特高壓GIS變電站雷電侵入波行波特征及其影響因素的仿真研究

李 雍，郭 飛，羅輝勇，趙晨楠

(1.國網河南省電力公司營銷服務中心(計量中心)，鄭州 450000；2.國網河南省電力公司經濟技術研究院，鄭州 450000；3.國網河南省電力公司直流中心，鄭州 450000；))

0 引 言

確定各電氣設備的絕緣水平是絕緣配合的核心問題，其中雷電沖擊試驗是考核絕緣耐受水平的重要內容之一，在對變電站電氣設備進行雷電沖擊高壓試驗時使用的是IEC 60060-1及中國國標規定的標準雷電波，1.2 μs/50 μs[1-3]。標準雷電波形是基于1929年美國實測數據修正得到的，該波形是不考慮波過程受變電站及電氣設備影響的情況下的雷電引起暫態過電壓的代表波形。隨著電力系統的發展，特高壓變電站比當時的變電站的規模更加龐大、結構更加復雜、ZnO避雷器的應用更加廣泛，這些因素一方面會導致現有輸電線路上的直擊雷電波形參數與以往采集的數據存在差異，另一方面會導致入侵現有站內電力設備的雷電波與以往輸電線路上雷電數據大有不同，最終可能出現變電站電氣設備實際承受雷電侵入波與標準雷電波波形差異較大的情況。有關研究表明[4-5]，不同波形參數的雷電波對絕緣介質的擊穿特性產生的影響不同。因此，采用標準雷電波代替非標準雷電波進行雷電沖擊高壓試驗會導致出廠電氣設備的絕緣水平與實際情況之間存在偏差，最終影響變電站電氣設備絕緣水平的真實性以及防雷保護的可靠性。

2000年以后，隨著監測技術的不斷發展，重慶大學[6]、武漢大學[7]、華北電力大學[8]、西華大學與四川電科院[9]等科研院所先后開展了變電站雷電暫態過電壓的實測研究，研究涉及的變電站電壓等級主要是220 kV及以下。文獻[10-11]對采集到的雷電過電壓行波特征做了簡單定性分析。文獻[12-13]分別使用ATP-EMTP建立特高壓變電站模型，從過電壓幅值的角度研究了雷電侵入波的影響因素。文獻[14]以500 kV變電站為例對變電站雷電侵入波波形特征及其影響因素做了初步研究。但針對特高壓變電站雷電侵入行波規律、波形特征、變電站設備在實際行波參數下絕緣耐受水平進行詳細研究的有關文獻較少。

該文利用ATP-EMTP暫態仿真軟件，基于國內某特高壓GIS變電站的實際工程參數，建立“雷電源-線路-變電站”的特高壓GIS變電站整體仿真模型，針對其他文獻仿真分析忽略雷電侵入波行波特征和行波規律的問題，以及實際工況下，電氣設備的絕緣耐受水平與雷電沖擊試驗時標準雷電沖擊波形下絕緣耐受水平是否相同的問題，從暫態仿真的角度對特高壓變電站雷電侵入波行波特征、影響因素、實際行波特征下變電站電氣設備的絕緣耐受特點進行研究。

1 變電站電氣主接線及仿真模型

1.1 變電站電氣主接線

以中國某1 000 kV GIS變電站作為研究對象，其變電站初期的電氣主接線圖如圖1所示。從圖1可以看出，該變電站配電裝置側采用3/2接線方式，初期工程共有4回出線，2個變壓器，構成2個完整串和2個不完整串。

圖1 特高壓變電站電氣主接線圖Fig.1 The main electrical wiring diagram of UHV substation

1.2 模型等效

1.2.1 雷電源等值模型

1)雷電源參數。在研究特高壓變電站雷電侵入過電壓行波特征及其對絕緣的影響時，為了和雷電沖擊耐壓試驗波形參數一致，取雷電源波形參數為1.2 μs/50 μs。繞擊計算時雷電通道波阻抗取800 Ω，反擊計算時取300 Ω[15]。

2)最大繞擊雷電流。根據文獻[15]采用擊距算式：

r=10I0.65

(1)

最大擊距算式：

F=k2-sin2(α+θ)

G=F[(hs+hc)/(cosαcosθ)]2

(2)

