输电线路感应过电压雷电感应因子的研究

程文锋 路军

摘要：本论文通过建立雷电通道模型，并充分考虑了上行先导、凸起物和雷电距离等综合因素，重新对雷电感应过电压进行推导，提出了雷电感应因子的概念。在分析雷电感应因子各参数中，以上行先导为中心，以它先导长度为横坐标，雷电感应因子为纵坐标，分别对上行先导、凸起物和雷电距离等进行了计算，求取了在目前配网输电线路下雷电感应因子的值区间。通过计算结果的分析，各影响因素除了能降低感应过电压的幅值外，也会在上行先导等因素的屏蔽作用下影响与雷云极性相反的雷电感应过电压。本论文的研究成果对于评估架空输电线路雷电感应过电压具有重要的参考意义。

关键词：雷电感应因子；上行先导；极性；屏蔽；电场；

引言

由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧变化，会在附近线路的导线上产生感应过电压。介绍感应过电压计算的文章很多，各种方法得到的感应过电压的理论计算值存在一定的差异，影响因素也比较复杂[1-3]。在电力行业规程对于感应过电压的计算有如下条款[5-8]：架空线路上的雷电过电压距架空线路S>65m处，雷云对地放电时，线路上产生的感应过电压最大值可用式（0-1）计算。

（0-1）

式（0-1）是通过雷电感应过电压形成机理进行计算和推导的，在计算和推导中是未考虑上行先导、凸起物等因素，同时式（0-1）中的参数值“25”是根据线路模拟试验、公式修正和苏联的一些经验确定。本论文将重新对雷电感应过电压进行建模和推导，提出了包含各种影响因素在內的雷电感应因子概念，它充分考虑了上行先导、凸起物、雷电距离和线路高度等因素。

1 输电线路感应过电压原理图设计

雷电的发展过程主要分为下行先导、上行先导和中和过程[2][3]，因中和过程为电荷消失过程，即感应过电压减小过程，所以目前对感应雷的研究主要在下行先导和上行先导相接触的瞬间。按计算雷电感应过电压静电分量极限值时，一般假设[6-7]：

（1）先导通道中的电荷是均匀分布的，其线电荷密度为k空间电场是由先导形成的；

（2）先导通道中的电荷在主放电时是全部瞬时被中和的；

（3）主放电通道是垂直向上的，不考虑放电分支的影响。

设雷云为负极性，并采用镜像原理进行分析，得出如图1所示的输电线路感应过电压原理图[11-12]。

图1 线路感应过电压分析原理图

图1中H为下行先导对地面的高度，可视为无穷大；h为上行先导顶端对地面的高度；s为凸起物的高度；P为输电线路的截面图，坐标（x0，y0）表示输电线路到雷电的垂直水平距离x0和到地面的高度y0。因将雷电放电通道可描述为垂直于地面的电荷通道，故通道内形成的电流所产生的磁场与输电线路平行，即输电线路的感应电压只有电场感应，无磁场感应。同时，通常雷电的放电通道在低部也是接近直线的。

在雷电发展过程中，上行先导是普遍存在的。目前通过大量的高速摄相机对自然雷电进行过拍摄，证明了它存在的普遍性。图2为试验室中采用高速摄相机所拍摄的视频截图。图2中的放电通道中电荷都是向上牵引，也说明了上面的雷云电极与放电通道的电荷极性相反，因而可以判断出放电的发展路径是由下往上迎接，为典型的上行先导。

图2 试验室中高速摄相下接闪图

2 输电线路感应过电压方程的建立

雷电主放电通道的线电荷密度 均匀且垂直于地面，图3为雷电通道按电磁场镜像原理进行处理，则可计算出输电线路P处电场强度的垂直分量EYP。

图3 采用镜像原理对雷电通道分析图

（2—1）

因 ，即电压为电场强度的积分。对式（2—1）的 进行0～ 积分（ 为地面到架空线路的高度），可得感应过电压为：

（2—2）

式（2—2）中，因H>> ，H>> ，取H=+∞，即把下行先导看成无穷，则式（2—2）为：

（2—3）

式（2—3）中，令 即感应过电压 ，K是一个无量纲的参数，包含了上行先导、凸起物、雷电距离和线路安装高度等，本论文称之为雷电感应因子。下面就雷电感应因子所包含的参数因子进行分析。

