雷電過電壓下變電站開環點的運行研究

丁 健

（貴陽供電局，貴陽 550002）

雷電過電壓下變電站開環點的運行研究

丁 健

（貴陽供電局，貴陽 550002）

針對采用環網布置，開環運行的供電方式。分析變電站開環點，在雷電過電壓下的運行情況。為確保開環點的安全運行，從設備和運行兩個角度，提出防范措施，確保電網的安全可靠運行。

雷電過電壓；開環點；運行

1 引言

電力系統在運行中，通常采用環網布置、開環運行的方式[1]。如圖1所示，甲、乙各為220kV變電站，丙為110kV變電站。依據上述原則，丙變電站的供電一般采用甲主供、乙備用的方式，或反之。

圖1110 kV變電站典型的供電方案

在圖1所示的方式下，甲-丙聯絡回路的 1、2號斷路器在合閘位置。乙-丙聯絡回路的3號斷路器在合閘位置，4號斷路器在熱備用位置，丙變電站的 2、4號斷路器備自投保護投入。在甲-丙聯絡線路出現故障，1、2斷路器跳閘的情況下，丙變電站110kV備自投保護動作，將處在熱備用的4號斷路器合閘，恢復對丙變電站的供電。

在35kV或10kV系統，也通常會采用上述運行方式。例如對35kV變電站或10kV開閉所的供電，也通常采用環網布置、開環運行的方式。

本運行方式無疑提高了運行可靠性，但是在輸電線遭到雷擊等的情況下，雷電波向開環點傳播時，開環點的絕緣水平就要受到嚴峻的考驗。能否保證開環點的正常運行，就是十分值得關注的問題。在下面的論述中，將對輸電線路及開環點承受雷電過電壓的情況，進行分析。

2 輸電線承受雷電過電壓的種類及分析

作用于輸電線的雷電過電壓分為：雷直擊輸電線、雷擊于輸電線桿塔塔頂或避雷線后反擊于輸電線、雷擊于輸電線路附近的地面后電磁場的激烈變化而產生的感應過電壓三種情況。分析在不同情況下雷電過電壓水平，就能分析開環點的運行情況。

相關文獻介紹雷擊輸電線桿塔的次數，占雷擊輸電線的比例較小。并且雷擊避雷線后，反擊于輸電線的概率偏低，故這兩種情況在本文不作分析，而僅討論雷直擊輸電線和雷擊輸電線路附近地面的感應的過電壓情況。

2.1 雷電過電壓沿輸電線的傳播

雷電過電壓的典型波形如圖2所示[4]。

圖2 雷電過電壓的典型波形

2.2 雷直擊輸電線

110 kV電壓等級的輸電線一般全線裝設避雷線，35kV及以下電壓等級的輸電線則沒有全線裝設避雷線。當輸電線上承受大于絕緣子的雷電過電壓時，就發生對地閃絡。而當輸電線上承受小于絕緣子的雷電過電壓時，雷電過電壓就沿輸電線傳播。

絕緣子的正極性雷電沖擊閃絡電壓較負極性低[5]，所以輸電線對地閃絡的條件為雷擊過電壓的峰值，大于輸電線絕緣子正沖擊50%放電電壓U50%。所以計算絕緣子串的正沖擊50%放電電壓，就可以推算在輸電線上傳播的雷擊過電壓的峰值。計算絕緣子串的正沖擊50%放電電壓U50%[2]如式（1）所示，其中m為絕緣子個數。

（1）雷擊 110kV輸電線時的絕緣子串的正沖擊50%放電電壓。

因110kV電壓等級為中性點直接接地系統，當某一相輸電線的絕緣子串承受的雷擊過電壓≥U50%時，輸電線就會發生沿絕緣子串的對地閃絡，線路跳閘。

110 kV等級輸電線普通絕緣子片數為7片[3]。

（2）雷擊10～35kV輸電線時的絕緣子串的正沖擊50%放電電壓。

因該電壓等級一般采用中性點不接地系統，當某一相輸電線的絕緣子承受的雷擊過電壓≥U50%時，該相輸電線絕緣子就會發生對地閃絡，但線路不會跳閘。當反擊第二相輸電線，形成相間短路后，才會引起線路跳閘。

1） 雷擊 35kV 輸電線時的絕緣子串的正沖擊50%放電電壓。

35kV等級輸電線普通絕緣子片數為3片[3]。

2）雷擊 10kV輸電線時的絕緣子串的正沖擊50%放電電壓。

10kV等級輸電線普通絕緣子片數為1片。

從而得到10～110kV電壓等級輸電線上雷擊過電壓能夠沿輸電線傳播的峰值，見表1。

表110-110kV電壓等級輸電線上雷擊過電壓能夠沿輸電線傳播的峰值

2.3 雷擊輸電線路附近地面的感應

當雷擊于輸電線附近的地面時，會在輸電線上感應過電壓。計算該過電壓峰值的近似公式如下[2]：

式中，I為雷電流峰值，單位kA。hd為輸電線懸掛的平均高度，單位為 m；S為直接雷擊點距輸電線的距離，單位為m；一般感應雷過電壓的峰值可達300～400kV。

3 雷電過電壓沿輸電線傳播的波過程

當輸電線上雷電過電壓時，雷電波就沿輸電線向兩側傳播，如圖3。

圖3 雷擊輸電線時雷擊過電壓向兩側傳播示意

以圖1為對象進行分析，假設3、4斷路器之間的輸電線過電壓，且過電壓的峰值又小于絕緣子串的 U50%放電電壓時，雷電波就會沿輸電線向 3、4斷路器兩個方向傳播。當雷電波向斷路器3方向傳播時，就會沿輸電線傳入乙變電站（略）。當雷電波向斷路器4方向傳播時，因為4號斷路器處于斷開位置，此時就會發生波的反射。設雷電波沿輸電線傳輸的始點到斷路器4的距離為L，雷電波波速為v，雷電波過程的傳播時間為t。當雷電波在到達斷路器 4之前，即 0＜t＜L/v時段，波的傳播如圖4（a）所示。當雷電波在到達斷路器4之后，由于開環點處是開路的，產生反射，即L/v＜t＜2L/v時段。此時反射波的大小和入射波相等，且沿輸電線向相反的方向傳播，波的傳播如圖4（b）所示。反射波和入射波相互疊加，將使輸電線上的過電壓變為原來的兩倍，即2U。

