

圖1 基于2D FDTD算法的計算模型Fig.1 Model 2D FDTD algorithm

采用TM波的差分形式，包含三個物理量，分別為Er、Ez和Hφ。其對應(yīng)的Maxwell旋度方程為

通過離散差分過程后，可以得到FDTD的表達(dá)式：

上文中已經(jīng)對數(shù)值穩(wěn)定性條件有了介紹，即需要滿足：

在本文中的FDTD計算模型中，設(shè)定的空間大小為1 500 m×2 000 m，空間步長為5 m，時間步長為5 ns。采用一階Mur吸收邊界。

1.2 時域有限差分方法對Agrawal模型實現(xiàn)

對耦合模型的差分分別兩種情況，一為在耦合中忽略大地阻抗的作用，此時將時域的Agrawal方程組進(jìn)行一階差分離散，可得：

若考慮阻抗項所帶來的影響，則可以采用二階差分的方法，對Agrawal耦合模型方程組進(jìn)行二階差分，得到以下表達(dá)式：

2 電暈對輸電線過電壓的影響

Thang等[14]在電暈放電試驗的研究中，采用了導(dǎo)線的半徑的大小來代替電暈的強(qiáng)度，Carneiro等[15]根據(jù)EMTP電磁計算軟件，研究了雷電流浪涌沿在輸電線上的電暈放電模型。

假設(shè)圓柱體導(dǎo)體的半徑為，輸電線表面電暈起暈時的電場強(qiáng)度為，有研究學(xué)者提出了輸電線放電時的，起暈電場強(qiáng)度與圓柱體導(dǎo)體半徑的關(guān)系表達(dá)式為

在上述計算表達(dá)式中，m為輸電線的表面系數(shù)。

在輸電線表面電暈起時的臨界電場強(qiáng)度分別為：Ecp（正電場強(qiáng)度）、Ecn（負(fù)電場強(qiáng)度），則極性如下公式所示：

在雷電過電壓的影響下，在輸電線表面的電荷與電壓之間存在正的線性相關(guān)性的關(guān)系，即雷電在輸電線表面形成的電壓越大，導(dǎo)線的表面的電荷量也高，但電壓值超過臨界電壓Uth時，電荷開始呈顯著性的變化趨勢，這一過程，采用動態(tài)電容計算表達(dá)式為

式中：C0為輸電線路沒有電暈發(fā)生時的等效單位長度電容；k1（≥1）為輸電線表面的電暈電壓值超過臨界值Uth后，電荷量與電壓之間的變化常數(shù)，一般取值 1.5－3.0；k2（≥1）為輸電線表面的電暈電壓值超過電暈起暈電壓Uth后，電壓逐漸增加的相關(guān)常數(shù)。

