輸電線路綜合雷電防護措施研究

易 敏

（國網四川省電力公司 眉山供電公司，四川 眉山 620010）

0 引 言

改革開放以來，我國的經濟水平和工業化水平發生了翻天覆地的變化[1-3]。受地理條件和歷史因素等限制，輸電線路主要集中在東部地區，而該地區又常常受到雷電影響，導致整個供電網絡出現跳閘現象。雷電擊中輸電線路會引發過電壓波，導致線路電壓異常升高，損壞線路的相關電氣設備，對社會安全造成極大的負面影響[4,5]。為預防雷電直接擊中變電站，常見的做法是在變電站周圍安裝避雷設備[6-8]。雷電直接擊中輸電線路時引起的感應電壓通常不超過400 kV。輸電線路整體絕緣水平較高，不超過線路所能承受的電壓水平。然而，當雷電擊中位于變電站附近的輸電線路時，可能會引發雷電侵入波過電壓，從而影響變電站的正常運行，引發雷擊故障。對于該類型故障，雷電侵入波導致輸電線路出現過電壓是線路跳閘的主要原因。因此，如何有效防范雷電侵入波造成的威脅，成為當前研究防雷技術的首要任務。文章深入研究和探討該問題的解決措施，旨在為我國電力事業的發展提供借鑒。

1 雷電過電壓相關理論分析

1.1 雷電放電的計算模型

為實現雷電放電的電路模擬計算，將雷電放電時的模型簡化為一個含波阻的通道。

雷電電流i的計算公式為

式中：u0為雷電擊中點處的過電壓；Z0為輸電線路的特性阻抗；Z為雷電擊中點處的物體阻抗；i0為雷電擊中點處的電流。

相關規程規定，如果低接地電阻的物體受到雷擊，那么物體的阻抗Z將為0，可以將式（1）化簡為

雙指數波雷電流等值波形的表達式為

式中：I0為固定的電流值，表示雷電電流的最大值；α和β為常數，用于調節波形的上升時間和下降時間。

1.2 桿塔模型

桿塔是支撐架空輸電線的主要結構，通常由鋼材或鋼筋混凝土制成。在1 000 kV 輸電線路中，常采用同塔雙回方式設計桿塔。為進行實驗和模擬計算，可以使用多波阻抗的桿塔模型，該模型可以有效模擬桿塔在雷電等復雜環境下的響應和性能[9,10]。

1.3 絕緣子閃絡模型

當雷電直擊物體時，高電壓會導致該物體上的絕緣子兩端的電壓差超過閃絡電壓，從而發生閃絡現象。該現象與絕緣子串的伏秒特性密切相關。伏秒特性即絕緣子串間隙被擊穿后最大電壓與放電時間的關系。通過研究伏秒特性，可以描述物體發生閃絡時的情況和相關數據信息。

2 1 000 kV 變電站的雷電侵入波計算的基本參數和運行方式

研究對象是一座電壓等級為1 000 kV 的氣體絕緣變電站，共有8 個端口聯通，其中包括2 個進線端和6 個出線端。進線端的接地電阻目標值約為15 Ω，并采用3/2 斷路方案進行主要接線。該變電站所處海拔低于200 m，在實驗周期內共有29 d 為雷暴天氣。系統的運行電壓為1 000 kV，輸電線路的檔距為500 m，氣體絕緣變電站的波阻抗為70 Ω。在設定的雷電通道中，波阻抗設定為300 Ω，與變電站進線端的距離為2 km。雷電流的幅值分為2 種，即反擊幅值為250 kA和繞擊幅值為26 kA。

實驗設計的2 種不同的運行方式，如表1 所示，分別為典型的單線-出線斷路器開路（運行方式1）和單線-單變-單母（運行方式2）。以運行方式1 進行模擬實驗時，將斷路器全部斷開，兩側的隔離開關閉合，且進線處設有高壓電抗器，用于保護線路。以運行方式2 進行模擬實驗時，每個出線端各選擇一個斷路器斷開，且進線處設有高壓電抗器，用于保護線路。

3 1 000 kV 變電站防雷措施效果研究

在雷擊情況下，2 種運行方式均有被擊毀損壞的風險，因此需要設計合適的防雷措施并模擬其防護能力。一般使用氧化鋅避雷器作為常見的防雷手段，從而避免雷擊造成的危險。布置避雷器時，母線不安裝避雷器，主變壓器（以下簡稱主變）安裝一組避雷器，避雷器距主變約55 m，距高抗約13 m。

