變電站雷電侵入波過電壓研究與應用

王 磊

（晶科電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

根據GBT 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》5.4.12條，范圍Ⅱ(252 kV＜Um≤800 kV)發電廠和變電站的雷電侵入波過電壓保護方案，宜通過仿真計算確定。目前已有較多學者對雷電侵入波進行了仿真研究，文獻[1]研究了桿塔模型類型、出線長度電暈等對過電壓的影響，文獻[2]進一步細化了雷擊位置、接地電阻、避雷器保護距離等對雷電過電壓的影響，文獻[3]更進一步對幾種常見影響因素進行了排列組合，分析了多種因素共同作用對過電壓的影響。目前的研究[1-11]主要集中在理論分析和仿真研究上，結合規程規范和實際工程運用的較少。本文在總結前人研究結果基礎上，較為全面地總結了雷電侵入波仿真研究的細節，并以實際工程為例，討論了運行方式對過電壓的影響及避雷器優化布置方案，最后用實際參數對相關結果進行了校驗，為工程設計和運行維護提供有益的參考。

1 仿真模型建立

西北地區某直流外送工程配套建設750 kV變電站一座，變電站750 kV側為3/2接線，設主變壓器2臺，750 kV進線4回預留2回，接線簡圖如圖1所示。本文以該輸變電工程為研究對象，采用國際通行的電磁暫態程序ATPEMTP對其進行建模和計算。由于仿真模型和計算方法對結果具有重要影響，因此有必要先確定仿真建模的細節。

圖1 750 kV變電站接線簡圖

1.1 雷電流模型

常用的雷電流模型有雙指數函數和Heidler函數模型，由于Heidler模型在t=0時刻電流對時間的導數為零，與實測雷電基底電流波形更為一致，因此本文采用ATP-EMTP自帶的“Heidler type”電流源建模。根據GB/T 311.2—2013《絕緣配合第2部分：使用導則》E.6條，雷電流波頭波尾時間取2.6/50 μs，負極性雷。GBT 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》表5.3.1-1給出了不同電壓等級輸電線路的反擊耐雷水平，本文考慮以260 kA作為計算用雷電流，其發生概率約為0.11%。

1.2 桿塔模型

雷電經常擊中線路桿塔引發雷電波入侵。根據文獻[1]及GBT 311.4—2010《絕緣配合第4部分：電網絕緣配合及其模擬的計算導則》，為減小誤差，實際工程仿真時架空送電線路桿塔按多波阻桿塔模型處理，在ATP-EMTP里，其模型如圖2所示，其中0#塔表示變電站進線門型架，1～6#塔分別代表1至6號進線塔。

圖2 750 kV線路桿塔模型

桿塔水平導體(包括橫擔)波阻抗取200 Ω，主干(桿塔垂直導體)波阻抗取150 Ω，波速取2.1×108m/s，橫擔等桿塔詳細尺寸按實際設置。

在本輸變電工程中，變電站2 km范圍進線桿塔采用國網典型設計，具體配置如下(括號內為典設代號和呼高)：

#0：門型架，接地電阻0.5 Ω；

#1：終端塔(7C2-SDJC，H42 m)，接地電阻10 Ω；

#2～#6：雙回路懸垂塔(7C2-SZ2，H51 m)，接地電阻10 Ω；

1.3 輸電線路模型

由于雷電沖擊的高頻特性，必須采用頻率相關的線路模型。常見的頻率特性模型有JMarti、Semlyen和Noda等，頻率相關參數是線路參數計算的難點，既要考慮模型的嚴密性，又要考慮計算過程的穩定性。JMarti模型較好地做到了精確和簡潔之間的平衡，在實際工程研究中得到廣泛應用，本文采用ATP-EMTP軟件自帶的JMarti模型進行建模，建模主要參數如下：

線路采用同塔雙回假設，導線型號6×LGJ-400/50，分裂距離50 cm；子導線計算直徑2.763cm，20℃直流電阻0.072 32 Ω/km。避雷線型號JLB20A-150，計算直徑1.575 cm，20℃直流電阻0.580 7 Ω/km。平均弧垂約為擋距的1/30。

