考慮電暈損耗的220 kV變電站雷電入侵波過電壓計算與影響因素分析

劉曉航 ，高 宇 ，賀天任 ，3，張 瑞 ，4

（1.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072；2.國網鐵嶺供電公司，鐵嶺 112000；3.深圳供電局有限公司，深圳 518000；4.國網金鄉縣供電公司，濟寧 272200）

變電站作為電力系統中的樞紐，起著變換電壓、匯集與分配電能的重要作用。由于站內的變壓器等主要電氣設備不具有絕緣自恢復能力，一旦遭受雷擊損壞，將會造成電網的部分或者大面積停電事故，給生產和生活帶來重大影響[1-2]。運行經驗表明，多數變電站雷害事故由雷擊線路造成，自線路入侵變電站的雷電波是威脅變電站的主要因素[3-4]。因此，研究變電站雷電入侵波過電壓，并對其影響因素進行分析，對變電站防雷保護具有重要意義。

近年來，國內外科研人員采用電磁暫態程序EMTP/ATP（electro-magnetic transient program/alternative transient program）對變電站雷電入侵波過電壓進行了大量研究。李景麗等[5]以某66 kV變電站為對象，研究了雷擊點與桿塔接地電阻等因素對過電壓的影響，發現雷擊點越近，桿塔接地電阻越小，設備過電壓越低；葉育林等[6]以500 kV多雷區核電廠變電站為對象，研究了雷擊點與變電站運行方式對過電壓的影響，提出近區雷擊2號桿塔時，過電壓最嚴重，而在單變單母單出或單變單出方式運行時設備過電壓幾乎不受運行方式的影響；Astinfeshan等[7]對230 kV雙回輸電線路及其相關變電站進行仿真，研究了母聯開關的狀態對站內設備的雷電入侵波過電壓的影響，結果表明雷電繞擊情況下母聯開關的狀態對過電壓的影響較大，反擊情況下母聯開關對過電壓的影響可以忽略；Sui等[8]對550 kV氣體絕緣變電站GIS（gas-insulated substation）的雷電入侵波進行仿真研究，分析了變電站運行方式、GIS阻抗和電纜長度對設備過電壓的影響，發現單進單出方式運行時變電站的過電壓最高，波阻抗越大過電壓幅值越高，電纜長度越大過電壓幅值越小；Stanchev[9]對線路反擊條件下的220 kV GIS變電站的雷電入侵波過電壓進行研究，提出在線路和變電站入口處裝設避雷器，可提高架空線路和變電站的防雷性能；Takami等[10]對繞擊與反擊條件下的特高壓輸電線路和變電站入侵波過電壓進行分析，發現主變處過電壓幅值與雷電流波形和變壓器入口等效電容有關。此外，線路絕緣子爬距[11]、主變與避雷器電氣距離[12-13]、工頻電壓[9，13]、工頻相角[14]、雷擊線路相序[15]、配電裝置布置[16]等因素也會對入侵波過電壓造成影響。

當輸電線路遭受雷擊時，高壓導線上產生的過電壓通常會引發電暈放電。由于沖擊電暈的影響，雷電波在沿輸電線路傳播的過程中會發生畸變和衰減[17-18]。因此，在入侵波過電壓仿真計算中有必要考慮電暈損耗的影響。但目前計及電暈損耗的變電站雷電入侵波過電壓計算仍然較少，對于計及電暈損耗時的桿塔接地電阻、進線電纜及避雷器配置等因素對過電壓特點的影響尚缺乏研究。此外，前人有關桿塔接地電阻、土壤電阻率等影響因素的研究均未考慮雷電流對接地電極周圍土壤的電離效應，相關結論有待考究[5，12-14，16]。在研究進線電纜及避雷器配置等影響因素時，對雷電波在傳輸路徑上的折反射過程研究不夠透徹，有必要做進一步的細致分析[8-9，14]。

本文以天津的某220 kV變電站為研究對象，基于EMTP/ATP構建了輸電線路、進線電纜與站內設備相結合的仿真模型。首先分析了電暈損耗對入侵波過電壓的影響，然后在計及電暈損耗的基礎上對桿塔接地電阻、進線電纜及避雷器配置等因素影響入侵波過電壓的規律進行研究，為變電站的防雷保護提供參考。

1 變電站主接線圖及運行方式

圖1為天津某220 kV變電站高壓側電氣主接線圖。采用雙母線接線，架空出線2回、電纜出線4回，B線兩回為架空線直接接入GIS，A線及C線各兩回均為架空轉電纜再入GIS。本文采用單線單變運行方式[12]進行入侵波過電壓的仿真計算，選取#2變壓器為運行中變壓器，A2線為入侵線路，不考慮站內各處避雷器。