3.1 運行方式1 下的變電站防雷措施分析

運行方式1 下，在主變電器約55 m 處和距高抗約13 m處分別安裝避雷器，而不在母線上設置避雷器。斷路器全部斷開，兩側隔離開關閉合，分別計算雷電反擊線路和雷電繞擊線路時產生的雷電過電壓，以及雷電反擊線路和雷電繞擊線路時避雷器的電流。計算雷電反擊線路和雷電繞擊線路時傳遞到變電器設備所產生的雷電過電壓，同時著重計算雷電繞擊第1 基桿塔的導線和雷電反擊變電站外第2基桿塔時的電壓值。該布置方案有助于評估變電站在雷電沖擊下的響應情況，確保系統的可靠性和穩定性。

3.1.1 運行方式1 下雷電反擊侵入波過電壓校驗

避雷器設置完成后，以單線-出線斷路器開路方式進行發電站雷擊模擬，為反擊線路模擬。電抗器側避雷器電流如圖1所示。避雷器在2.5 μs左右動作，電流瞬間升高，說明避雷器在很短的時間內迅速工作，將雷電流導入大地，使設備免受雷擊而損壞。

圖1 反擊線路模擬時的電抗器側避雷器電流

3.1.2 運行方式1 下雷電繞擊侵入波過電壓校驗

避雷器設置完成后，以單線-出線斷路器開路方式模擬發電站雷擊，為繞擊線路模擬。利用電磁暫態計算程序進行模擬計算，在避雷器的保護下，電抗器和斷路器上的雷電過電壓幅值皆低于各自的基本沖擊耐壓水平，不會受到雷電入侵波過電壓的影響，證明氧化鋅避雷器能夠滿足輸電線路對防雷的需求。電抗器側避雷器電流如圖2 所示，最大電流為17.60 kA，低于避雷器的安全放電電流20.00 kA，證明避雷器能夠穩定運行，且能夠發揮防雷作用。

圖2 繞擊線路模擬時的電抗器側避雷器電流

3.2 運行方式2 下的變電站防雷措施分析

根據設定的避雷器布置方案，變電站的避雷器分別安裝于電抗器側和變壓器側形成一組避雷器。在運行方式2 下，每個出線端將選擇一個斷路器斷開，分別計算雷電反擊線路和雷電繞擊線路時產生的雷電過電壓、避雷器的電流以及傳遞到變電器所產生的雷電過電壓。

3.2.1 運行方式2 下雷電反擊侵入波過電壓校驗

在設置避雷器后，以單線-單變-單母運行方式進行發電站雷擊模擬，為反擊線路模擬。利用電磁暫態計算程序進行模擬計算，得到變壓器和電抗器的雷電侵入波過電壓，可知變壓器和電抗器的雷電過電壓皆低于各自的基本沖擊耐壓水平，不會受到雷電入侵波過電壓的影響，證明氧化鋅避雷器能夠滿足輸電線路對防雷的需求。

變壓器側避雷器電流、電抗器側避雷器電流的波形圖，如圖3 所示。避雷器在7 μs時開始發揮作用，流過變壓器側避雷器的最大電流為4.05 kA，流過電抗器側避雷器的最大電流為9.45 kA，均低于避雷器的安全放電電流20.00 kA，證明避雷器能夠穩定且多次發揮防雷作用。

圖3 變壓器側與電抗器側避雷器電流

3.2.2 運行方式2 下雷電繞擊侵入波過電壓校驗

在設置避雷器后，以單線-單變-單母運行方式進行發電站的雷擊模擬，為繞擊線路的模擬。變壓器側避雷器電流和電抗器側避雷器電流的波形圖，如圖4所示。流過變壓器側避雷器的最大電流為12.70 kA，而流過電抗器側避雷器的最大電流為9.20 kA，均低于避雷器的安全放電電流20.00 kA，說明避雷器能夠在穩定的狀態下多次發揮防雷作用，可以保障電力設備的安全運行。

圖4 變壓器側與電抗器側避雷器電流

4 結 論

文章選取1 000 kV氣體絕緣變電站作為實驗對象，模擬輸電線路遭受雷擊的實驗，采用2 種不同的運行方式進行測試，獲取了供電站遭受雷擊后電力設備雷電侵入波過電壓數據。引入避雷器作為防雷措施，在使用避雷器后重復進行模擬實驗，得到對比數據。通過分析實驗數據發現，在設計的防雷措施下，輸電線路承受的雷電過電壓低于基本沖擊耐壓水平，同時流過氧化鋅避雷器的電流在整個實驗過程中一直低于安全電流，可確保防雷措施安全有效。可見，合理的防雷措施能夠有效降低雷電沖擊對輸電線路造成的影響，保障變電站正常運行。