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提高架空配电线路耐雷水平的仿真分析

摘要：架空配电线路常用的防雷措施有：架设避雷线、安装避雷针、降低杆塔

接地电阻、提高线路绝缘水平、采用“不平衡”绝缘布置、绝缘子加装保护间隙和

分段布置金属氧化锌避雷器（MOA）、采用架空绝缘电缆等。架设避雷线的方法

费用较高，且对于感应雷过电压占主导影响的配电线路防雷效果不明显，按规程

规定架设即可。降低杆塔接地电阻是最经济而有效的措施，但对于高电阻率土壤，

实现难度较大。

关键词：架空配电线路；氧化锌避雷器；ATP－EMTP；数值计算；

为了提高配电网抵御雷电灾害的能力，通过定量计算，提出了有效的防雷措

施。利用ATP－EMTP仿真软件，结合规程算法计算几种绝缘子配置方案下的耐

雷水平。采用数值计算方法，借助Fortran语言，建立了有限长线路两端接非线

性负载时的感应雷过电压数学模型，计算氧化锌避雷器（MOA）安装间距与线路

闪络降低百分数之间的关系曲线。

一、仿真模型的建立

选择ATP－EMTP仿真软件搭建模型，结合工程实例，计算线路耐雷水平。

（1）雷电模型。ＡＴＰＤｒａｗ程序中有直接输入波头时间和波尾时间参数的

雷电流模型。仿真中取１２．３３％概率的雷电流幅值８０ｋＡ，负极性１．２

／５０μｓ波形，作为研究中的主要波形。（2）杆塔模型。仿真中杆塔模型采用

波阻抗模型。根据杆塔的结构尺寸和导线悬挂点的位置将杆塔波阻抗分为几部分，

考虑到横担的影响，本文的波阻抗选择125Ω，波速取210ｍ／μｓ。（3）输电线

路模型。站内线路采用连续换位的Ｃｌａｒｋｅ模型，站外输电线路采用π型架

空线路模型。在整个计算中，为可靠起见，忽略波在传播过程中的各种损耗。

（4）绝缘子模型。绝缘子模型利用压控开关模拟。（5）避雷器模型。MOA伏安

特性采用分段线性函数模型来模拟。（6）变压器等电气设备模型。雷电侵入波

具有等值频率高和维持时间短的特点，变电站设备如变压器、隔离开关、互感器

等，均可视作电容元件。

二、数值计算方法

计算1.基本条件。对计算条件作如下假定：（1）由释放束缚电荷产生的感应

电压分量被忽略，仅考虑主放电回击过程中产生的静电效应和磁效应所形成的感

应电压。（2）沿先导通道的电荷分布是均匀的，雷击垂直于大地。（3）主放电

回击的速度是恒定的，与光速呈一定的比例关系。（4）架空导线是理想导线，

没有损耗。且大地是良导体。

２．基本模型与方程。选用空间直角坐标系，不失一般性，取雷在地面（ｘ

ｙ平面）的落雷点为坐标原点，ｚ轴为雷电通道的中心线，导线到雷电通道最近

距离为ｙ０，平均高度为ｈ，且沿着ｘ轴方向。导线上的实际电压称为感应电压，

然而，施感电压是产生感应电压的原因，是感应电压微分方程中的强迫函数或源。

不考虑线路的损耗，配电线路可由分布函数表示，每一个小单元均由串联电感和

并联电容组成。

三、计算结果比较分析

不用绝缘子配置方1.案计算结果。结合工程实例，对６～35ｋＶ线路直线杆

型绝缘子各种配置方案进行ＡＴＰ－ＥＭＴＰ仿真和规程法计算，６／10ｋＶ线

路绝缘子中相采用针“式”，两边相采用棒式“”的“一针两棒”的不平衡布置时，可

以使双相临界闪络电流＞38ｋＡ，相对最严重布置方式，雷击跳闸率降低了８

４．２％，可以作为最优方案的选择对象。由表２可知：３５ｋＶ线路绝缘子采

用不平衡布置时，雷击跳闸率降低不明显，建议三相均采用复合绝缘子Ｓ2－35，

较三相均采用Ｓ－280棒式绝缘子，雷击跳闸率可降低34.5％。另外，感应雷害

在配电线路的雷击跳闸中占绝大多数，故配电线路的防雷重点应放在感应雷害的

防治。

2.MOA不同安装间距计算结果。在雷击点离导线最小距离一定的条件下，雷

击点离MOA越远，线路上的最大感应雷过电压越高，因此最大感应雷过电压出

现在两个MOA连接导线的中间，为进一步简化计算，假设雷击点不在两个MOA

之间的区间的感应雷过电压等同于雷击所在的这个区间，即图２中的ＡＡ′和ＢＢ′

等的感应雷过电压分布与ＡＢ相同，很明显，这一假设将使计算结果略为偏大，

及偏安全值。根据对称性及电路理论的基本性质，可将Ｏ及Ｏ′点断开并且并联在

一起，这样可按图1来分析和计算导线接有ＭＯＡ时的感应雷过电压问题。

图1接有MOA的导线与雷击点等效示意图

当末端接MOA时，由于引进了非线性元件，叠