式中：hs為避雷線的平均高度，m；hc為導線的平均高度，m；α為避雷線保護角；θ為地面傾角；k為擊距系數。擊距系數按文獻[15]取上相、中相為0.7，下相為0.8。運用MATLAB編程計算所得最大繞擊雷電流幅值如表1所示。

表1 最大繞擊雷電流Table 1 The maximum shielding failure lightning current

1.2.2 進線段設備模型

1)桿塔。隨著特高壓輸電網的建設，桿塔高度達百米以上，結構呈復雜趨勢，T.Hara等學者的多波阻抗模型，對桿塔分層化處理更加符合實際波過程。該文采用此種方法，選取某典型特高壓同塔雙回路桿塔，桿塔結構如圖2所示。

圖2 1 000 kV同桿雙回桿塔Fig.2 1 000 kV double circuit tower on the same pole

2)輸電線路模型。線路模型的選取與雷擊過電壓行波的頻率密切相關。該文仿真特高壓進線段架空輸電線路時選用J.Marti模型。為消除線路終端行波反射造成的影響，根據仿真時間選用不同長度的架空線路連接至線路末端，使得計算結果不受反射回來的行波的影響。進線段架空線路采用1 000 kV同塔雙回架設方式，進線段導線型號為8×LGJ-630/45，分裂間距為400 mm；地線型號分別為LBGJ-240-20AC,OPGW-240;導地線弧垂分別為18.6 m，13 m；檔距取500 m，0號桿塔與1號桿塔距離取80 m。

3)絕緣閃絡判據。先導法更加符合雷電梯級先導發展的物理實際，采用該模型作為絕緣子閃絡判據更加嚴密。該文選用先導法作為絕緣閃絡判據，并利用EMTP中的開發模型功能，采用Models語言編程，建立閃絡模型。

4)避雷器模型。避雷器伏安特性采用分段線性化方法進行處理。根據技術規范[16]，避雷器伏安特性如表2所示。

表2 氧化鋅避雷器伏安特性參數Table 2 Volt-ampere characteristic parameters of ZnO arrester

1.2.3 進線段設備模型

1)取GIS的波阻抗為95 Ω，波在GIS中的傳播速度取光速。

2)對于變電站站內導線和母線全部采用具有分布參數的單相Clarke模型進行模擬。

3)在變電站雷電侵入波的計算中，站內電氣設備如變壓器、互感器、斷路器等均可用入口電容進行模擬等效[17]，具體參數如表3所示。

表3 設備的入口電容數值Table 3 The entrance capacitance value of the equipment

1.2.4 仿真步長的選擇

EMTP程序基于貝杰龍原理采用線性插值計算雷電過電壓[12]，計算步長選取過大，對接線的誤差影響較大，有時可造成程序無法運行；選取過小，計算節點增加，計算累計誤差增大。該文仿真計算中計算步長選擇1.0×10-9s。

1.2.5 其他說明

線路的電暈有降低雷電侵入波過電壓的作用，但是目前電暈模型的爭議較大，沒有有效而方便的模擬線路電暈的方法[18]，該文研究未計及沖擊電暈的影響。

2 計算結果分析

2.1 雷電侵入波行波特征影響因素分析

2.1.1 雷擊類型

特高壓變電站雷電侵入波由雷擊輸電線路在雷擊點附近形成的初始雷電侵入波傳播形成，該初始電壓行波的波形規律和特點由雷擊類型和變電站本身的暫態響應特性共同決定。雷擊類型主要可分為以下4種情況。

1)雷電繞擊導線但未引起絕緣子閃絡；

2)雷電繞擊導線，同時引起絕緣子閃絡；

3)雷電擊中避雷線(或塔頂)并沒有引起絕緣子閃絡；

4)雷電擊中避雷線(或塔頂)并引起絕緣子閃絡。

為研究雷擊類型對雷電侵入波波形規律的影響，針對上述4種雷擊情況進行仿真計算。假設雷擊發生在輸電線路的中間位置，雷擊點過電壓不受相反方向反射回來的電壓行波和電流行波的影響。雷擊發生在10 μs時，桿塔接地電阻為10 Ω，門構接地電阻為7 Ω，地面傾角為15°，由表1知此時繞擊上相導線的最大雷電流為-55.14 kA，其他雷擊條件見表4。則該桿塔絕緣子流過的電流波形如圖3所示，距離雷擊點500 m處導線上的電壓波形如圖4所示。