圖4 雷擊過電壓波沿輸電線的傳播和反射

在 L/v＜t＜2L/v時段，開環點承受的電壓除雷擊電壓波外，還要承受工頻的運行電壓。此時 U＜U50%，計算2倍U50%，就可知2U的最大值。計算各電壓等級開環點承受的雷擊過電壓峰值如表2所示。其中，因為10kV輸電線絕緣子的U50%峰值為269kV，所以在輸電線上傳播的感應過電壓在等于U50%時，就已經發生對地閃絡。

表2 各電壓等級開環點承受的雷擊過電壓峰值

4 雷擊過電壓時開環點的運行情況分析及防范措施

按照 GB11022-89《高壓開關設備通用 技術條件》，高壓開關設備的額定絕緣水平如表3。

表3 高壓開關設備的額定絕緣水平

由表3可知，高壓開關設備的隔離斷口額定絕緣水平，大于對地、相間及普通斷口。當沿輸電線進入變電站開環點的雷擊過電壓，大于高壓開關設備的對地、相間額定絕緣水平時，就發生閃絡，從而造成設備事故。

在實際運行中，開環點的設備遭受雷擊過電壓損壞的情況時有發生。為降低雷害造成的損失，提高系統運行可靠性，必須從多方面入手，制定防范措施。

4.1 加裝開環點避雷器

加裝開環點避雷器是提高開環點運行水平的有效方法。金屬氧化物避雷器的電氣特性如表4[6]。

當雷擊過電壓沿輸電線傳播到達避雷器，并達到避雷器的放電電壓時，雷電流通過避雷器入地。而此時避雷器對地的最大電壓峰值，即避雷器上的殘壓，就是加在開環點高壓開關設備承受的過電壓峰值。對比表2、3、4，加裝開環點避雷器后，開環點的承受的雷擊過電壓峰值大大降低，從而提高了開環點的運行可靠性。對于運行變電站的未加裝避雷器的開環點，要及時加裝。對于新建變電站，從設計之初就應考慮建成后的系統運行方式，在開環點加裝避雷器。

表4 典型的變電站用避雷器參數

4.2 通過提高線路的防雷水平，來降低傳播到開環點的雷電過電壓概率

（1）在絕緣子上裝設保護間隙

保護間隙與絕緣子串并聯，保護間隙的伏秒特性的上限，低于被保護設備的伏秒特性的下限。當雷電波通過保護間隙與絕緣子串構成的并聯回路時，保護間隙首先擊穿放電，從而避免絕緣子串承受過高的電壓。

（2）裝設線路避雷器

對于重要線路，并在投資允許的情況下，在輸電線上裝設避雷器，甚至沿全線每基桿塔裝設，能大幅度提高輸電線的防雷水平。

（3）降低桿塔接地電阻

按照線路防雷的要求，桿塔的接地必須符合要求，這包括工頻接地電阻和沖擊接地電阻兩部分。通過降低桿塔接地電阻，降低雷擊桿塔的閃絡率。

（4）避雷線采用較小的保護角

當采用較小的保護角時，能降低輸電線受到雷擊的概率，也就降低了雷擊過電壓在輸電線上傳播的概率。

4.3 采用合上開環點斷路器的運行方式

當采用避雷器作為開環點保護時，不能排除小于避雷器動作值時，雷電波到達開環點后發生波的反射，疊加后的雷電過電壓大于開環點的絕緣水平的情況。因此可以建議采用合上開環點斷路器的運行方式。特別是針對雷害比較嚴重的氣象條件，可以采用這種特殊的運行方式，這樣系統運行就沒有開環點。當雷害嚴重的氣象條件過去后，再恢復開環點的運行。

4.4 采用電纜供電

對于重要線路，采用電纜供電，降低遭受雷害的概率，提高運行可靠性。

5 結論

針對采用環網布置、開環運行的方式，分析了開環點在雷擊過電壓下的運行情況。為確保開環點設備在雷擊過電壓時的安全運行，本文從設備和運行兩個角度，提出相應的防范措施。對于提高系統運行可靠性，具有一定的參考價值。

[1] DL/T584-1995.3-110kV電網繼電保護裝置運行整定規程.

[2] 過電壓及保護.武漢水利電力學院.北京:水利電力出版社,1977.8.

Research on the Annulus-open Point Function in Transformer Substation when Thunder Overvoltage

Ding Jian
（Guiyang South Power Supply Bureau, Guiyang 550002）

Aim the way of power supply, that round arrange and annulus-open function. Analyze the condition of annulus-open point function in transformer substation, when thunder overvoltage. In order to ensure safe function, bring forward the forefend measures, by equipment and function。

thunder overvoltage；annulus-open point；function

丁 健，貴陽供電局電網建設中心，高級工程師，工程碩士。