电气几何模型对500kV变电站雷电侵入波风险评估的影响

周欣佳 蒋传文

（国网上海市电力公司，上海 200122）

电气几何模型对500kV变电站雷电侵入波风险评估的影响

周欣佳 蒋传文

（国网上海市电力公司，上海 200122）

为研究电气几何模型对500kV变电站雷电侵入波风险评估的影响，本文分析并比对了以往国内外提出的各类电气几何模型，针对某典型500kV变电站雷电侵入波模型，采用Matlab编程结合变电站ATP-EMTP过电压模型；分别计算了在不同电气几何模型下，雷电流幅值分布、进线段杆塔高度与杆塔接地电阻对变电站内主变平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）的影响。此研究结果可供对500kV变电站雷电过电压与绝缘配合进行设计、评估时参考。

电气几何模型；500kV变电站；雷电侵入波；风险评估

500kV变电站是电力系统的重要枢纽，雷电侵入波导致的事故是电网大面积停电的重要危害。年预计变电站雷电侵入波次数是500kV变电站雷电侵入波风险评估的主要影响因素，以往大量标准、报告、论文中仅采用规程法、电气几何模型法对500kV变电站雷电侵入波风险进行工程性的计算评估[1-5]，而国内外提出了大量电气几何模型[4,6-8]，并没有研究过电气几何模型对500kV变电站雷电侵入波风险评估的影响。

现如今在国家电网公司精细化管理、标准化设计的背景下，深入研究电气几何模型对500kV变电站雷电侵入波风险评估的影响，是500kV变电站雷电过电压与绝缘配合的设计、评估基础，对 500kV变电站雷电环境下设计的可靠性和经济性有重要的工程意义。

本文采用Matlab编写的电气几何模型程序结合ATP-EMTP建立的500kV变电站雷电侵入波模型，以变电站主变平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）定义变电站雷电侵入波风险，研究了不同电气几何模型下，雷电流幅值分布、进线段杆塔高度与杆塔接地电阻对变电站主变MTBF的影响。

1 国内外电气几何模型比对分析

当前国内外500kV变电站雷电侵入波风险评估所用的电气几何模型由Wagner等人在1961年基于试验室雷击模型试验首次提出，后经过试验室雷击大比例尺模型试验和现场观测结果统计分析的修正，得出11个改进电气几何模型。电气几何模型的核心是雷电击距[4,6-8]，亦可称为雷击目的物的引雷半径，雷电下行先导对导线的击距[4]rc为

式中，I为雷电流幅值，kA；a和b是试验或观测统计得出的常数。

雷电下行先导对地面的击距[4]rg为

式中，I为雷电流幅值，kA；c和d是试验或观测统计得出的常数。

以往国内外提出的电气几何模型种类繁多，本文通过大量调研国内外标准、报告、论文中 500kV输电线路、变电站雷电侵入波风险评估方法，总结出表1中4种常用的电气几何模型用于本文分析。表中，h为导线平均高度，m；EHV和UHV分别代表超高压、特高压线路。不同电气几何模型得出的导线引雷半径差异显著。正是这一差异，将导致采用不同电气几何模型得出500kV变电站雷电侵入波风险评估结果不同。

表1 用于分析的不用的电气几何模型参数

2 500kV变电站雷电侵入波风险评估模型

2.1 500kV变电站雷电侵入波幅值计算模型

500kV变电站雷电侵入波过电压计算的模型如图1所示，在ATP-EMTP中建模主要分为变电站主接线和变电站进线段两块模型。

500kV变电站站内设备、接线数量繁多，一般在雷电侵入波过电压计算时要将其进行化简，因为辅助设备、接线越多，对雷电侵入波的分流越大，简化后的模型分析的是雷击风险较高的情况。简化后的500kV变电站主接线模型如图2所示。

