1000kV變電站雷電入侵波仿真研究

李國毅 姜聿涵 秦大海 徐 聞

（西華大學電氣信息學院，成都 610039）

1000kV變電站雷電入侵波仿真研究

李國毅 姜聿涵 秦大海 徐 聞

（西華大學電氣信息學院，成都 610039）

本文將進線段和變電站結合起來，考慮輸電線路的沖擊電暈、工頻電壓對1000kV變電站雷電入侵波的影響。基于電暈伏庫特性曲線，建立了沖擊電暈的模型，運用ATP-EMTP仿真了1000kV GIS變電站的雷電入侵波，仿真結果表明：沖擊電暈能降低入侵波的幅值和陡度，變電站內設備過電壓幅值會降低；處于負半周的工頻電壓會增大過電壓幅值，處于正半周的工頻電壓會減小過電壓幅值。

沖擊電暈；工頻電壓；1000kV變電站；ATP-EMTP

1000 kV變電站是電力系統的關鍵樞紐，發生故障會引起嚴重的后果，雷害是變電站發生故障的主要因素。變電站遭受雷害來自兩個方面：雷直擊變電站，造成設備損壞；雷擊中輸電線路桿塔或避雷線，造成絕緣子閃絡，或者雷擊導線，波沿著線路傳進變電站，造成設備損壞；前者稱為直擊雷，后者稱為雷電侵入波。造成雷害的主要因素是雷電侵入波[1]。

影響雷擊的兩個因素：沖擊電暈和線路參數的頻變特性，其中沖擊電暈起主要作用[2]。當發生電暈時，導線對地電導和電容都將增大，行波會發生畸變，在變電站防雷設計中，忽略電暈將影響其設計的準確性。1000kV的工作電壓已經達到其閃絡電壓的20%左右，工作電壓的影響已經不能忽略。本文將考慮沖擊電暈和工作電壓對變電站防雷設計的影響。

1 考慮沖擊電暈的線路模型

1.1 電暈伏庫特性曲線

伏庫特性是研究沖擊電暈對波的影響—衰減或是變形的基礎，伏庫特性一般是實驗室測得，也可以經過電場理論的電暈模型來進行計算[3]。典型的伏庫特性如圖1所示，可將其分為3段[4]。

OA段：描述其波頭部分，此時的電壓 u小于電暈起始電壓 u0，該部分的斜率就是指導線的 C0=q0/u0。

AB段：該階段電壓u大于或等于電暈起始電壓u0。隨著電壓增大，游離增強，線路周圍極性相同的電荷越來越多。由于空間電荷的數量增加，大量的電荷就形成一個套子圍繞在導線的周圍，其徑向的導電性比較好。此段電暈的伏庫特性并不是線性的，該曲線有一點上翹，導線的對地電容具有動態的特點，動態電容 Cd=dq/du＞C0。但由于電暈套軸向的電導非常的小，使得電流基本上都在導線內，因此電暈對導線的電感造成的影響是可以不考慮進去的。

BC段：對應于波尾部分，此時u＜um（沖擊波幅值）。雷電波是一個快速的變化過程，過程中的空間電荷幾乎沒什么變化，所以因電壓變小，電荷也將變少，此時的特性近似平行。

由伏庫特性曲線可知：AB段近似直線，可以用最小二乘法來擬合成直線段，得到其斜率[5]Cd=dq/du=1.65C0。

分裂導線電暈起始電壓可用式（1）進行計算[6]：

式中，n指分裂導線數，rd指導線半徑（cm），Ecor指起暈場強（kV/cm），hd指導線平均高度（cm），re指分裂導線的等效半徑（cm），d指分裂間距（cm）。

Ecor可由Peek公式得到[7]

式中，E0指空氣擊穿場強，取30kV/cm，m指導線表面的粗糙系數，取0.82，f指電壓極性系數，正電壓取0.5，正電壓取1.0，δ 指相對空氣密度，取1.0，rd為導線半徑（cm）。

