500kV变电站雷电侵入波保护研究

欧阳宇飞

（超高压输电公司梧州局）

500kV变电站雷电侵入波保护研究

欧阳宇飞

（超高压输电公司梧州局）

电力系统为人们的生活带来充足的电能，500kV变电站是电力系统进行电能传输的重要环节。若500kV变电站遭遇到雷击，可能出现大规模停电现象，安全供电将无法保证。被雷击损害的500kV变电站在短时间内难以恢复，因为变电站设备并不具备自主恢复能力。本文将500kV变电站作为研究对象，对于雷电侵入后的变电站保护措施进行分析，提出针对性意见。

500kV变电站；雷电过电压；避雷器

0 引言

在快速的经济建设中，人们对于电能的需要量正在逐渐增加。500kV变电站是电能传输的主要枢纽变电站，已经在全国范围内广泛使用。500kV变电站已经成为电能传输的关键环节，遭遇雷击后的变电站无法正常传输电能，严重影响电力系统的稳定运行，影响人们正常用电。

1 雷电过电压计算模型建立与分析方法

1.1 EMIP软件

EMIP软件是目前研究电力系统电压数据的主要软件。本文对于500kV变电站雷电侵入保护研究即使用该款软件。EMIP软件在500kV变电站雷电侵入保护研究中主要工作内容是对暂态下的变电站电磁数据进行判断。对电磁数值判断的过程中，对于变电站在各种问题情况下的电压数值都可以详细推测，EMIP软件能够对电力系统数值上的变化规律及时发现，让电力系统一直在可控制的环境下进行数值变化。

1.2 雷电侵入变电站方式及位置选择

1.2.1 雷电侵入变电站方式

500kV变电站所侵入雷电的来源通常为两种形式，分别为雷电直击与沿线路传输。对于雷电直击，变电站通常都是采取安装避雷器（针）预防。无数的实践验证，按照国家制定的安装标准安装避雷设备，能够有效降低变电站雷电侵入造成安全事故的机率，整个变电站都具有较高的防雷性能。

沿线路传输雷电侵入500kV变电站设备主要有两种途径，分别为绕击与反击。绕击就是对整个500kV变电站输电线路分析，除了离变电站2km以外的设备，2km以内的输电避雷线路承担着整个变电站雷电侵入的可能。反击实际分析中，会根据雷击距离更加细致性划分，现阶段主要分为近区雷击与远区雷击两种，划分的距离还是以输电避雷线路2km作为分界点。

1.2.2 雷击点的判断

变电站内的设备通常情况下都是受到近区雷击的损坏，远区雷击形成的侵入波在实际传输中能量会有所下降，对于变电站内的设备破坏性较低，因此不将远区雷击作为研究对象。

近区雷击所产生的侵入波数值将远远高于远区雷击产生的侵入波数值。研究重点主要集中在侵入波对于变电站哪根杆塔具有较强的破坏性。部分研究人员认为在6根杆塔数量的情况下，对第一根杆塔破坏性较强，杆塔所需要承受的电压数值较大，这个研究结论在很多国家实际应用中已经得到了证实。但是这个研究结论在我国500kV变电站内使用范围并不广，主要就是因为我国变电站与第一根杆塔间距离较短，侵入波在经历多个杆塔的反射传播后，在第一根杆塔内的电压数值进行计算不能将侵入电压数量精准计算。

1.3 计算模型

1.3.1 雷击电流计算

雷电在击中地面物体过程是主动放电的过程。在放电过程中刚开始会形成负电荷通道，通道完成后，在雷云对于负电荷的感应情况下开始释放正电荷，这样最终在空气中形成密度较高的离子区域。在大量的实验数量中发现，负电荷多形成的雷击情况总共占雷击的3/4，但是负电荷在实际传播中速度较慢，对于500kV变电站内设备的破坏性能较低，因此在雷击电流计算中都是计算负电荷［5］。

图1 雷击电源等效电路结构示意图

根据图1雷击电源等效电路示意图可知，雷击电流数值在实际应用预防中，我国并没有制定相关标准。在实际预防中都是根据变电站的实际建设情况进行选择，保证500kV变电站在雷击环境下正常运行。