3 各参数对雷电感应因子的影响

3.1 上行先导对雷电感应因子的分析

上行先导是雷电发展中是普遍存在的，它的电荷极性与雷云相反，但其长度具有不确定性，一般在5～300米范围。取凸起物高度 =0m；输电线路高度 =15m；输电线路距雷击通道的垂直距离 =30m，则可计算出上行先导高度与雷电感应因子的关系如图4所示。

图4 上行先导对雷电感应因子的影响

由图4分析，上行先导对雷电因子值的影响范围在-0.4～0.5间。当上行先导在0～50米范围时，对雷电感应因子影响较大，且迅速地由正转为负。当上行先导高度大约在18米处时，雷电感应因子为零，即此时雷电感应电压为零。图4说明了输电线路雷电感应过电压因有上行先导屏蔽下行先导的特性，除了能降低感应过电压幅值外，也可以改变感应过电压的极性。

3.2 凸起物对雷电因子的分析

所谓的凸起物，主要是指地面尖端的放电通道，比如避雷针等，其通道内流动的电荷与雷云的电荷相同。取输电线路高度 =15m；输电线路距雷击通道的垂直距离 =30m；以雷电上行先导为横坐标，雷电感应因子为纵坐标，在取不同高度的凸起物时，其计算结果见图5。

图5凸起物对雷电感应因子的影响

由图5分析，随着凸起物高度的增加，雷电感应因子的曲线越平稳，且向中心零的位置靠拢。图5说明了凸起物的对雷电感应因子也会产生很大影响，且凸起物高度的增加，雷电感应因子值会减小，从而降低了感应过电压。

3.3 放电距离对雷电因子的分析

输电线路与雷击放电主通道的垂直距离对雷电感应电压也会有很强的影响，以上行先导为横坐标，雷电感应因子为纵坐标，并取凸起物高度 =0m；输电线路高度 =15m；在不同的输电线路与雷击放电主通道的垂直距离下的计算结果如图6。

图6 雷电距离对雷电感应因子的影响

由图6分析，无论输电线路与雷击主通道距离多远，在出现上行先导后，雷电感应因子迅速降下来。同时，随着输电线路与雷击主通道距离增加，雷击因子越来越平稳，且向上移动，变化的幅度也变小，主要在零值上方密集。图6说明了当输电线路与雷击主通道距离增加到一定程度时，雷电感应过电压影响越来越有限。当距离大于50m米时，由于上行先导的出现，雷电感应因子在零值上方处密集。

4 总结

本论文通过建立雷电通道模型，并充分考虑了上行先导、凸起物和雷电距离等综合因素下重新对雷电感应过电压进行推导，提出了雷电感应因子的概念。

在对雷电感应因子的分析中，着重考虑了上行先导的作用，除了说明它存在的普遍性外，还以它为横坐标，分别对上行先导、凸起物和雷电距离进行了计算，结果表明在目前配网下的输电线路下雷电感应因子的值主要集中在-0.5～+0.5，且與上行先导的长度有密切关系，当上行先导约在15米高度时，雷电感应因子的值在零值附近，随着上行先导长度的增加，雷电感应因子的值也会成反极性，这说明了感应雷的极性未必与雷云下的极性相同，在上行先导作用下会存现与雷云极性相反的雷电感应过电压。

通过上面分析，对于感应过电压的计算公式 分析，由于雷电感应因子K值比较小，所以感应过电压的幅值与电荷线密度 存在比较大的关系。

参考文献

[1] 文鸣鑫.架空配电线路雷电感应过电压的研究[M].华中科技大学硕士学位论文.2004年8月.

[2] 莫付江，陈允平，阮江军.架空输电线路雷击感应过电压耦合机理及计算方法分析[J].电网技术.第29卷第6期2005年3月

[3] 陈渭民 编著. 雷电学原理[M].气象出版社.2006年06月第1版.

[4] 严飞，何慧雯，谷定燮.特高压线路雷击塔顶时导线上的感应过电压[J].第32卷第l2期2006年l2月.

[5] 刘靖，刘明光，屈志坚，刘铁.不同地形条件下架空配电线路的防雷分析[J].高电压技术第37卷第4期2011年4月30日.

[6] 王希，王顺超，何金良，曾嵘.10kV配电线路的雷电感应过电压特性[J].高电压技术.第37卷第3期.2011年3月31日.

[7] 李化，林福昌，詹花茂.输电线路雷击感应过电压计算及闪络分析[J].高电压技术.第32卷第l期.2006年1月

[8] DL/T620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合