電氣幾何模型對500kV變電站雷電侵入波風險評估的影響

周欣佳 蔣傳文

（國網上海市電力公司，上海 200122）

電氣幾何模型對500kV變電站雷電侵入波風險評估的影響

周欣佳 蔣傳文

（國網上海市電力公司，上海 200122）

為研究電氣幾何模型對500kV變電站雷電侵入波風險評估的影響，本文分析并比對了以往國內外提出的各類電氣幾何模型，針對某典型500kV變電站雷電侵入波模型，采用Matlab編程結合變電站ATP-EMTP過電壓模型；分別計算了在不同電氣幾何模型下，雷電流幅值分布、進線段桿塔高度與桿塔接地電阻對變電站內主變平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）的影響。此研究結果可供對500kV變電站雷電過電壓與絕緣配合進行設計、評估時參考。

電氣幾何模型；500kV變電站；雷電侵入波；風險評估

500kV變電站是電力系統的重要樞紐，雷電侵入波導致的事故是電網大面積停電的重要危害。年預計變電站雷電侵入波次數是500kV變電站雷電侵入波風險評估的主要影響因素，以往大量標準、報告、論文中僅采用規程法、電氣幾何模型法對500kV變電站雷電侵入波風險進行工程性的計算評估[1-5]，而國內外提出了大量電氣幾何模型[4,6-8]，并沒有研究過電氣幾何模型對500kV變電站雷電侵入波風險評估的影響。

現如今在國家電網公司精細化管理、標準化設計的背景下，深入研究電氣幾何模型對500kV變電站雷電侵入波風險評估的影響，是500kV變電站雷電過電壓與絕緣配合的設計、評估基礎，對 500kV變電站雷電環境下設計的可靠性和經濟性有重要的工程意義。

本文采用Matlab編寫的電氣幾何模型程序結合ATP-EMTP建立的500kV變電站雷電侵入波模型，以變電站主變平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）定義變電站雷電侵入波風險，研究了不同電氣幾何模型下，雷電流幅值分布、進線段桿塔高度與桿塔接地電阻對變電站主變MTBF的影響。

1 國內外電氣幾何模型比對分析

當前國內外500kV變電站雷電侵入波風險評估所用的電氣幾何模型由Wagner等人在1961年基于試驗室雷擊模型試驗首次提出，后經過試驗室雷擊大比例尺模型試驗和現場觀測結果統計分析的修正，得出11個改進電氣幾何模型。電氣幾何模型的核心是雷電擊距[4,6-8]，亦可稱為雷擊目的物的引雷半徑，雷電下行先導對導線的擊距[4]rc為

式中，I為雷電流幅值，kA；a和b是試驗或觀測統計得出的常數。

雷電下行先導對地面的擊距[4]rg為

式中，I為雷電流幅值，kA；c和d是試驗或觀測統計得出的常數。

以往國內外提出的電氣幾何模型種類繁多，本文通過大量調研國內外標準、報告、論文中 500kV輸電線路、變電站雷電侵入波風險評估方法，總結出表1中4種常用的電氣幾何模型用于本文分析。表中，h為導線平均高度，m；EHV和UHV分別代表超高壓、特高壓線路。不同電氣幾何模型得出的導線引雷半徑差異顯著。正是這一差異，將導致采用不同電氣幾何模型得出500kV變電站雷電侵入波風險評估結果不同。

表1 用于分析的不用的電氣幾何模型參數

2 500kV變電站雷電侵入波風險評估模型

2.1 500kV變電站雷電侵入波幅值計算模型

500kV變電站雷電侵入波過電壓計算的模型如圖1所示，在ATP-EMTP中建模主要分為變電站主接線和變電站進線段兩塊模型。

500kV變電站站內設備、接線數量繁多，一般在雷電侵入波過電壓計算時要將其進行化簡，因為輔助設備、接線越多，對雷電侵入波的分流越大，簡化后的模型分析的是雷擊風險較高的情況。簡化后的500kV變電站主接線模型如圖2所示。