圖1 天津某220 kV變電站高壓側電氣主接線圖Fig.1 Main electrical wiring diagram of a 220 kV substation in Tianjin on its 220 kV side

雷電入侵波過電壓仿真等效電路模型如圖2所示。輸電桿塔命名規則為：離變電站最近為T1，隨著距離的增大，依次為T2、T3，桿塔檔距為400 m，進線電纜長度80 m，點1與點2分別為A2輸電線路A相上距變電站約1 000 m與600 m的位置。

圖2 雷電入侵波過電壓仿真等效電路Fig.2 Equivalent circuit of simulation of lightning surge overvoltage

2 仿真模型

我國要求220 kV電壓等級線路的雷擊跳閘率不應超過0.315次/（百km·年）[19]，本文利用雷擊跳閘率計算公式[20]推算出反擊雷電流幅值為145.4 kA。采用電氣幾何模型法[20]來計算最大繞擊電流，通過擊距公式[21-22]推算出繞擊電流幅值為16.9 kA。在EMTP中選取Surge type 15元件，模擬規程[23]中推薦2.6/50 μs標準雷電流波形。為了便于研究分析，仿真中雷電流幅值取負極性雷電流幅值的絕對值，雷電通道波阻抗與雷電流并聯，在不同雷電流幅值下取值不同[24]，反擊時取300 Ω，繞擊時取800 Ω。

仿真計算中考慮了架空線、電纜參數的頻變特性，采用JMARTI模型進行模擬[25-26]。桿塔采用Ishii等提出的多層傳輸塔模型[25-27]，該模型在桿塔上、中、下三相橫擔位置處將鐵塔分成4段，每段均采用無損線和RL并聯電路串聯模擬。多層傳輸塔模型及結構參數如圖3所示。

圖3 多層傳輸塔模型及結構參數Fig.3 Model and structural parameters of multilayer transmission tower

接地電阻采用IEC[28]推薦的公式計算為

式中：E0為桿塔穩態接地電阻，Ω；I為流經桿塔接地體的電流幅值，A；Ig為土壤電離的臨界電流，A。Ig可計算為

式中：E0為使土壤電離時的場強，通常取400 kV/m[26]；β為地區土壤電阻率，Ω·m。

EMTP中采用TACSRES模塊來模擬接地電阻[29]，EMTP中桿塔接地電阻的電離模型如圖4所示。通過采集流過接地電阻的沖擊電流計算出沖擊接地電阻，實時調整受控非線性電阻，該模型考慮了土壤電阻率與流過接地電阻的雷電流幅值對接地電阻的影響，更貼近實際[29]。

圖4 EMTP中桿塔接地電阻的電離模型Fig.4 Ionization model of tower grounding resistance in EMTP

采用相交法[30]作為絕緣子閃絡判據。絕緣子串的伏秒特性[30]表示為

式中：Us-t為絕緣子串發生閃絡時刻的過電壓，MV；L為絕緣子串的長度，m；t為自雷擊起始時刻計起的時間，μs。

避雷器模型采用EMTP中的非線性電阻元件MOV Type 92，其伏安特性參數如表1所示。

表1 避雷器伏安特性參數Tab.1 Volt-ampere characteristic parameters of arrester

采用二極管、壓控開關、附加電容的串聯回路模擬輸電線路上的沖擊電暈[31]，沖擊電暈等效電路模型如圖5所示。將該模型以間距100 m放置輸電線路模型中等效線路上的電暈效應[25-26]。

圖5 沖擊電暈等效電路模型Fig.5 Equivalent circuit model of impulse corona

220 kV GIS變電站母線波阻抗取100 Ω，變電站內主要電氣設備的等效電容[12]如表2所示。

表2 主要電氣設備沖擊入口等效電容Tab.2 Impact incoming equivalent capacitance of main electrical equipment pF

3 仿真結果分析

3.1 電暈損耗的影響

經驗表明，近區雷擊產生的入侵波過電壓大多高于遠區雷擊，更容易對變電站內設備的安全運行造成威脅[12]，為了較好地分析電暈損耗對入侵波過電壓的影響，在近區內分別選取T2桿塔、距變電站1 000 m的A相架空線為反擊、繞擊點，繞擊點如圖2中的點1。設置進線電纜首端為電壓觀測點，得到反擊與繞擊的兩種情形下電暈損耗對過電壓波形的影響規律，分別如圖6和圖7所示。

圖6 雷擊T2桿塔塔頂時電纜首端的過電壓波形Fig.6 Waveform of overvoltage at the head of cable caused by lighting striking the top ofT2tower

圖7 雷擊距變電站1 000 m A相導線時電纜首端的過電壓波形Fig.7 Waveform of overvoltage at the head of cable caused by lighting striking A-phase conductor 1000 m away from the substation