图1 500kV变电站雷电侵入波过电压计算示意图

图2 500kV变电站雷电侵入波过电压计算主接线图

在雷电过电压波的频率范围内，变电站各主设备都呈入口电容状态，主变入口电容取5000pF，断路器入口电容取 800pF，电压互感器入口电容取3000pF，隔离开关入口电容取 300pF，电流互感器入口电容取 1000pF。站用避雷器采用 Y20W-444/1106，其标称额定电压为 444kV，标称放电电流（8/20μs）为15kA。由于研究主要因素为电气几何模型，考虑篇幅，本文仅列出主变雷电侵入波过电压下的MTBF结果，主变雷电全波冲击耐受电压幅值为1425kV，绝缘配合系数取1.15。站内母线、设备连线采用波阻抗模型，取300Ω，变电站接地电阻取1Ω。

在变电站进线段模型中，进线段杆塔导线采用水平三相排列，导线间水平距离为14.9m，地线间水平距离为 24.8m，避雷线悬挂点距离导线悬挂点的垂直距离为5.5m，导线悬挂点的的垂直高度为27m，导线型号为 4分裂 LGJ-400/35，导线直流电阻为0.0739Ω/km，线路档距为300m，导线弧垂为14m，地线型号为JLB4-150，地线直流电阻为0.2952Ω/km，地线弧垂为8.5m。线路采用25片垂直悬挂的FC70P-146玻璃绝缘子，绝缘子串总长为4.23m，绝缘强度为2138kV，采用先导发展模型模拟绝缘子闪络。杆塔采用多波阻抗模型，杆塔接地电阻取7Ω，土壤电阻率为100Ω·m。雷电流模型采用国际上广泛使用的Heidler函数，波形取3.83/77.5μs，雷电通道波阻抗取300Ω。考虑篇幅，本文仅列出雷击进线段靠近变电站的第二基杆塔塔顶的结果。

2.2 500kV变电站内主设备MTBF计算模型

以往国内外在变电站年预计雷电反击侵入波发生次数NL主要采用规程法，如国内规程[1]：

式中，Ng为地闪密度，次/km2/年；b为两根避雷线之间的距离，m；hg为避雷线平均高度，m。

IEEE标准[4]规程法采用：

这两类变电站年预计雷电侵入波发生次数算法来源于国内外早期较低电压等级、线路高度较低的雷击统计数据，而该统计数据与当前国内超、特高压电压等级高杆塔线路的情况存在较大差异，因此需要采用电气几何模型法进行计算。如图3所示，500kV变电站进线段地线引雷半径为

图3 电气几何模型计算500kV变电站进线段线路引雷半径示意图

线路等效引雷半径为

式中，ID是hg=rg时的临界雷电流，kA。

500kV变电站年预计雷电反击侵入波发生次数为

式中，g为击杆率，对于500kV装设双避雷线g取1/6。

由于以往研究表明，对于500kV电压等级的变电站，即便是最大绕击电流（根据电气几何模型，超过该电流幅值的雷电将击中避雷线或地面）雷电击中变电站进线段产生的绕击侵入波幅值也不会对变电站内设备造成威胁，因此，本文只研究 500kV变电站雷电反击侵入波风险评估的情况。

变电站主变平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）在本文研究中定义为：雷电反击侵入波过电压超过500kV变电站主变冲击绝缘水平的发生年限，单位为年/次，计算如下：

式中，IF为2.1节采用ATP-EMTP计算得出使反击侵入波过电压超过500kV变电站主变冲击绝缘水平的反击雷电流幅值，kA；Pb(IF)为雷电流幅值分布函数[9]，即

式中，α 为中值雷电流，kA；β 为无量纲系数，采用上海地区雷电定位系统 2003—2011年统计的平均分布，α 为26.7kA，β 为2.4。

3 不同电气几何模型的影响分析

3.1 不同雷电流幅值分布的情况

不同地区雷电流幅值分布差异极大，本文采用雷电定位系统在广东省[10]、云南省[11]、广州市[10]长期观测得出的结果（对应的α 分别为 22.78kA、29.20kA、36.70kA；对应的β 分别为2.58、2.40、3.00）分析不同雷电流幅值分布下，电气几何模型对500kV变电站雷电侵入波风险评估的影响，计算结果如图4所示。

