考虑波形起始点的特高压变电站雷电入侵过电压分析

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(四川大学电气信息学院，四川 成都 610065)

0 引 言

特高压电网是中国解决资源分布与需求不平衡的必然选择之一。长距离大容量输电是建设特高压电网的主要目的。通过特高压电网可优化资源配置，提高经济效益[1-4]。继中国1 000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程投入运行后，首条同塔双回路特高压交流输电工程——“皖电东送”工程也于2013年9月25日投入商业化运营，标志着中国已经进入特高压电网时代。

特高压输电系统已成为发展必然，但涉及的诸多问题在不断进行工程示范和实践的过程中，仍值得开展更加深入的研究，其中，特高压变电站的雷电过电压是特高压输电系统安全稳定运行的主要危害之一。特高压变电站又是交流电力系统的枢纽,它的安危维系着电力系统能否安全可靠的运行，因此必须要有安全可靠的防雷措施。

特高压变电站内各设备的雷电过电压保护以及绝缘配合(确定绝缘水平)取决于雷电过电压计算数据[5]。对于1 000 kV的特高压线路，工频电压对雷电过电压的影响足以威胁到绝缘的安全，不容忽视[6]。而国内现有的计算雷电过电压和绝缘配合的相关文献也只能定性地说明工频过电压对雷电过电压有影响。文献[6]根据日本的统计数据提出的计算方法缺少中国的实践证明。文献[7]提出工频电压与雷电过电压进行线性叠加的方式来研究工频电压对雷电过电压产生的影响。但因雷电流和工频电压的频谱和时间特征不同，故这种方法也不能作为工程上定量的计算方法。

为了得到更符合实际的特高压变电站雷电入侵过电压，将根据对雷电流侵入时工频电压瞬时值的细化研究，提出雷电侵入波电压波形起始点的概念，以此来准确刻画考虑工频电压的特高压变电站雷电入侵过电压，为完善国内相关规程提供参考。

1 系统雷击仿真模型的建立

1.1 雷击方式与雷击点的选择

雷击变电站的方式：①直击雷；②雷击中输电线路并且在线路上传播到变电站(即雷电入侵波)。实践表明，只要按照规程安装避雷针、避雷线以及接地装置的电站，对直击雷的防护是安全且可靠的。特高压线路的绝缘水平很高，雷击跳闸率以及绝缘子闪络造成线路短路事故概率很小。但由于塔高和走廊面积等因素，雷电入侵的现象更易出现，而变电站内设备的绝缘水平要比线路低，因此该方式更易对变电站内设备造成损害。

雷击输电线路的方式又分为反击和绕击。反击和绕击时线路的工频电压对绝缘子闪络电压都会有影响。反击时，杆塔会较大概率地对极性相反的工频导线放电；绕击时，极性与雷电流相反的导线将会提前形成下行先导，增大绕击概率。在工频电压的影响方面，反击和绕击的效果一致，因此下面只选择雷电反击进行研究。

近区雷击是变电站内电气设备的主要威胁之一，因此在计算变电站的雷电入侵过电压时，把2 km进线段和变电站统一考虑，才比较符合实际[8]。研究表明，中国设计的输电线路中，1号杆塔和变电站门型构架距离较近，而且门型构架的冲击接地电阻比其他杆塔小，雷击1号杆塔塔顶时，反射波从门型构架处又经过地线很快返回1号杆塔，使1号杆塔塔顶电位降低，减小了雷电入侵过电压。而2号、3号杆塔距门型构架相对较远，过电压也较高。因此将把雷击点选在2号杆塔。系统模型图见图1。

1.2 仿真模型

以某特高压GIS变电站为例，选择合理的雷电流模型、杆塔模型、进线段架空线路模型、绝缘子闪络模型、避雷器模型以及参数的确定。

1.2.1 雷电流模拟

图1 系统等值模型

雷电流值，kA；P为幅值大于I的雷电流概率。综合考虑中国500 kV变电站运行经验以及1 000 kV特高压变电站的重要性，这里选取幅值250 kA的负极性雷电流，雷电通道波阻抗为300 Ω。

1.2.2 进线段模拟

采用除了基于EMTP的多波阻抗模型来对杆塔进行仿真计算[9-11]，如图2所示。参考DL/T-1997《交流电气装置的接地》，杆塔冲击接地电阻按照10 Ω计算；门型构架冲击接地电阻按7 Ω计算。

图2 进线段酒杯塔的模型

进线段架空线路用随频率变化的非线性线路参数模型“JMarti”模拟。

绝缘闪络的判据用相交法[12]，当绝缘子串上雷电过电压波形与绝缘子串伏秒特性曲线有交点时，绝缘子串闪络，否则就不闪络。绝缘子串闪络模型见图3， 52号器件是比较器，将绝缘子串两侧探测的过电压与其用函数编辑的已知绝缘子伏秒特性比较；64号器件是控制开关的输出，当绝缘子串过电压波形与它的伏秒特性曲线相交时，判据部分输出一个电平给控制开关，控制开关部分保持该输出，绝缘子串闪络。