圖1 500kV變電站雷電侵入波過電壓計算示意圖

圖2 500kV變電站雷電侵入波過電壓計算主接線圖

在雷電過電壓波的頻率范圍內，變電站各主設備都呈入口電容狀態，主變入口電容取5000pF，斷路器入口電容取 800pF，電壓互感器入口電容取3000pF，隔離開關入口電容取 300pF，電流互感器入口電容取 1000pF。站用避雷器采用 Y20W-444/1106，其標稱額定電壓為 444kV，標稱放電電流（8/20μs）為15kA。由于研究主要因素為電氣幾何模型，考慮篇幅，本文僅列出主變雷電侵入波過電壓下的MTBF結果，主變雷電全波沖擊耐受電壓幅值為1425kV，絕緣配合系數取1.15。站內母線、設備連線采用波阻抗模型，取300Ω，變電站接地電阻取1Ω。

在變電站進線段模型中，進線段桿塔導線采用水平三相排列，導線間水平距離為14.9m，地線間水平距離為 24.8m，避雷線懸掛點距離導線懸掛點的垂直距離為5.5m，導線懸掛點的的垂直高度為27m，導線型號為 4分裂 LGJ-400/35，導線直流電阻為0.0739Ω/km，線路檔距為300m，導線弧垂為14m，地線型號為JLB4-150，地線直流電阻為0.2952Ω/km，地線弧垂為8.5m。線路采用25片垂直懸掛的FC70P-146玻璃絕緣子，絕緣子串總長為4.23m，絕緣強度為2138kV，采用先導發展模型模擬絕緣子閃絡。桿塔采用多波阻抗模型，桿塔接地電阻取7Ω，土壤電阻率為100Ω·m。雷電流模型采用國際上廣泛使用的Heidler函數，波形取3.83/77.5μs，雷電通道波阻抗取300Ω。考慮篇幅，本文僅列出雷擊進線段靠近變電站的第二基桿塔塔頂的結果。

2.2 500kV變電站內主設備MTBF計算模型

以往國內外在變電站年預計雷電反擊侵入波發生次數NL主要采用規程法，如國內規程[1]：

式中，Ng為地閃密度，次/km2/年；b為兩根避雷線之間的距離，m；hg為避雷線平均高度，m。

IEEE標準[4]規程法采用：

這兩類變電站年預計雷電侵入波發生次數算法來源于國內外早期較低電壓等級、線路高度較低的雷擊統計數據，而該統計數據與當前國內超、特高壓電壓等級高桿塔線路的情況存在較大差異，因此需要采用電氣幾何模型法進行計算。如圖3所示，500kV變電站進線段地線引雷半徑為

圖3 電氣幾何模型計算500kV變電站進線段線路引雷半徑示意圖

線路等效引雷半徑為

式中，ID是hg=rg時的臨界雷電流，kA。

500kV變電站年預計雷電反擊侵入波發生次數為

式中，g為擊桿率，對于500kV裝設雙避雷線g取1/6。

由于以往研究表明，對于500kV電壓等級的變電站，即便是最大繞擊電流（根據電氣幾何模型，超過該電流幅值的雷電將擊中避雷線或地面）雷電擊中變電站進線段產生的繞擊侵入波幅值也不會對變電站內設備造成威脅，因此，本文只研究 500kV變電站雷電反擊侵入波風險評估的情況。

變電站主變平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）在本文研究中定義為：雷電反擊侵入波過電壓超過500kV變電站主變沖擊絕緣水平的發生年限，單位為年/次，計算如下：

式中，IF為2.1節采用ATP-EMTP計算得出使反擊侵入波過電壓超過500kV變電站主變沖擊絕緣水平的反擊雷電流幅值，kA；Pb(IF)為雷電流幅值分布函數[9]，即

式中，α 為中值雷電流，kA；β 為無量綱系數，采用上海地區雷電定位系統 2003—2011年統計的平均分布，α 為26.7kA，β 為2.4。

3 不同電氣幾何模型的影響分析

3.1 不同雷電流幅值分布的情況

不同地區雷電流幅值分布差異極大，本文采用雷電定位系統在廣東省[10]、云南省[11]、廣州市[10]長期觀測得出的結果（對應的α 分別為 22.78kA、29.20kA、36.70kA；對應的β 分別為2.58、2.40、3.00）分析不同雷電流幅值分布下，電氣幾何模型對500kV變電站雷電侵入波風險評估的影響，計算結果如圖4所示。

根據圖4的結果可得出以下結論：

1）雷電流幅值分布中值電流越小，MTBF越高，即變電站雷電侵入波風險越低。

2）在不同電氣幾何模型下，MTBF差異顯著，雷電流幅值分布中值電流越小，電氣幾何模型對MTBF的影響越顯著。

圖4 不同雷電流幅值分布下電氣幾何模型對500kV變電站MTBF的影響

3.2 不同進線段桿塔高度的情況

計算得到變電站進線段桿塔高度為 32.5m、38.5m和44.5m的情況下，電氣幾何模型對500kV變電站雷電侵入波風險評估的影響，計算結果分別如圖5至圖7所示。

