雷电过电压作用下配电网SPD配合保护研究

刘 晴，池景冬，潘海娃

（台州市气象局，浙江 台州 318000）

0 引 言

电力系统的稳定性跟外部环境有关，日常生活中最常见的两种过电压是直接雷电过电压和雷电反击过电压。其中，雷电过电压的形式又包括雷电侵入波过电压和感应雷过电压两种。雷云直接对电气设备进行放电的过程叫做直接雷电过电压。通过对电力系统中的避雷线放电，从而产生不同程度的电压，这一过程叫做雷电反击过电压。感应雷电过电压的形成原理是在电力系统周围发生闪电现象，电气设备会感受到大量的束缚电荷，最终形成过电压。雷电侵入波会对电器设备造成严重的损坏。配电网是保障电力系统正常运行的关键点，提高配电网的性能能够有效提高用户用电质量。SPD对电力系统进行了优化创新，可以根据用电情况进行分析，有效控制电流分配，让系统配置和智能化程度更高。在雷电过电压的作用下探究配电网SPD的配合保护方法，可确保配电网的安全性和稳定性。

1 雷电过电压作用下配电网SPD配合保护

1.1 选取SPD的级间配合方式

通过了解SPD的级间配合，发现相互组合运行可以有效提高电力系统的保护性能。一种方法是将两个限压式SPD进行组合，实现性能保护；另一种方法是将限压式SPD和开关式SPD进行组合，最终增强电力系统的稳定性[1]。在本文研究中选取第二种模式，将开关式SPD和限压式SPD分别用来释放雷击能量和限制电压。选取合适的SPD的级间配合方式，以期更有效地实现保护电力系统。

将开关式SPD与限压式SPD进行组合，可以将配电网SPD配合保护电路分为3个阶段，第一阶段为泄流环节，第二阶段为限压环节，第三个阶段将电压控制到电器设备可以承受的范围[2]。通过3个阶段的相互配合实现了对配电网的保护，电压分配公式为：

式中，Ucy代表每个阶段两端的残压值；Uyj作为电流元件两端的降压；Ufp表示的是电压分配值。通过开关型SPD和限压型SPD之间相互配合，控制电压的强度，保持配电网的稳定性[3]。不同的SPD级间配合方式都会产生不一样的效果，综合两种方式，选取符合实际的方式，最大程度地达到配合保护效果。

1.2 构建雷电流模型

在雷电过电压的作用下，为了保证配电网的性能，根据上述限压式SPD和开关式SPD进行组合的方式构建雷电流模型。雷电流是指直接雷击时，通过被击物体而泄入大地的电流[4]。采用Heidler模型作为构建雷电流模型的基础，构建雷电流模型为：

式中，Ln表示雷电流幅动的值；m代表的是雷电流陡度值；I1表示电流上升的值；I2表示衰减时间[5]。利用构建的雷电流模型设置一个完整的配线系统，具体如图1所示。

在进行配线系统设计时，采用架空线路方式，选用了用电设备和配电变压器等设备，利用220 V线路贯穿整个配线系统。对不同的线路导线型号进行测量，选用合适的线路导线，将同一型号的导线按不同高度分为三组，并设定杆塔波阻值和电感平均值[6]。在对整个系统进行优化时，需要对雷电流的频谱进行分析，为雷电防护做准备，大多精密设备都是采用滤波的方法进行雷电防护。计算雷电流电磁场得到雷电流产生及运动的时间，通过控制雷电流的时间得到一个较为理想的防护方法。在雷电过电压的作用下构建的雷电流模型有利于确保配电网的稳定性和安全性。

1.3 实现阶段式保护

在雷电过电压作用下配电网SPD配合保护可以采取分段式保护方法，将整个电力系统分为不同的阶段进行保护，主要的电力系统保护阶段分为零序电流保护阶段、接地距离保护阶段以及相间距离保护阶段。每个阶段在进行保护时相互配合得到测量数据，并进行计算。在对电力系统进行SPD配合保护时，需要注意提前计算数据，避免同时进行计算和安装保护装备[7]。

在进行阶段保护时，由于电力系统每个阶段的电压值不同，电压控制的大小也不同，因此应当根据电力系统每个阶段的实际情况，在不同的线路中安装不同的保护设备，并制定合理的分段保护计划。为了不断提高电力系统的稳定性和安全性，实行阶段整定的保护方式，将电力系统分为3个阶段。在第二阶段保护的同时进行第一阶段保护，采用纵联的方式进行保护配合[8]。将第三阶段重新划分出来，独立地进行保护，以此作为用户用电的最后保障。分析每个阶段保护的联系，保证在每个阶段出现故障时可以分析故障原因，并实施保护措施。

2 实验与分析

2.1 实验准备

在进行配电网SPD配合保护时，需要测量电力系统供电的稳定性，选取一个供电区域给180户用户进行供电。分别选取两个电力系统的两个位置，两个位置的SPD的残压值不同。观察线路之间SPD的残压值与通流的变化情况，确定两个位置的电压值范围，如表1所示。

由表1可知，位置1选取的SPD残压值与电压值呈正向相关，且残压值增加的幅度较大[9]。位置2选取的SPD残压值与电流也呈正相关，但残压值增加的幅度相对较小。将这两处位置划分为阶段保护路线，将位置1分配在第一阶段，位置2分配在第二阶段。测试不同位置发生故障时，阶段保护的具体情况如表2所示。

表2 分段开关故障点保护动作情况表

通过选取的两个位置进行故障测试，发现对第一阶段的保护情况较多，观察不同阶段出现故障对电力系统造成的影响。

2.2 结果分析

通过上述的实验准备，确定好SPD的线路位置以及发生故障的路线，并确定4条线路分别标记为A1、A2、A3以及A4进行测试，得到传统方法和本文方法电力系统故障保护用时如表3所示。

表3 电力系统故障保护用时表

从表可知使用本文方法检测的电力系统保护用时比传统方法的电力系统保护用时短，经计算，在A1、A2、A3以及A4线路时本文方法比传统方法的保护用时分别缩短12 ms、9 ms、22 ms以及12 ms。由此说明，本文方法更有利于对电力系统进行保护。本文方法选取SPD的级间配合方式控制雷电过电压，使电压可以保持在电器设备承受范围之内。通过构建雷电流模型，控制雷电产生的电压时间，有利于确保配电网的安全性和稳定性。将电力系统分成不同的阶段，实现分阶段式保护。分析每个阶段之间的联系，当路线出现故障时，将保护用时控制到最短，以期能够有效解决电力系统的故障点。

3 结 论

本文探究了雷电过电压作用下配电网SPD配合保护，确保配电网的安全性能和稳定性能，优化配电网的保护措施，实现更高的电力质量。但本文未涉及配电网的稳定性能研究，且没有对配电网的安全性能进行测试，希望在今后的研究中对配电网的稳定性和安全性能进行测试，充分利用SPD智能配电系统对用电进行控制和分析。