輸電線電暈?zāi)Ｐ蛯τ嬎憬Y(jié)果有較大的影響，分析中取k1=1.2，k2=4.8，Uth=29 kV/cm比較合理。此外，還有另一計算公式：

B的計算公式為

式中，r為導(dǎo)線的半徑。輸電線電暈起始電壓可由Peek公式來計算：

式中，Eth（kV/cm）為輸電線表面臨界起暈場強(qiáng)，按下式計算：

式中，ms為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)。

當(dāng)輸電線中心點距離閃電通道的距離選取60和200 m，地面均勻電導(dǎo)率為0.01 S/m，輸電線長度為1200 m，距離地面10 m高時，本文計算出了雷擊地面時有無電暈情況下在輸電線中點以及端點位置處的感應(yīng)過電壓值。圖2、圖3分別為輸電線中點與閃電通道60 m、200 m時有無電暈情況下不同位置處感應(yīng)過電壓。從圖中可以看出，輸電線路電暈的存在，在一定程度上提高了感應(yīng)過電壓值。對于圖2，輸電線中點與閃電通道60 m時，在有電暈存在時，計算出的輸電線中點位置處的過電壓峰值為100.8 kV，而無電暈時計算出的輸電線中點位置處的過電壓峰值為84 kV，從中可以看出，有電暈的存在使得輸電線中點位置處的過電壓峰值提高了20%；在有電暈存在時，計算出的輸電線端點位置處的過電壓峰值為44 kV，而無電暈時計算出的輸電線端點位置處的過電壓峰值為40 kV，從中可以看出，有電暈的存在使得輸電線端點位置處的過電壓峰值提高了10%。對于圖3，輸電線中點與閃電通道200 m時，在有電暈存在時，計算出的輸電線中點位置處的過電壓峰值為33.6 kV，而無電暈時計算出的輸電線中點位置處的過電壓峰值為30 kV，從中可以看出，有電暈的存在使得輸電線中點位置處的過電壓峰值提高了12%；在有電暈存在時，計算出的輸電線端點位置處的過電壓峰值為14.84 kV，而無電暈時計算出的輸電線端點位置處的過電壓峰值為14 kV，從中可以看出，有電暈的存在使得輸電線端點位置處的過電壓峰值提高了6%。

對比于圖2、圖3可以看出，當(dāng)輸電線中點位置與閃電通道水平距離越遠(yuǎn)時，電暈對輸電線過電壓峰值的提高越小。

圖2 輸電線中點與閃電通道60m處有無電暈時不同位置處感應(yīng)過電壓Fig.2 The induced overvoltage at different locations,the midpoint of transmission line and the lightning channel 60m with or without corona

圖3 輸電線中點與閃電通道200m處有無電暈時不同位置處感應(yīng)過電壓Fig.3 The induced overvoltage at different locations,the midpoint of transmission line and the lightning channel 200m with or without corona

3 結(jié)論

當(dāng)輸電線因受雷擊產(chǎn)生電暈放電時，電暈會發(fā)生電離、復(fù)合等物理過程，并且伴隨著熱效應(yīng)，由于電暈放電的影響，會造成輸電線的過電壓值增高，而且電暈會產(chǎn)生高次脈沖電流，并形成一定的輻射，對電子信號的傳輸造成一定的干擾。作者主要利用時域有限差分方法，以及Agrawal耦合模型，建立了輸電線感應(yīng)過電壓計算模型，研究了電暈對感應(yīng)過電壓的影響。主要得出了：輸電線路電暈的存在，在一定程度上提高了感應(yīng)過電壓值，輸電線中點與閃電通道60 m時，有電暈的存在使得輸電線中點位置處的過電壓峰值提高了20%，使得輸電線端點位置處的過電壓峰值提高了10%。輸電線中點與閃電通道200 m時，有電暈的存在使得輸電線中點位置處的過電壓峰值提高了12%，使得輸電線端點位置處的過電壓峰值提高了6%。當(dāng)輸電線中點位置與閃電通道水平距離越遠(yuǎn)時，電暈對輸電線過電壓峰值的提高越小。

參看文獻(xiàn)：

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Effect of Corona on the Induced Voltage power Lines

WANG Jiwen
（State Grid Anhui Electric Power Company，Hefei 230000，China）

When the transmission line generate corona discharge caused by lightning strikes，corona will occur ionization composite physical processes，and accompanied by thermal effects，due to the influence of corona discharge will cause overvoltage of transmission line increased，and the corona will produce high current pulses，and a certain radiation，the transmission of electrical signals to cause some interference.In this paper，by using Agrawal coupling model and return stroke current model，and based on the FDTD method，the influence of corona on overvoltage at different locations of the transmission line are studied.The results show that，the corona of the transmission line，to a certain extent，improves the induced overvoltage，and the influence of corona on the induced overvoltage at different locations of the transmission line are different.

transmission line；Agrawal；overvoltage；corona

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.026

2016－11－16

王吉文（1969—），男，高級工程師，主要研究方向：電力調(diào)度運行、設(shè)備檢修、規(guī)劃設(shè)計、電網(wǎng)基建等。