雷擊過電壓影響下變電站避雷器配置優化研究

王越

摘要：變電站供電線出現雷擊會給供電系統的穩定性帶來顯著影響，同時主要的電氣設備絕緣能力無法自動修復。就變電站而言，若避雷器配置數量過少則無法有效應對雷擊影響。為此，對變電站雷電侵入波過電壓進行分析對避雷器配置方案合理布置及優化具有重要意義。文中以變電站為研究對象，對避雷器配置進行優化，在一定程度上提高了變電站運行安全保證能力。

關鍵詞：雷擊;過電壓;避雷器;配置優化

引言

雷電活動頻繁，架空線路易遭受雷擊，雷電波會沿著導線進入變電站。按照交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合規定設置進線保護段，即采用雙避雷線，并盡可能降低桿塔接地電阻，使進線保護段具有較高的耐雷水平;并在變電所母線上裝設無間隙金屬氧化物避雷器（MOA），MOA與電氣設備間的最大距離不超過規定的數值，是可以滿足110kV和220kV敞開式變電站的耐受雷電侵入波過電壓要求的。但電網有時會存在進線斷路器出現暫時性分閘狀態，其與雷電侵入波兩種情況的疊加就可能在斷路器末端反射產生很高的過電壓，引起敞開式變電站內進線斷路器及CT等設備事故。

1變電站主要設備模型

桿塔是雷擊入侵的重要元件，桿塔選用多波阻抗模型，可較為準確地反應桿塔布置形狀給雷電侵入波在畸變、折發射等方面造成的影響。絕緣子閃絡過程模擬采用長岡非線性電感模型;輸電線路導體建模使用馬蒂模型。避雷器使用呈現出非線性U-I特征，文中用非線性電阻模型（type99）表征避雷器。變電站內的其他電器設備模型構建則采用入口電容簡化處理。分析使用雙指數雷電波模型，雷電波波頭、波尾時間為2.6、50μs;反擊雷電流、繞擊雷電流波阻抗，幅值分別為300Ω、800Ω，240kA、30kA。

2仿真分析

2.1第一次雷擊計算

由雷擊記錄可知無法造成反擊閃絡，此處僅對繞擊做仿真。仿真中考慮到雷擊時刻220kV線路工頻電壓影響，在一個工頻周期內每隔60°計算一次，其中相角以A相電壓余弦表達式為基準，計算雷電繞擊C相的耐雷水平，計算結果為：相角分別為0/60/120/180/240/300°時，繞擊C相分別為8.9/8.0/8.9/10.2/10.9/10.2kA，均值為9.5kA。當-20kA超過C相繞擊閃絡耐雷水平（約9.5kA，具體與工頻相角有關），可造成C相繞擊閃絡。

2.2反擊過電壓

雷擊點選擇在2號桿塔反擊導線處并結合一線一變情況，桿塔自身接地電阻為10Ω，構建仿真模型，對不同接線運行方式下反擊過電壓影響情況進行分析，從仿真結果看出，各位置的過電壓值均未超過允許值且均有一定的絕緣裕度;反擊過電壓對母線、斷路器及主變電站等位置產生的過電壓趨勢與繞擊過電壓一致。

2.3第二次雷擊計算

在線路第一次遭雷擊時平地站220kV線路保護動作，線路開關跳閘。由于線路開關重合閘的設置為1s，在315ms后線路遭第二次雷擊時線路開關未動，開關為斷開狀態。220kVC相第二次接地故障時，雷電波沿著線向平地站方向傳播，此時線路C相開關處于分閘狀態，雷電波在開關端口位置發生波反射，避雷器距離開關斷口較遠（79m），開關斷口處的電壓將大幅提高。對此進行仿真，將變電站等效為帶內阻的電壓源，電阻按容量折算。終端塔三相均安裝線路避雷器。在-12kA雷電流繞擊C相情況下，C相導線電位達到約1518kV，傳播至終端塔，避雷器盡管吸收一部分能量，斷口電壓達1437kV超過開關沖擊耐受電壓1050kV，即斷路器斷口和CT端部的雷電過電壓均明顯超過其絕緣的雷電沖擊耐受電壓，造成斷路器斷口擊穿和CT主絕緣擊穿。