根据图4的结果可得出以下结论：

1）雷电流幅值分布中值电流越小，MTBF越高，即变电站雷电侵入波风险越低。

2）在不同电气几何模型下，MTBF差异显著，雷电流幅值分布中值电流越小，电气几何模型对MTBF的影响越显著。

图4 不同雷电流幅值分布下电气几何模型对500kV变电站MTBF的影响

3.2 不同进线段杆塔高度的情况

计算得到变电站进线段杆塔高度为 32.5m、38.5m和44.5m的情况下，电气几何模型对500kV变电站雷电侵入波风险评估的影响，计算结果分别如图5至图7所示。

根据图5至图7的结果可得出以下结论：

图5 杆塔高度为32.5m时电气几何模型对500kV变电站MTBF的影响

图6 杆塔高度为38.5m时电气几何模型对500kV变电站MTBF的影响

图7 杆塔高度为44.5m时电气几何模型对500kV变电站MTBF的影响

1）杆塔高度增加，MTBF减小，即变电站雷电侵入波风险增高。

2）在不同电气几何模型下，MTBF差异显著；在不同杆塔高度下，电气几何模型对MTBF的影响接近。

3.3 不同进线段杆塔接地电阻的情况

在计算得到变电站进线段杆塔接地电阻分别为10Ω、15Ω和20Ω的情况下，电气几何模型对500kV变电站雷电侵入波风险评估的计算结果分别如图 8至图10所示。

图8 杆塔接地电阻为10Ω时电气几何模型对500kV变电站MTBF的影响

图9 杆塔接地电阻为15Ω时电气几何模型对500kV变电站MTBF的影响

图10 杆塔接地电阻为20Ω时电气几何模型对500kV变电站MTBF的影响

根据图8至图10的结果可得出以下结论：

1）杆塔接地电阻增加，MTBF减小，即变电站雷电侵入波风险增高。

2）不同电气几何模型下 MTBF差异显著，在不同杆塔接地电阻下，电气几何模型对MTBF的影响接近。

4 结论

本文分析了在不同电气几何模型下，雷电流幅值分布、进线段杆塔高度与杆塔接地电阻对 500kV变电站雷电侵入波风险评估的影响，得到以下结论：

1）不同电气几何模型下变电站主变MTBF有显著差异，因此，在500kV变电站雷电过电压与绝缘配合的设计、评估时，需要有针对性的选择电气几何模型。

2）在不同电气几何模型下，雷电流幅值分布中值电流提高、杆塔高度增高、杆塔接地电阻增大都会导致变电站主变MTBF下降。

[1]中华人民共和国电力工业部.DL/T 620—1997.交流电气装置的过电压保护与绝缘配合[S].北京: 中国电力出版社,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]贾东瑞,谢兴利,赵东成.基于ATP的500kV GIS变电站雷电侵入波过电压分析[J].电瓷避雷器,2013,256(6): 100-105,111.

[6]General Electric Company.Transmission line reference book 345kV and above[Z].Palo Alto[Z],1982.

[7]Armstrong H R,Whitehead E R.Field and analytical studies of transmission line shielding[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1968,87: 270-281.

[8]Taniguchi S,Tsuboi T,Okabe S A,et al.Method of calculating the lightning outage rate of large-sized transmission lines[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2010,17(4): 1276-1283.

[9]司文荣,张锦秀,傅晨钊,等.2003-2011年上海地区雷电活动规律及落雷参数分析[J].华东电力,2012,40(10): 1734-1737.

[10]陆国俊,熊俊,陈家宏,等.广州地域 1999～2008年地闪密度图及雷电参数分析[J].高电压技术,2009,35(12): 2930-2936.

[11]马御棠,隋彬,曹晓斌,等.惠州地区雷电活动规律研究[J].南方电网技术,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，硕士，长期从事超高压变电运行、电网调度及监控工作。