1 000 kV 變電站雷電侵入波防護分析

張 榆，劉 念，秦 斌，徐 誠

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

0 引言

在中國的特高壓電網建設規劃中，將以1 000 kV 交流特高壓輸電為主形成國家特高壓電壓等級骨干的網架，以實現各大區域電網的同步強聯網，各級電網協調發展的堅強國家電網的戰略舉措，這也是今后大電網發展建設的主要趨勢［1］。2006年8月，國家電網公司晉東南—南陽—荊門1 000 kV 特高壓交流試驗示范工程開工建設，在2020年前后，將建成覆蓋華北—華中—華東的堅強的交流特高壓同步電網。

盡管特高壓線路由于塔高及走廊面積的因素，遭受雷擊的概率較低電壓線路增大，由于其絕緣等級高，雷擊跳閘率并不高，尤其絕緣子閃絡造成線路短路停運故障的概率很小。但對于特高壓進線段遭受雷擊反擊或繞擊后，未造成短路停運故障，雷電過電壓波傳入特高壓變電站會對電站二次設備，特別是特高壓變壓器造成嚴重的損害。

特高壓變電站的設備雷電過電壓絕緣水平和避雷器的布置方案，主要取決于雷電侵入波過電壓的計算結果。由于特高壓變電站在電網中位置重要，投資巨大，如果計算結果過低，則易造成變電站故障過多，對系統運行產生不利影響;而如果計算結果偏于保守，則會在經濟上會造成巨大浪費。因此，準確詳細地計算雷電侵入波過電壓對電力系統合理的絕緣配合以及安全運行很有意義［2］。

1 模型參數選擇

這里以中國某特高壓HGIS 變電站為工程背景，雷電模型、桿塔模型、進線段線路模型、絕緣子閃絡模型、避雷器模型均根據參數特點自己定義，變電站內的設備，如變壓器、隔離開關、斷路器、互感器、電抗器等，在雷電波作用下，均用等值沖擊入口電容表示。

1.1 1 000 kV HGIS 變電站等效電路圖

圖1 是該特高壓HGIS 變電站的等效電路圖，其采用雙斷路器雙母線接線方式，僅考慮一回出線(L1)和一臺主變壓器(T)運行，出線接至雙斷路器串，主變壓器經臨時接線連接兩條母線。

圖1 某特高壓HGIS 變電站電氣主接線簡圖

1.2 雷電模型

雷電流屬于單極性脈沖波［3］。對中國現行標準推薦雷電流幅值分布的概率P 為

式(1)中，I 為雷電流值，kA;P 為幅值大于I 的雷電流概率，選取1.44‰概率的雷電流幅值為250 kA，波形為2.6/50 μs，式(2)是該條件下雙指數波形的表達式。

1.3 進線段模擬

桿塔模型:實際上，雷電波沿桿塔傳播時，不同高度桿塔部分的單位長度的電感和電容都不相同，這就使得沿桿塔分布的波阻抗是變化的，在實際的工程計算中，桿塔的計算時采用多波阻抗模型，將桿塔分成幾部分模擬，計算結果比集中電感更符合實際［4］。這里計算的HGIS 變電站2 km 進線段內采用的是酒杯桿塔，且是單回輸電線路，其多波阻抗模型如圖2 所示。

線路進線段參數:這里進線段架空線路采用ATP－EMTP 中的頻率分析模塊“JMarti”模擬，忽略導線電暈。

1.4 絕緣子串模擬

圖2 進線段酒杯塔的多波阻抗模型

絕緣子串模型見圖3，圖中F(OUT)是輸出函數;DEV 52 是一個比較器，將絕緣子串兩側過電壓與其閃絡伏秒特性進行比較;MIN or MAX 是控制開關的輸出量，當絕緣子串過電壓曲線與其伏秒特性曲線相交時，此時判據部分給定一個輸出并傳給控制開關部分，控制開關部分將這一輸出保持，即絕緣子串發生閃絡［5］。

圖3 絕緣子串模型

1.5 設備參數

站內設備參數如表1 所示。

表1 站內設備等值入口電容及沖擊絕緣水平

圖4 避雷器的伏安特性曲線

圖5 某特高壓GIS 變電站電氣主接線簡圖

1.6 避雷器模型

1 000 kV 特高壓系統采用的金屬氧化物避雷器，額定電壓為828 kV，標稱放電電流為20 kA，雷電流保護水平為1 620 kV。ATP－EMTP 中避雷器生成的非線性伏安特性曲線如圖4。

2 仿真研究

2.1 模型建立

當所有條件給定，運用ATPDraw 可以畫出變電站雷電侵入波的仿真電路圖，并且填入各個模型的計算數據，調試運行程序即可得到計算結果。單線路單變壓器雙斷路器運行的仿真模型圖如圖5。

