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雷电过电压研究中基于EMTP的配电线路模型建立与仿真研究
晋松浦，大沽野田，田明浅川和横山茂
摘要—最近，对于配电线路防雷措施的重点已经转移到了直击雷事故上。对于直击雷事故对策的研究，界内普遍使用了EMTP（电磁暂态仿真程序）进行数字仿真。本文首先展示了一种在对缩小尺寸的配电线路模型进行脉冲测试下得到的配电线路的浪涌响应，这次试验使用了FDTD方法（时域有限差分法），通过比较证明，FDTD法得到的结果是充分准确的。最后，本文说明了在EMTP模型中配电线路模型可以再现绝缘子上的过电压。配电线路模型的参数值可以由脉冲试验或FDTD仿真结果来确定。

关键词—混凝土杆塔、直击雷事故、配电线路、EMTP建模、FDTD法、地线、雷电通道、雷电过电压和相线。
第一章简介
架空输电线路上的雷电过电压可以大致分为两种：由附近雷击感应出的过电压和雷电直击架空线路产生的雷电过电压。对于前一种过电压（通常叫做感应过电压）的保护措施已经相当完善了。在日本，对于输电线路防雷措施的焦点已经转移到后一种过电压。而对于这种过电压防护措施的研究常常使用EMTP（电磁暂态仿真程序）进行仿真。因此，输电线路各个元件必须在EMTP中进行恰当的建模以此完成准确的仿真。对于输电杆塔的建模来说，过去的研究往往只注重杆塔的波阻抗而忽略了地线和相线。
因此，本文首先展示了一种在对缩小尺寸的配电线路模型进行脉冲测试下得到的配电线路的浪涌响应，这种小尺寸的配电线路模型包括一根混凝土杆塔，地线，相线和雷电通道。配电杆塔的波阻抗计算考虑了地线和相线的影响。通过改变雷电流的波前时间，来模拟在配电线路的不同位置的感应电压。脉冲试验使用了FDTD方法（时域有限差分法），通过比较证明，FDTD法得到的结果是充分准确的。最后，本文说明了在EMTP模型中配电线路模型可以再现绝缘子上的过电压。配电线路模型的参数值可以由脉冲试验或FDTD仿真结果来确定。
第二章在微尺寸配电线路模型下的脉冲试验
实验装置
图一展示了在试验中使用的微配电线路模型。该模型与实际的比例是6.3：1.我们使用了一个铝制圆柱体（以下简称电杆）来模拟钢筋混凝土电杆。其高2M，直径为35mm。
实验装置如图二所示。一片铜板被铺设在实验室地板上并接地。铜板是足够宽的，在实验中可以认为是无限大。实验室的天花板是高到足以忽略不计。雷电流是由一个放置在远处的脉冲发生器(NoiseLaboratoryINS-400L）产生的，并且通过同轴电缆（3D-2W）注入电杆杆顶（同轴电缆安装如图二）。
在同轴电缆末端有一个匹配电阻（540欧姆）安装在电缆中央和杆塔顶之间。
雷电流通过同轴电缆并到达杆塔塔顶，之后，雷电流的一部分向下进入杆顶，相反极性的雷电流沿外向上进入电缆金属屏蔽层的表面，因此，同轴电缆的金属屏蔽层就可以认为是雷电通道。当雷电流的反射波从大地到达杆顶，雷道的波阻抗就可以认为是1kΩ。

B.不同实验情况
在实验中分别测试了四种不同的情况。
情形1在没有地线和相线的情况下测量了单独电杆的波阻抗。雷电流是波前时间为3ns的阶梯状波形电流（以下简称阶梯雷电流）。当阶梯雷电流经过杆顶时，我们测量了杆顶和零电位线的电压（以下简称杆顶电压）。则电杆波阻抗被定义为杆顶电压最大值除以当时的阶梯雷电流。
情形2考虑了相线的影响。我们测量了只有三相线而没有地线的电杆的波阻抗，杆顶电压和相线与横担之间的电压（以下简称绝缘子电压）也在雷电流波前时间Tf分别是16ns(0.1μs),32ns(0.2μs),and48ns(0.3μs)的情形下测量。这里，括号里的时间值表示的是在真实尺寸下雷电流的波前时间Tf。
情形3考虑了地线和相线的影响。我们测量了此时电杆的波阻抗，与情形2一样，我们也在不同的波前时间Tf分别测量了杆顶电压和绝缘子电压。
情形4考虑了地线与相线的耦合。当阶梯雷电流流过地线，我们没有经过电杆直接测量了地线与零位线之间的电压（以下简称地线电压).同时我们也在雷电流注入一小段时间后测量了相线和零位线之间的电压（以下简称相线电压）。
本文中所有的测量波形都被归一化，使雷电流全部为1安培，这使各个情形能够得以比较。
C.独立杆塔的波阻抗
图三显示了情形1下的测量结果。不带相线和地线的独立电杆在注入雷电流后所测的波阻抗从测量结果计算得为约283Ω。
D.相线的影响
图四显示了情形2的测量结果。电杆在有相线但是没有地线的情况下，从测量结果计算得其波阻抗为267Ω。这比情形1少了16Ω（约6％），这可能是由于三根相线形成的电磁场影响所导致的。
比较图4中的(b)和(c),绝缘子电压达到最大值的时间要比杆顶电压提前1ns，并且绝缘子电压明显小于杆顶电压。其原因是雷电流反射波从地表提前到达横担而非杆顶（横担比电杆杆顶更靠近地表约16cm）。
雷电流波前时间对