1.2 沖擊電暈等效模型

建立沖擊電暈等效模型如圖2所示。

符號VD代表的是單向導通的二極管。Cf為電暈的附加電容，符號K代表的是一個受電壓控制的開關。其中，Cf=Cd-C0=0.65C0。電壓小于電暈起始電壓時，受電壓控制的開關K斷開，由于頻率特性，線路此時處于自然狀態，因此可以模擬伏庫特性的第一段；K導通表示此時的電壓比電暈起始電壓高，AB段用把 Cf接通來表示；利用二極管將電暈附加電容切除，來模擬BC段。

圖2 電暈等效模型

2 仿真模型建立

2.1 1000kV GIS變電站電氣主接線圖

圖3是1000kV GIS變電站電氣主接線簡圖[8]，在高壓電抗器R、電容式電壓互感器CVT、兩條母線及主變回路出線處各安裝一組避雷器。

圖3 1000kV GIS變電站電氣主接線簡圖

2.2 雷電流模型

采用我國防雷設計推薦的2.6/50μs的雙指數波

仿真時選取的雷電流幅值 250kA，其發生概率為 1.44‰，取負極性。通過計算得，α=1500，β=1860000，A=1.058。雷電通道波阻抗取300Ω。

2.3 桿塔模型

現在桿塔模型眾多[9]，主要有：集中電感模型、單波阻抗模型和多波阻抗模型。GIS變電站2km進線段內采用的是單回輸電線路的酒杯桿塔，本文采用由日本推薦的用于超高壓和特高壓的多波阻抗模型，如圖4所示。

圖4 桿塔的多波阻抗模型（單位：mm）

其中 Z11=Z12=220Ω，Z13=220Ω；R11=8.32Ω、R12=20.37Ω、R13=33.47Ω；L11=3.49μH、L12=8.53μH、L13=14.01μH。

2.4 輸電線路模型

在本文的仿真運用ATP-EMTP自帶的LCC模塊仿真輸電線路，選擇 Jmartii模型。可以不用再去考慮被雷電擊中的避雷線、已經閃絡導線對未閃絡導線之間的耦合作用，同時這樣還能提高計算精度。再把輸電線路分成若干段，每一段插入上面提及的沖擊電暈等效模型，認為每段當中，附加電容是不變的。研究表明，線段取50～100m時對結果幾乎無影響，本文取50m。1#—6#桿塔接地電阻取10Ω，0#桿塔取7Ω。

2.5 絕緣子串模型

采用壓控開關來模擬絕緣子串的閃絡，當絕緣子串兩端電壓高于50%沖擊閃絡電壓時，認為擊穿，取U50%=4MV[10]。

2.6 避雷器模型

1000 kV特高壓系統采用額定電壓為 828kV的金屬氧化物避雷器，雷電保護水平為1620kV，標稱放電電流20kA[11]。ATP-EMTP形成的伏安特性曲線如圖5所示。

圖5 避雷器伏安特性曲線

2.7 變電站線路和設備參數

導線型號：8×LGJ-500/45，8分裂，分裂間距400mm，子導線半徑15mm，弧垂17m。

避雷線型號：LBGJ-150-20AC鋁包鋼絞線，弧垂15m。

站內設備參數見表1。

表1 設備入口電容和沖擊絕緣水平

3 仿真分析

雷擊進線段2km內的近雷區比遠雷區嚴重，而在近雷區中，雷擊1#桿塔時，造成站內設備過電壓往往是最嚴重的[12-13]，因此本文對雷擊桿塔1#進行分析，考慮進線段沖擊電暈和工作電壓，運用ATP-EMTP建立的部分仿真圖如圖6所示。