1.3.2 杆塔计算

我国对于杆塔建设，给出了参考性数值就是杆塔对于雷击侵入波电阻抵抗数值大约为150Ω。

根据图2杆塔结构示意图分析中发现，一个具有集中性能的杆塔在实际计算中如果忽略对电容的计算，那么最终计算出的结果与实际数值间会有较大的偏差。

对于杆塔计算中，高度不同的杆塔单位条件下所能够拥有的电容数量也存在差异，这就使杆塔对于雷电侵入波电阻抵抗能力发生改变。也可以理解为建设地点不同的杆塔对于雷电侵入波电阻抵抗能力存在差异。高度合适的杆塔在实际抵抗雷电侵入波电阻能力较小，杆塔更够沿着建筑物一直向下运动，与侵入波形成相反的反射情况。在侵入波传输到杆塔过程中，需要与杆塔进行结合，侵入波电压在杆塔内就会进行叠加，经历过杆塔后的侵入波电压上升幅度将会明显降低。

图2 杆塔结构示意图

2 500kV变电站输电线路计算

对于500kV变电站雷电侵入波电压计算过程，本文将输电线路与变电站作为一个整体，所得出的数据与真实侵入波电压较为接近，对于雷电侵入波电压在传播过程的变化可以有效反应。变电站在输电线路设计中通常采用双向避雷形式，这样能够让变电站具有较强的避雷能力。在输电线路实际计算过程中，主要计算的是多相输电线路，这是因为线路在闭合情况下计算出的数值要远远小于实际数值。

对输电线路电晕进行计算时，主要考虑电晕的特性，如图3所示，在电晕数值没有达到输电线路所能承受的最大数值时，输电线路内的电晕数值将会呈现直线上升态势，当电晕数值超出输电线路的最大承受数值时，输电线路内就会出现电晕的情况，在输电线路周围就会开始形成空间状态的电荷集中点，变电站所需要承受的电压将会上升。

图3 输电线路电晕特点示意图

500kV变电站雷电侵入波保护研究中，所形成的计算模式需要将输电线路的电晕特点充分考虑，保证变电站电压在雷电侵入波的作用下能够承受较高的电压数值。

因为如果电压数值超过变电站实际承受数值后，输电线路就会开始出现电晕问题，进而影响变电站在短时间内的正常运行。变电站能够承受更高的电压强度后，出现电晕问题的可能性就会降低，变电站的正常运行就不会受到影响。

3 500kV变电站雷电侵入电压保护研究

3.1 500kV变电站防雷保护方案选择

500kV变电站在设计防雷保护方案的选择中，主要是对避雷器数量及安装位置的科学性设计，确保雷电波侵入变电站时，变电站内的每个设备都有避雷保护。变电站设备实际承受的侵入波数值远远低于设备所能够承受的数值，让变电站具有较好的绝缘性能。防雷保护方案保证安全的前提下，也要充分考虑防雷设备的经济成本。

图4 变电站等价电路示意图

从图4可以发现，变电站内的电压感应器实际感应电压值并不高，避雷设备实际安装可以在运行设备的5m以内，这种安装性质依据就是设备电压对于避雷设备避雷性能的影响。变电站电压感应器安装在输电线路的前端，还是安装在设备的周围，电压感应器都应该与避雷设备间的距离较短，这样能够保证变电站整体具有较强的绝缘性能，对于电压的承受能力也会相应提升。

3.2 绝缘子串闪络对电压影响因素及分析

绝缘子串闪络对于电压数值有较大影响，在闪络时绝缘子串会与雷电侵入电压在数值上一致。从图5绝缘子串闪络时刻示意图可以发现，雷电侵入电压数值越高，绝缘子串闪络的时间就会越长，同时变电站内的电压数值也会相对应提升。

绝缘子串在电压数值相同的情况下，由于其他因素的影响出现闪络时间也可能存在差异。在一定时间内，绝缘子内部电压数值可能为零，这个时间段就是开始计算避雷线路的时间点，雷电侵入波在1s左右就会到达绝缘子串内部，绝缘子串内部就会开始发生电压的变化，与绝缘子横担处的电压成反比的上升趋势。绝缘子串出现闪络的时间越晚，变电站内所承受的电压就会越小，变电站设备外部环境中的电压数值将会越大。

图5 绝缘子串闪络时间示意图

4 结束语

本文对于500kV变电站雷电侵入波保护进行简单研究，并分析出在雷电侵入波影响下的变电站电压变化规律，提高变电站雷电侵入波保护方案设计中的针对性，让变电站能够在雷电环境中正常运行，让电力系统更加稳定运行。

［1］袁兆祥，周洪伟.500kVHGIS变电站雷电侵入波的计算分析［J］.高电压技术，2007（6）：71-75，79.

［2］贾东瑞，谢兴利，赵东成.基于ATP的500kVGIS变电站雷电侵入波过电压分析［J］.电瓷避雷器，2013（6）：100-105，111.

［3］金华峰.基于ATP-EMTP500kV变电站雷电侵入波仿真研究［J］.水电与新能源，2013（S1）：22-26.

（2016-08-15）