3原因分析

避雷器選型錯誤.變電站用避雷器是根據站內電氣設備的絕緣水平選擇的，一般考慮操作過電壓、雷電過電壓和沖擊過電壓等因素，要綜合考慮這些因素確定避雷器的動作電壓和殘壓。由于出線設備與其它變電設備的耐雷水平相同，變電站出線避雷器的選擇原則應與變電站母線避雷同樣[4]。即當線路遭受雷擊過電壓、雷擊過電壓侵入變電站時出線避雷器動作，消除雷擊過電壓。特別是出線開關因檢修、試驗或其它原因處于分閘狀態時，只有出線間隔避雷器保護出線間隔設備。線路用避雷器是專門用于消除安裝桿塔在遭受雷擊后出現的過電壓。不考慮操作過電壓，即要求在操作過電壓下間隙不擊穿，避雷器不動作，以免避雷器頻繁動作影響線路正常運行。線路避雷器是由一個間隙和一個氧化鋅避雷器串聯組成。當線路遭到雷擊時，雷電過電壓擊穿空氣間隙，然后使避雷器導通泄露雷電能量。雷電過電壓消失后，氧化鋅電阻片又恢復絕緣狀態。因此它的動作電壓為U50%放電電壓，要比站用避雷器動作電壓高得多[2]，不同避雷器型號的起始動作電壓（kV）與殘壓（kV）分別為：YH10W-200/496W為304、496;Y（H）10W-204/532為304、532;YH10CX-204/592為862/1004、592。

4避雷器安裝

不同避雷器的外形與尺寸差別較大，外表面的材質也不盡相同，既有堅硬的瓷套保護殼，也有一定變形量的硅膠保護層，因此有必要研究適應不同種類避雷器的自動化更換技術和自動化更換工具。以環形電極外串聯間隙避雷器為例，避雷器與絕緣子通過金屬支架連接，安裝在桿塔橫擔上，環形電極與被保護的絕緣子同軸心。不考慮前期防護步驟，一般性的人工操作安裝步驟為：松開絕緣子與橫擔連接處的螺母;扶住并向上抬起絕緣子，與橫擔上部形成間隙;從環形電極開口處將避雷器插入絕緣子;將避雷器金屬支架插入絕緣子與橫擔的間隙，調整避雷器與絕緣子的距離，保證環形電極與絕緣子同心，以及保證串聯間隙;放下絕緣子，壓住金屬支架;重新上緊緊固螺母，完成安裝。由以上步驟可見，人工操作繁瑣，操作需細致準確，工人的雙手需時刻扶住操作對象，沒有中途停歇機會。

結束語

1）按照相關規程、規范要求，將主變壓器允許過電壓值1348kV，電流互感器及電壓互感器允許過電壓值1523kV，對雷擊影響下主變壓器、母線及斷路器等位置過電壓進行監測，發現各位置過電壓值均未超過允許時且有一定絕緣裕度;當避雷器與主變電站間距超過30m時，若母線側未配備避雷器則雷擊過電壓可能會擊穿主變電側絕緣;2）根據模擬仿真結果，變電站避雷器配置建議采取下述方案：500kV入口位置布置一組444/1106避雷器（放電電流20kA）、母線位置無需布置避雷器、主變電側距離25m內布置一組444/1106避雷器（放電電流20kA）。采取上述避雷器配置方案可有效避免雷擊給變電站運行帶來的影響。

參考文獻：

[1]譚永杰.雷擊過電壓影響下發電廠變電站避雷器配置優化研究[J].機械管理開發，2021，36（03）：100-101+119.

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[4]張熙.變電站避雷器在線監測系統的研究與設計[J].通訊世界，2019，26（06）：230-231.

[5]王禎.雷電過電壓作用下的發電廠及變電站避雷器配置優化研究[D].山東大學，2019.