圖6 ATP-EMTP建立的部分仿真圖

3.1 沖擊電暈的影響

雷擊1#桿塔時，變電站內主要設備，電抗器R、電壓互感器CVT-L、電壓互感器CVT-T、主變壓器T的最大過電壓幅值和出現時刻見表2。

表2 主要設備最大過電壓幅值和出現時刻

從表2可以看出，沖擊電暈使得過電壓波形衰減和變形，且有一定的延時，降低了過電壓幅值和陡度，對防雷設計是有利的。在很多仿真設計中，忽略電暈，使得絕緣要求提高，增加了成本，不夠經濟。

3.2 工頻電壓的影響

1000 kV的工頻電壓已經占到絕緣子串閃絡電壓的20%左右，應該考慮其對雷電過電壓的影響，表3為計與不計工頻電壓時，變電站內主要設備最大過電壓幅值。

表3 計與不計工頻電壓對過電壓的影響

由表3可以看出考不考慮工頻電壓對過電壓的影響是很大的，因為過電壓的最大值是工頻電壓和雷電波疊加的結果，計算設計時應當考慮工頻電壓。而且工頻電壓隨著相角的不斷變化，其幅值也是不斷變化的，其不同幅值時和雷電波疊加的效果也就不同。應當考慮不同相角時，工頻電壓對雷電過電壓的影響。由于雷電為負極性，當與處于正半周的工頻電壓疊加時，會降低過電壓幅值，與處于負半周的工頻電壓疊加時，則相反。表4為不同相角時，雷擊1#桿塔時，主變壓器T的最大過電壓幅值。

表4 不同相角時主變壓器T的最大過電壓幅值

由表4可看出，A相初相角為 180°時比初相角為0°的過電壓高了257.1kV，這就是由于工頻電壓不同瞬時值的疊加效果。對比表3和表4得到，不計工頻電壓和計工頻電壓初相角為90°時，主變壓器 T上過電壓近似相等，可以認為0～90°時，雷電波與處于正半周的工頻電壓疊加，降低了過電壓幅值；90°～180°時，雷電波與處于負半周的工頻電壓疊加，增大了過電壓幅值。因此，建議防雷設計時，以雷電波正好與工頻電壓在負半周的最大幅值處疊加時，來從嚴考慮設備的絕緣保護。

4 結論

將進線段和變電站結合起來，在ATP-EMTP中，建立了考慮沖擊電暈的輸電線路模型，仿真結果表明，沖擊電暈能降低雷電波入侵時，變電站內設備的過電壓幅值和陡度，有利于防雷保護，節約絕緣成本，我們應該考慮。1000kV工頻電壓已經達到絕緣子串50%放電電壓的20%左右，已經不能忽略工頻電壓的影響；且工頻電壓隨著初相角的不同，不斷變化著，設備過電壓的幅值也不斷變化著，在負半周的工頻電壓會增大過電壓幅值，在正半周的工頻電壓會減小過電壓幅值。因此，建議在防雷設計時，以處于負半周的工頻電壓最大幅值來確定設備雷電過電壓保護。

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The Simulation of Lightning Invasion Wave on 1000kV Substation

Li Guoyi Jiang Yuhan Qin Dahai Xu Wen
(School of Electrical and Information Enginerring, Xihua University, Chengdu 610039)

Combining into lines and substations, this article considers impulse corona and the frequency voltage of transmission lines affect 1000kV Substation lightning invasion wave. Establish impulsive corona model based on Corona V characteristic curve library. Using ATP-EMTP simulates of lightning invasion wave of 1000kV GIS substation. Simulation results show that: Corona can reduce the impact of lightning invasion wave amplitude and steepness, and the amplitude of over-voltage of substation equipment will reduce; In the negative half cycle of the power frequency voltage will increase the amplitude of over-voltage, and the positive half cycle of the power frequency voltage will reduce the amplitude over-voltage.

impulse corona; frequency voltage; 1000kV substation; ATP-EMTP

李國毅（1988-），男，四川廣安人，碩士研究生，研究方向為輸電線路防雷。