表4 仿真條件Table 4 Simulaion conditions

圖3 絕緣子流過的電流波形Fig.3 Insulator current waveform

由圖3可知：當繞擊雷電流為-25 kA時，絕緣子未擊穿；當繞擊雷電流為-55.13 kA時，絕緣子中有最大-54.2 kA的雷電流通過，絕緣子閃絡發生在雷擊后3.39 μs；當反擊雷電流為-250 kA時，絕緣子未擊穿；當反擊雷電流為-280 kA時，絕緣子中有最大5.5 kA的雷電流通過，絕緣子閃絡發生在雷擊后的10.04 μs。

圖4 (a)為雷電繞擊A相未發生閃絡時距離雷擊點500 m處過電壓波形。雷電流直接注入導線使得被繞擊未閃絡相(A相)的過電壓波形類似雙指數波形，導線阻抗的作用使電壓行波波頭時間延遲為2.64 μs，波尾時間未發生明顯變化，約為50 μs。大量負極性雷電流的急劇注入導線使導線過電壓幅值較高，最大為-3.29 MV。B、C相沒有發生繞擊，其雷電過電壓幅值較低，其過電壓主要成分為感應過電壓。

圖4 (b)為雷電繞擊A相發生閃絡時距離雷擊點500 m處過電壓波形。繞擊閃絡相(A相)過電壓波形波頭時間為2.63 μs，幅值高達-7.261 MV。在絕緣子發生擊穿前，過電壓波形類似雙指數波形，絕緣子發生擊穿后，雷電過電壓通過絕緣子和架空地線迅速流向大地，過電壓幅值急劇減小，波尾出現波形垂直減小的“截波”現象。

圖4 (c)為雷電反擊塔頂未發生閃絡時距離雷擊點500 m處過電壓波形。A相過電壓最大為-1.32 MV，過電壓是雷電在導線和桿塔上產生的感應電壓和耦合電流的共同結果。三相過電壓呈比例上升，且桿塔上層橫擔懸掛的導線過電壓大于中層橫擔懸掛的導線過電壓、中層橫擔懸掛的導線過電壓大于下層橫擔懸掛的導線過電壓，是因為避雷線對導線的耦合分量與兩者間的距離成反比。導線過電壓反復振蕩，是因為行波傳播過程中發生反復折反射。過電壓波形在雷擊后經2.9×10-6s后發生反向轉變(時間t=(19 m+500 m+108 m)/c，19 m代表避雷線橫擔長度的一半，500 m代表行波經過的距離，108 m代表桿塔高度，c代表光速)，是雷擊過電壓在臨近桿塔的泄流與反射共同作用的結果，與仿真結果吻合。雷電反擊但未閃絡時的過電壓波頭時間、波尾時間均增加。但過電壓波形總體仍呈現雙指數波形，波形構成較為復雜。

圖4 距離雷擊點500 m處導線的電壓波形Fig.4 The voltage waveform at 500 m from the lightning strike point

圖4(d)為雷電反擊塔頂發生閃絡時距離雷擊點500 m處過電壓波形。絕緣子閃絡前，過電壓波形和雷電反擊未閃絡相似，閃絡前最高過電壓為-1.490 7 MV。閃絡發生在雷擊后13.11 μs，閃絡后，雷電流通過絕緣子注入閃絡相(A相)，使其過電壓幅值達到-1.162 MV，但因該閃絡發生在波尾階段，所以導線上閃絡后過電壓不是整個雷擊過程中最大的過電壓，閃絡后疊加在原始波形上的過電壓波形仍類似雙指數波形，但擊穿后的波形呈現短波頭、長波尾的特征。

由圖4(a)～(d)可知，繞擊未閃絡、繞擊閃絡、反擊未閃絡、反擊閃絡在距離雷擊點500 m處引起的過電壓幅值分別為-3.29、-7.261、-1.32、-1.490 7 MV。存在如下規律：相同雷擊類型閃絡引起的過電壓大于未閃絡引起的過電壓；同為閃絡或未閃絡時，繞擊引起的過電壓大于反擊過電壓。原因分別為：閃絡時雷擊電流大于未閃絡時的雷擊電流；繞擊時，雷電流“直接”“持續”注入導線，反擊時，雷電流不注入導線或者經絕緣子串的導通短時注入導線。