由圖6和圖7可見，電暈損耗會使電纜首端的過電壓波形發生衰變，這種衰變主要體現為波頭上升時間的增加與振蕩幅值的減小，且這種現象在繞擊情況下更為明顯。綜上所述，電暈損耗是影響變電站雷電入侵波暫態過程的主要因素，在過電壓計算中充分考慮導線的電暈損耗，有助于準確分析過電壓特性和影響因素。后文有關桿塔接地電阻、進線電纜、進線電纜避雷器配置等因素影響入侵波過電壓的研究均是在考慮電暈損耗前提下進行的。

3.2 桿塔接地電阻的影響

分別選取近區雷擊T2桿塔塔頂與距變電站600 m的A相架空線為反擊和繞擊點，繞擊點如圖2中的點2，桿塔土壤率設定為20 Ω·m，分析桿塔穩態接地電阻對主要設備過電壓幅值的影響。反擊與繞擊的2種情形下，各設備的過電壓幅值分別如表3和表4所示。

表3 反擊情況下桿塔穩態接地電阻對設備過電壓的影響Tab.3 Influence of steady-state grounding resistance of tower on overvoltage of equipment under the back-strike condition

表4 繞擊情況下桿塔穩態接地電阻對設備過電壓的影響Tab.4 Influence of steady-state grounding resistance of tower on overvoltage of equipment under the shield-failure strike condition

由表3和表4可知，桿塔穩態接地電阻的變化對站內主要設備過電壓幅值幾乎沒有影響。這是因為較大的雷電流流經桿塔接地體進入大地時，會對周圍土壤進行電離放電，根據式（1）可知，桿塔暫態接地電阻Rt在較大沖擊電流I的作用下會呈現低阻值狀態[31-32]，此時桿塔穩態接地電阻R0對暫態接地電阻Rt的影響可以忽略不計。

分別選取近區雷擊T2桿塔塔頂、距變電站600 m的A相架空線為反擊、繞擊點，桿塔穩態接地電阻設定為7 Ω，分析桿塔土壤電阻率對主要設備過電壓幅值的影響。反擊與繞擊的兩種情形下各設備的過電壓幅值分別如表5和表6所示。

由表5和表6可知，站內主要設備過電壓幅值隨著桿塔土壤電阻率的增加呈上升趨勢。根據式（1）與式（2）可知，土壤電阻率的增加會使土壤發生電離的最小電流Ig增大，桿塔暫態接地電阻Rt隨之增加。較大的桿塔暫態接地電阻會使雷電流入地電流分量減小，流經導線電流分量增大，進而導致設備過電壓幅值增大。繞擊下的雷電入侵波主要沿導線進行傳遞，只有絕緣子閃絡時才經桿塔泄放至大地，因此土壤電阻率對繞擊下的雷電入侵過電壓影響較小。

表5 反擊情況下桿塔土壤電阻率對設備過電壓的影響Tab.5 Influence of tower soil resistivity on overvoltage of equipment under the back-strike condition

表6 繞擊情況下桿塔土壤電阻率對設備過電壓的影響Tab.6 Influence of tower soil resistivity on overvoltage of equipment under the shield-failure strike condition

3.3 進線電纜的影響

為了得到較大的入侵波過電壓，更好地分析進線電纜長度與電纜銅芯橫截面積對入侵波過電壓的影響，本節選取雷擊T1桿塔為計算條件。圖8給出了過電壓幅值與進線電纜長度的關系，圖9為不同長度電纜的首、末端過電壓時域波形。

圖8 電纜首端、末端過電壓隨電纜長度變化曲線Fig.8 Curve of overvoltage at both ends of the cable with cable length

圖9 不同電纜長度時過電壓波形比較Fig.9 Comparison of overvoltage waveforms with different cable lengths

由圖8可以看出，對于電纜首端，當電纜長度小于180 m時，過電壓幅值隨電纜長度增加而顯著降低，電纜長度為180 m時，過電壓幅值為1 255 kV；電纜長度在180～500 m之間時，過電壓幅值隨電纜長度增加略有下降；電纜長度大于500 m時，過電壓幅值基本維持在1 255 kV不變。而電纜末端過電壓幅值在電纜長度小于380 m時始終高于電纜首端過電壓，且隨電纜長度的增加而降低，電纜長度大于3 700 m時小于電纜首端過電壓。