图3 绝缘子串闪络模型

1.2.3 避雷器模型

ATP-EMTP用分段线性函数模型模拟避雷器的伏安特性，计算中采用额定电压为828 kV的避雷器，其伏安特性如表1所示。

表1 采用的避雷器的伏安特性

1.2.4 1 000 kV GIS变电站的电气主接线图

1 000 kV特高压GIS变电站的等效电路图如图4，采用双断路器双母接线方式，仅考虑一回出线(L1)和一台主变压器(T)运行，出线接至双断路器串，主变压器经临时接线连接两条母线。

图4 1 000 kV 特高压GIS变电站的电气主接线图

1.2.5 变电站内电气设备参数

由于雷电入侵波的高频特性，站内设备可粗略等效为冲击入口电容。变电站内设备入口电容如表2所示。

2 仿真与分析

表2 站内设备等值入口电容

2.1 雷电入侵过电压波形起始点

在过去的变电站雷电入侵波分析中，大都没有考虑工频电压对雷击的影响(即认为雷击时工频分量Ug=Umsinφ的φ为0°)，或者只是简单的幅值叠加考虑。为了将频谱特征和时间特征不同的雷电侵入波和工频电压进行叠加，提出雷电过电压波形起始点的概念。定义雷击产生过电压时的相应工频电压相位角为雷电过电压波形起始点，分别设定输电线路A相雷电过电压波形起始点为0°、90°、270°三种极端情况，对250 kA的负极性雷电流雷击杆塔反击导线A相进行仿真。

2.2 仿真结果与分析

对于幅值250 kA的负极性雷电流击中2号杆塔，A相导线反击闪络后，变电站内主要设备在不同波形起始点的雷电入侵过电压见表3。

表3 各设备在不同波形起始点的过电压比较 /kV

从表3可以看出A相导线反击闪络后，在不同雷电过电压波形起始点下，电站各设备的过电压值差异较大，设备的过电压保护裕度需要根据雷电过电压波形起始点的不同进行修订，重点考虑变电站的核心设备变压器。

图5、6、7为主变压器(T)上不同波形起始点的过电压波形曲线图。

从过电压波形可以看出，在不同的雷电过电压波形起始点情况下，工频电压与雷电过电压的叠加并不是简单的线性叠加，这是因为雷电波的频率远大于工频，在输电线路上雷电波按照线路分布参数特性传播时，在不同的波阻抗间存在折反射情况。

图5 波形起始点为0°主变压器上过电压波形

图6 波形起始点为90°主变压器上过电压波形

图7 波形起始点为270°主变压器上过电压波形

由于雷电冲击放电具有一定的随机性，对于雷电反击、绕击具体的放电波形起始点只能按照概率统计。通过仿真分析得出：当发生负极性雷击时，由于三相绝缘子两端电压不同以及导体的下行先导产生原理，导体在正极性下发生绕击与反击概率都较负极性的大，而且概率随幅值的增大而增大。一般情况下交流线路在运行时受到雷击的概率是以相电压最大时的波形起始点为均值的正态分布。所以，当雷击输电线路时，通常都发生在与雷电极性相反的最大电压导线相，比如在发生负极性雷击时，雷击时刻导线电压的波形起始点主要集中在90°附近。这基本符合与日本的统计结果(交流导体在工频电压为正时被负极性雷击中的次数比工频电压为负时更多)[14]。

在发生反击时，波形起始点为0°时的击穿相主变压器过电压波形与不考虑工频叠加基本一致，波形起始点为90°击穿相主变压器上过电压幅值增加了近300 kV，而波形起始点为90°发生雷电闪络的概率较大，推荐将波形起始点为90°时雷电入侵过电压值作为绝缘配合参考值。

3 结 论

1)只有考虑波形起始点才能得到更符合实际的雷电入侵过电压。特高压线路反击、绕击的工频电压波形起始点分布基本一致，都是在90°位置概率最大。将波形起始点为90°时雷电入侵过电压值作为变电站设备绝缘配合参考值，可以减少变电站的雷电故障率。

2)在进行工频电压与雷电侵入波的叠加时，由于两者频率特性的不同，不能简单地线性叠加，需要根据高频雷电波的分布参数特性，对雷电波的折反射进行逐步计算。

3)导线电晕、变电站内部元件波阻抗差异等因素都对雷电侵入变电站的过电压波形产生复杂的影响，要研究出更准确的工频电压下雷电过电压叠加规律还需要对导线加入电晕模型，并对电站各设备的暂态分布参数模型做更细致的研究。

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