根據圖5至圖7的結果可得出以下結論：

圖5 桿塔高度為32.5m時電氣幾何模型對500kV變電站MTBF的影響

圖6 桿塔高度為38.5m時電氣幾何模型對500kV變電站MTBF的影響

圖7 桿塔高度為44.5m時電氣幾何模型對500kV變電站MTBF的影響

1）桿塔高度增加，MTBF減小，即變電站雷電侵入波風險增高。

2）在不同電氣幾何模型下，MTBF差異顯著；在不同桿塔高度下，電氣幾何模型對MTBF的影響接近。

3.3 不同進線段桿塔接地電阻的情況

在計算得到變電站進線段桿塔接地電阻分別為10Ω、15Ω和20Ω的情況下，電氣幾何模型對500kV變電站雷電侵入波風險評估的計算結果分別如圖 8至圖10所示。

圖8 桿塔接地電阻為10Ω時電氣幾何模型對500kV變電站MTBF的影響

圖9 桿塔接地電阻為15Ω時電氣幾何模型對500kV變電站MTBF的影響

圖10 桿塔接地電阻為20Ω時電氣幾何模型對500kV變電站MTBF的影響

根據圖8至圖10的結果可得出以下結論：

1）桿塔接地電阻增加，MTBF減小，即變電站雷電侵入波風險增高。

2）不同電氣幾何模型下 MTBF差異顯著，在不同桿塔接地電阻下，電氣幾何模型對MTBF的影響接近。

4 結論

本文分析了在不同電氣幾何模型下，雷電流幅值分布、進線段桿塔高度與桿塔接地電阻對 500kV變電站雷電侵入波風險評估的影響，得到以下結論：

1）不同電氣幾何模型下變電站主變MTBF有顯著差異，因此，在500kV變電站雷電過電壓與絕緣配合的設計、評估時，需要有針對性的選擇電氣幾何模型。

2）在不同電氣幾何模型下，雷電流幅值分布中值電流提高、桿塔高度增高、桿塔接地電阻增大都會導致變電站主變MTBF下降。

[1]中華人民共和國電力工業部.DL/T 620—1997.交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合[S].北京: 中國電力出版社,1997.

[2]IEC 60071-2 Insulation co-ordination—Part 2: Application guide

[3]IEC 60071-4 Insulation co-ordination—Part 4: Computational guide to insulation co-ordination and modelling of electrical networks.

[4]IEEE Std 1243-1997.IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines.

[5]賈東瑞,謝興利,趙東成.基于ATP的500kV GIS變電站雷電侵入波過電壓分析[J].電瓷避雷器,2013,256(6): 100-105,111.

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[9]司文榮,張錦秀,傅晨釗,等.2003-2011年上海地區雷電活動規律及落雷參數分析[J].華東電力,2012,40(10): 1734-1737.

[10]陸國俊,熊俊,陳家宏,等.廣州地域 1999～2008年地閃密度圖及雷電參數分析[J].高電壓技術,2009,35(12): 2930-2936.

[11]馬御棠,隋彬,曹曉斌,等.惠州地區雷電活動規律研究[J].南方電網技術,2011,5(2): 68-71.

Influence of Electro-Geometric Model on Risk Assessment of Lightning Surges in 500kV Substation

Zhou Xinjia Jiang Chuanwen
(Shanghai Municipal Electric Power Company,Shanghai 200437)

In order to study the influence of electro-geometric model on risk assessment of lightning surges in 500kV substation,this paper analysis and compare the electro-geometric models proposed by domestic and abroad scholars.The Matlab program and ATP-EMTP overvoltage calculation are combined and adopted in the model used for 500kV substation lightning surges analysis.Under different electro-geometric models,the influence of lightning current distribution,tower height and tower grounding resistance of substation into line segment on MTBF (Mean Time Between Failure) of 500kV substation main transformer are analyzed.The research results could provide the basis of design and assessment used in lightning overvoltage and insulation coordination of 500kV substations.

electro-geometric model; 500kV substation; lightning surges; risk assessment

周欣佳（1987-），男，碩士，長期從事超高壓變電運行、電網調度及監控工作。