2.1.2 傳播距離對波形特征的影響

雷擊輸電線路形成的初始雷電波繼續傳播，受到導線阻抗和線路對地導納等線路結構因素、電暈現象的影響使得雷電過電壓行波特征不同于初始形成的雷電過電壓行波。雷擊在架空導線上形成過電壓信號是不同頻率的信號疊加在一起的非周期信號，主要頻段在幾十kHz到幾百kHz之間，不同頻率的信號在相同傳輸介質中發生不同程度的衰減和變形，使初始雷電行波發生不同程度的衰減和畸變。

為了深入掌握雷擊引起的電壓行波在架空輸電線路傳播過程中的畸變和衰減，對繞擊閃絡和繞擊未閃絡進行仿真計算，計算中均假設在I回A相(最上層導線)發生繞擊，桿塔接地電阻為10 Ω，仿真模型的繞擊耐雷水平為36.2 kA。仿真計算中取繞擊未閃絡雷電流為25 kA，繞擊閃絡雷電流為36.5 kA。計算結果如圖5、表5所示。

圖5 雷電過電壓行波在輸電線路上的傳播Fig.5 Transfer of lightning over-voltage travelling waves on the transmission line

由表5可知，當繞擊未閃絡時，隨傳播距離的不斷延長，波頭時間從1.34 μs增加到7.54 μs，50 km處雷電過電壓波頭時間為400 m處雷電過電壓波頭時間的5.63倍，隨輸電線路距離的不斷增大，波頭時間變化較為明顯。當繞擊發生閃絡時，隨傳播距離的不斷延長，波頭時間從1.339 μs增加到7.6 μs。

表5 不同距離的雷擊過電壓波形特征Table 5 Waveform characteristics of lightning overvoltage at different distances

當繞擊閃絡時，隨傳播距離的不斷延長，波尾時間從55.492 μs增加到70.94 μs，50 km處雷電過電壓波尾時間為400 m處雷電過電壓波尾時間的1.28倍，隨輸電線路距離的不斷增大，波尾時間變化相對不大。當繞擊發生閃絡時，隨傳播距離的不斷延長，波尾時間從10.512 μs增加到13.34 μs。波尾時間與初始雷電波過電壓波尾時間(50 μs)差異較大主要原因是，雷擊發生閃絡后，絕緣子串沿面閃絡，雷電流沿絕緣子和避雷線迅速流向大地產生“截波”現象。

當繞擊未閃絡時，隨傳播距離的不斷延長，過電壓幅值的絕對值由3.29 MV減小到2.79 MV；當繞擊發生閃絡時，隨傳播距離的不斷延長，過電壓幅值的絕對值由4.81 MV減小到4.08 MV。

如果忽略變電站行波反射造成的影響，將過電壓觀測點視為變電站入口，可近似認為當傳播距離為0.5、1、1.5、2 km時分別為雷擊1號、2號、3號、4號桿塔的情況，由表5計算結果可知，雷擊變電站2 km進線段內桿塔時，雷擊1號桿塔，雷擊產生的過電壓幅值最大，雷擊2號桿塔，波頭時間最長。

由圖5可知，無論是繞擊未閃絡還是繞擊閃絡，雷電過電壓波形的波頭時間、波尾時間均隨傳輸距離的不斷增大而增大，電壓幅值隨傳輸距離的不斷增大而不斷降低。

2.1.3 電壓互感器對波形特征的影響

特高壓變電站出線處通常布置有電壓互感器。為探究電壓互感器對雷擊過電壓行波特征的影響，通過仿真對其進行了研究。變電站運行方式為出線I、出線III和變壓器T2連接的雙線單變運行方式。雷擊點位于進線段，距離變電站1.58 km處，雷擊方式為繞擊未閃絡(雷電流為-25 kA)。布置和未布置電壓互感器的情況下，變電站入口處和變電站母線上(母線監測點位于圖3中左側I回母線最上端)過電壓如圖6所示。