由圖9可以看出，電纜首端電壓前行波的幅值不受電纜長度變化的影響[33]，始終為1 255 kV。當電纜長度小于180 m時，來自電纜末端的反射波傳遞到首端的時間較短，疊加在首端電壓前行波的波頭處，使得首端過電壓幅值大于1 255 kV。當電纜長度大于180 m時，來自電纜末端的反射波疊加在首端電壓前行波的波尾處，疊加后的首端過電壓幅值仍為1255 kV。電纜末端過電壓的幅值主要受電纜電容效應與大地畸變損耗的影響，電纜長度越長，電纜末端的過電壓幅值越小[33]。此外，雷電波在電纜兩端及GIS之間經過多次折反射后，過電壓將重復疊加在電纜末端[3，33]，使得電纜末端過電壓幅值大于電纜首端。

圖10給出了雷擊T1桿塔，進線電纜長度500 m時，電纜首端、末端過電壓隨電纜銅芯截面積變化的曲線。可以看出，電纜首、末兩端過電壓隨電纜銅芯橫截面積的增大而降低，這主要是因為電纜銅芯橫截面積越大，電纜的波阻抗越大[34]。當雷電波從架空線前行至電纜后，在電纜首末兩端發生折反射的系數會隨著電纜波阻抗的增加而增加，進而導致過電壓升高[3，33]。

圖10 電纜首端、末端過電壓隨電纜銅芯截面積變化曲線Fig.10 Curve of overvoltage at both ends of the cable with the cross-sectional area of copper core

3.4 進線電纜避雷器配置的影響

圖11和圖12分別給出了未安裝避雷器、僅在電纜首端安裝避雷器、僅在電纜末端安裝避雷器和首、末兩端均安裝避雷器4種情況下，電纜首、末兩端過電壓幅值隨電纜長度變化的柱狀圖。

圖11 電纜首端過電壓隨電纜長度變化Fig.11 Variation of overvoltage at the head of cable with cable length

圖12 電纜末端過電壓隨電纜長度變化Fig.12 Variation of overvoltage at the end of cable with cable length

可以看出，在電纜首末兩端安裝避雷器的防護效果最佳；僅在電纜首端安裝避雷器不但會限制電纜首端過電壓，同時會使電纜末端過電壓幅值減小，隨著電纜長度的增加，由于波的折反射過程，電纜末端的最大過電壓會出現波動；僅在電纜末端安裝避雷器時，電纜末端過電壓被明顯限制，疊加到電纜首端的末端反射波發生衰減，當電纜長度小于180 m時，電纜首端過電壓電幅值被限制到1 255 kV，電纜長度大于180 m時，首端過電壓保持不變。

圖13給出了未安裝避雷器、僅在電纜首端安裝避雷器、僅在電纜末端安裝避雷器和首、末兩端均安裝避雷器4種情況下，變壓器處過電壓幅值隨電纜長度變化的柱狀圖。可以看出，在電纜端部安裝避雷器可以很好限制變壓器處過電壓幅值；僅在電纜首端安裝避雷器時，由于波的折反射過程，隨電纜長度的增加，變壓器處過電壓幅值先增大后減小；在電纜首、末兩端安裝避雷器對變壓器處過電壓限制效果最好，電纜長度的增加會減小變壓器處過電壓幅值，但是相較僅在電纜末端安裝避雷器情況防護效果提升不明顯。

圖13 變壓器處過電壓隨電纜長度變化Fig.13 Variation of overvoltage at the transformer with cable length

5 結論

本文以天津某220 kV變電站為例，基于EMTP/ATP建立了進線段與變電站相結合的仿真模型，在考慮電暈損耗的基礎上，重點分析了沖擊電暈、桿塔接地電阻、進線電纜及避雷器安裝等因素對雷電入侵波過電壓的影響，結論如下。

（1）電暈損耗會使過電壓波形發生衰減和畸變，且在繞擊情況下更為明顯。

（2）桿塔穩態接地電阻的變化對過電壓水平幾乎沒有影響。土壤電阻率的增加會使過電壓幅值變大，且在反擊情況下更為明顯。

（3）進線電纜末端過電壓始終大于首端，電纜長度的增加會使電纜首、末兩端過電壓幅值降低，首端過電壓幅值在電纜長度增加到某一長度后保持不變。進線電纜銅芯截面積的增大會使電纜首、末兩端過電壓幅值降低。

（4）在電纜首、末兩端安裝避雷器是有效抑制電纜首、末兩端以及變壓器處過電壓的最佳方案。僅在首端安裝避雷器對電纜末端及變壓器處過電壓起到一定限制作用。僅在末端安裝避雷器對長電纜的首端過電壓沒有限制作用，對限制變壓器處過電壓有良好效果。

為了盡量減少雷電入侵波過電壓對天津某220 kV變電站的影響，本文建議盡量減小輸電桿塔的土壤電阻率，盡可能選取銅芯橫截面積更大的進線電纜，電纜長度至少為180 m。此外，在電纜首、末兩端同時配置避雷器可起到最佳防護效果。