2.2 仿真結果

對于雷電流幅值250 kA 雷擊桿塔1 號，圖6 為主變壓器T 上的過電壓曲線圖，變電站內高抗R、出線CVT－L、主變壓器CVT－T 和主變壓器T 上最大過電壓幅值和出現時刻如表2。

圖6 主變壓器上過電壓波形

表2 各設備上的電壓最大值及出現時間

由表2 計算結果可知，避雷器初始配置方案在單線單變雙母線運行方式下基本滿足要求，采用引起絕緣子閃絡的最大繞擊電流30 kA，繞擊桿塔1號與桿塔2 號檔距時，主要電氣設備也均有一定的保護裕度。

3 不同因素對侵入波過電壓的影響

3.1 雷擊點的影響

雷擊點距變電站距離的不同，使得在變電站設備上產生的過電壓會有差異［6］。一般來說，雷擊點距變電站越遠，產生過電壓越小，因為雷電波在線路傳播的過程中產生了衰減和畸變。這里對該變電站不同的落雷點進行了仿真，雷擊1 號塔和2 號塔時變壓器上過電壓結果如圖7 所示。

根據圖7 變壓器上的過電壓波形比較可得出，雷擊1 號塔過電壓幅值小于雷擊2 號塔，這是由于線路波阻抗遠小于站內外架空線路，而1 號塔距HGIS 變電站距離短，雷電波迅速在HGIS 入口處產生負反射，與入侵波又進行疊加，降低了過電壓［7］。

3.2 沖擊接地電阻的影響

圖7 不同雷擊點過電壓波形

這里通過對線路桿塔沖擊接地電阻的不同取值，計算變電站正常運行，雷擊1 號桿塔在主變壓器上產生的雷電過電壓水平，計算結果如表3 所示。

表3 接地電阻不同時的計算結果

從表3 中數據可以看出，桿塔接地電阻大小的改變對于計算結果的變化有非常顯著的影響。隨著桿塔沖擊接地電阻值的降低，主變壓器上過電壓值逐漸減小。

3.3 工頻電壓的影響

因為雷電為負極性，與工頻電壓疊加，因而工頻電壓處于負半周時落雷更容易形成高的過電壓。表4 為不同工頻相角在主變壓器上產生的過電壓及流過避雷器的最大電流。

表4 工頻相角對過電壓幅值的影響

3.4 避雷器對雷電過電壓的影響

計算發現，變電站內如果沒有任何保護措施，主變壓器上的過電壓可達3 830 kV，遠遠超過變壓器的正常工作電壓，因此必須對站內設備尤其是主變壓器進行有效的防雷保護措施［8］。

4 結語

(1)由于雷電波的波頭時間雖然很短，但通常大于雷電波在變電站進線段一個檔距的傳播時間。在HGIS 入口處雷電電壓波的負發射會降低雷電過電壓的幅值。因此在變電站設備最大雷電過電壓的計算上，根據桿塔檔距的不同，有必要對變電站進線端的幾個桿塔進行綜合計算。

(2)考慮到雷電流在桿塔接地體上的火花效應及高頻特性，相對桿塔的工頻接地電阻，在線路絕緣子閃絡時，利用桿塔的沖擊接地電阻計算傳入變電站的雷電過電壓水平會更準確。

(3)不能以一個固定的雷電流作為變電站設備反繞擊雷電過電壓防雷水平，因為特高壓線路在雷擊時段工頻運行電壓在不同相位時幅值差異較大，變電站設備的防雷水平還是一個工頻運行電壓相位角的函數。

［1］甘凌霞，李雷.550 kV GIS 變電站雷電過電壓保護研究［J］.高壓電器，2009，45(6):110－114.

［2］彭鵬，粟時平.變電站雷電侵入波保護的仿真分析［J］.電力科學與技術學報，2009，24(3):49－53.

［3］曾嶸，耿屹楠.高壓輸電線路先導發展繞擊分析模型研究［J］.高電壓技術，2008，34(10):2041－2046.

［4］楊慶，趙杰.云廣特高壓直流輸電線路反擊耐雷性能［J］.高電壓技術，2008，34(7):1330－1335.

［5］莫付江，陳允平.輸電線路桿塔模型與防雷性能計算研究［J］.電網技術，2004，28(21):80－84.

［6］張永記，司馬文霞.防雷分析中桿塔模型的研究現狀［J］.高電壓技術，2006，32(7):93－97.

［7］陳敏，文遠芳.超高壓變電站雷電過電壓現場實測與仿真計算［J］.電瓷避雷器，2008，226(6):41－46.

［8］張穎，高亞棟.輸電線路防雷計算中的新桿塔模型［J］.西安交通大學學報，2004，38(4):365－369.