圖6 電壓互感器對行波特征的影響Fig.6 Influence of CVT on traveling wave characteristics

計算結果表明，電容式電壓互感器的等效電容不會對雷擊過電壓行波特征產生顯著影響。

2.1.4 避雷器對波形特征的影響

避雷器是變電站站內主要的過電壓抑制設備。材料科學的迅速發展，使現在避雷器的非線性伏安特性有了更大的提升。其承受低壓呈現高阻抗、承受高壓導通泄流的特性，對于過電壓幅值有很大的抑制作用。

通過建立“雷電源-線路-變電站”的整體雷電侵入波仿真模型，研究了避雷器對雷電侵入波過電壓波形特征的影響。變電站運行方式為出線I、出線III和變壓器T2連接的雙線單變運行方式。雷擊點位于進線段，距離變電站1.58 km處，雷擊方式為繞擊未閃絡(雷電流為-25 kA)。布置和未布置避雷器的情況下，避雷器安裝位置過電壓、避雷器電流波形圖如圖7所示，電壓監測點為避雷器安裝位置。

圖7 避雷器的電壓和電流Fig.7 Voltage and current of arrester

由圖7可知，布置避雷器后，過電壓最大值的絕對值由1.699 MV下降到1.462 MV，過電壓得到抑制，避雷器動作電流最大值的絕對值為2.084 kA。沒有布置避雷器時，忽略震蕩，過電壓波形總體特征仍類似雙指數波形；布置避雷器后，忽略震蕩，過電壓波形類似被“削峰”的平頂波，波頭時間變化不大，波尾時間略有增加。波形震蕩較為明顯，是由變壓器、互感器等容性設備和輸電線路電感形成的LC震蕩回路所形成。

2.2 雷電侵入過電壓波形特征及其對絕緣的影響

根據理論和仿真分析，雷電侵入電力系統后，其過電壓行波特征受到雷擊類型、傳播距離和避雷器等站內設備的影響。其中，雷擊類型對于電壓行波的波尾特征影響較大，由圖4可知：在繞擊沒有發生閃絡和反擊閃絡的工況下，初始電壓行波的波尾特征與標準雷電沖擊電壓的波尾特征相似；當發生繞擊閃絡的時候，初始電壓行波的波尾特征呈現被截斷的“截波”特點。雷擊輸電線路產生的電壓行波，在傳輸到變電站的過程當中，隨著架空輸電線路傳輸距離的增加，電壓幅值逐漸降低，波頭時間和波尾時間均呈現逐漸增加的趨勢。雷擊過電壓傳輸到變電站后，受到避雷器的抑制作用，具有明顯“尖峰”特征的雷電侵入電壓波形的過電壓幅值得到抑制，其“尖峰”特征被“削平”后類似平頂波。另外，避雷器的抑制使得電壓行波波尾時間略有增加。受到變電站避雷器等容性電氣設備和輸電線路、站內母線、連接線等感性設備構成的LC震蕩回路的作用，侵入波呈現明顯的震蕩現象。

根據上述對仿真結果進行的綜合分析，實際施加于變電站主要電氣設備上的過電壓波形和標準雷電沖擊電壓波形(1.2 μs/50 μs)有很大的差異。站內設備所承受的波形整體類似平頂波，波前時間最長達7.6 μs，波尾時間最短僅僅10.5 μs。

4種雷擊類型中，繞擊沒有發生閃絡和反擊閃絡工況下，雷電侵入波電壓幅值較高,持續時間也較長，對變電站設備的絕緣損壞有非常大的影響，應對這2種實際雷擊工況引起的過電壓進行重點分析。

變電站電氣設備的絕緣主要包括內絕緣和外絕緣。試驗時所施加的沖擊電壓波形對內、外絕緣的雷電沖擊耐壓水平有很大的影響。以變電站油浸式變壓器為例，其內絕緣主要采用油紙復合絕緣，主要包括油間隙絕緣。國外有關試驗表明，當雷電沖擊試驗電壓波形波頭時間在1～5 μs范圍變化時，油間隙絕緣的擊穿電壓均隨著波前時間的增加而顯著降低。以油間隙為例，當雷電沖擊電壓波頭時間從1.5 μs增加到3 μs時，其絕緣耐受電壓幅值降低超過10%。

變電站設備的外絕緣水平主要由空氣間隙絕緣擊穿電壓(U50%)決定。國內外對于空氣間隙U50%絕緣擊穿主要有以下兩方面的結論[14]：1)所施加的沖擊電壓存在一個“臨界波頭時間”，此時空氣間隙U50%最小，當波頭時間大于或者小于臨界波頭時間，U50%均有所增加；2)臨界波頭時間與空氣間隙的長度存在關系，對于2～6 m的空氣間隙來說，其臨界波頭時間在100～400 μs范圍內，當空氣間隙距離大于4 m時，其臨界波頭時間隨著空氣間隙距離的增加而增大。綜上，結合1 000 kV電壓等級絕緣距離和該文仿真結果可知，“臨界波頭時間”與變電站實際的雷電侵入電壓行波的波頭時間大小差別在一個數量級以上，再根據沖擊電壓的“U”性特性進行分析可知，在0到“臨界波頭時間”范圍內，空氣間隙U50%隨著波頭時間的增加而減小。

綜上所述，雷擊侵入變電站電壓行波受到傳輸距離、避雷器等設備影響，波頭時間、波尾時間的延長會造成其所施加電氣設備的絕緣耐受水平降低。該文研究嚴苛工況下，實際雷電沖擊波形下電氣設備絕緣耐受水平低于其在標準雷電沖擊波形下的耐受電壓。雷電侵入波過電壓以及電氣設備的絕緣擊穿特性均具有分散性，特高壓運行數據相對不夠完善，建議后續研究結合實測數據進一步探討現有雷電沖擊試驗標準的合理性，提高防雷設計和絕緣配合的可靠性。

結合對雷擊進線段波頭、波尾時間、過電壓幅值變化規律的計算分析，以及本節對波頭時間影響設備絕緣耐受擊穿電壓的討論分析知，雷電繞擊2號桿塔時，產生的過電壓波頭時間下設備絕緣擊穿電壓較低，過電壓幅值較大。

3 結 語

1)繞擊未閃絡、反擊未閃絡電壓行波類似雙指數波形，反擊未閃絡波形組成成分較為復雜。繞擊閃絡電壓行波發生“截波”現象，波尾時間僅為10.512 μs，過電壓幅值高達7.261 MV。因繞擊物理過程為雷云“直接”“持續”注入導線，導致繞擊閃絡過電壓幅值高于反擊閃絡。反擊閃絡后電壓行波仍類似雙指數波，但波形特征呈現短波頭、長波尾的特征。

2)受傳播距離影響，繞擊未閃絡和繞擊閃絡電壓行波的波頭時間、波尾時間、幅值均隨傳播距離的不斷增大而減小。繞擊未閃絡時波頭時間最大達7.54 μs，波尾時間最長為70.94 μs。繞擊閃絡波頭時間最長為7.6 μs，波尾時間最長為13.34 μs。

3)電壓互感器對雷電侵入電壓行波的影響不大。在避雷器作用下，具有明顯“尖峰”特征的雷電侵入電壓行波被“削峰”成為平頂波，由于變壓器等容性設備和輸電線路感性特性形成的LC震蕩回路的作用，使電壓行波出現高頻低幅值震蕩現象。

4)當遭受嚴苛雷擊事件，受雷擊類型、傳播距離、避雷器、輸電線路和變電站拓撲結構的影響，實際電壓行波波頭、波尾時間均遠大于標準雷電波形，使變電站電氣設備在實際雷電沖擊波形下絕緣耐受水平低于試驗條件下標準雷電沖擊波形的絕緣耐受水平。

5)雷電繞擊變電站2 km進線段桿塔時，繞擊2號桿塔在變電站入口位置引起的過電壓波頭時間下，設備絕緣擊穿電壓較低，過電壓幅值較大，對設備危害程度較高，需重點關注。

6)雷電侵入波過電壓以及電氣設備的絕緣擊穿特性均具有分散性，特高壓運行數據相對不夠完善，建議后續研究結合實測數據進一步探討現有雷電沖擊試驗標準的合理性，提高防雷設計和絕緣配合的可靠性。