1.4 變壓器等設備模型

雷電侵入波時間短頻率高，變壓器、斷路器、互感器等電氣設備可等效為沖擊電容。沖擊電容可以實測，規范GBT 311.4—2010《 絕緣配合第4部分：電網絕緣配合及其模擬的計算導則》7.6.7和7.6.8條列出了IEEE推薦的電氣設備典型對地電容，針對750 kV自耦變壓器，推薦值為5 000 pF。

1.5 絕緣子閃絡模型

線路絕緣子串承受過高的雷電壓后，將會發生閃絡。常見的閃絡模型主要有定義法、先導法和相交法，定義法相對簡單但誤差較大，先導法更加合理但模型過于復雜，相交法物理概念清晰且符合實際[3]，因此在工程上得到普遍采用。本文參考Darveniza等人提出的絕緣子串伏秒特性公式[12]：

式中：L為絕緣子串長度，m；t為雷擊開始到閃絡經歷的時間，μs。

本工程750 kV架空絕緣子串型號XWP2-160，2×28片。

1.6 其它問題闡述

雷電入侵主要有直擊和繞擊兩種方式，直擊是指雷電直接擊中塔頂或避雷線，繞擊是指雷電繞過避雷線直接擊中導線。由于繞擊雷電流通常遠小于直擊，且難以建立較為精確的繞擊模型，故通常仿真計算以直擊為主。另一方面，雷電直擊避雷線中央造成的過電壓要小于桿塔頂部[13]，故嚴重工況選擇雷電直擊線路塔頂。另外，感應雷對系統的影響通常遠小于直擊雷[13]，故仿真中不再考慮。

雷電流在導線上傳播會產生沖擊電暈，電暈促使雷電流產生衰減和畸變，有利于降低雷電流的不利影響，但是由于電暈模型難以精確模擬，且其影響有限[1-2]，實際工程中暫不考慮電暈的影響。

2 雷電侵入波的仿真計算

2.1 運行方式對過電壓的影響

750 kV變電站擬裝設避雷器配置方案如下：線路出線裝設避雷器，變壓器進線裝設避雷器，母線裝設避雷器(母I、母Ⅱ)，并聯高抗裝設避雷器。

針對工程的實際情況，考慮以下三種運行方式：

方式一：3#出線(帶電抗)、2#主變、母線Ⅱ(離主變較近)；

方式二：2#出線(無電抗)、2#主變、母線I(離主變較遠)；

方式三：2#出線(無電抗)、3#出線(帶電抗)、2#主變、母線I(離主變較遠)。

三種運行方式下的雷電過電壓仿真計算結果見表2所列。

表2 雷電過電壓仿真計算結果 kV

表3 750 kV電氣設備雷電沖擊絕緣水平 kV

由表2數據可知：

1)整體來看，單線單變時在各主要設備上產生的過電壓普遍比雙線單變時產生的過電壓高，這是由于線路分流的結果，出線越多，過電壓水平越低。

2)單線單變單母線工況下，運行方式一上產生的過電壓略低于方式二，這是由于方式一增加了一組高抗避雷器的結果。

3)運行方式二中，變壓器入口處電壓達到1 969.2 kV，已經超過其雷電沖擊絕緣水平。產生這種現象的原因與運行方式及站內設備整體布置方式有關。為避免這種現象，可以緊湊化布置主變進線間隔，比如進一步壓縮主變電流互感器與避雷器之間的距離，將原距離從35 m壓縮至15 m，調整后，變壓器入口過電壓降低為1 877.9 kV，但是該方法需要重新規劃原有檢修道路，且降低幅度有限。

4)除了重新排布設備，還可調整運行方式，若令方式二中Ⅰ母、Ⅱ母同時保持連接，系統中增加一組母線避雷器，將會進一步抑制過電壓。經計算，改為雙母運行后，變壓器入口處過電壓降為1 641.7 kV，絕緣裕度21.8%，可見母線避雷器發揮較為了明顯的作用。

圖3為變壓器遭受雷擊時的過電壓波形圖：

圖3 主變三相過電壓

2.2 避雷器優化配置

高抗處于末端位置且價格比較昂貴，因此原方案在線路高抗與線路入口處各配置了一組避雷器，如圖4所示(虛線框內分別為線路和高抗避雷器)。為減少設備投資，節約占地面積，可考慮優化掉一組，故避雷器配置可考慮以下三種方案：

圖4 避雷器布置圖

方案一：維持原方案不變，線路側和站內避雷器不同型號。

方案二：取消高抗避雷器，線路側和站內避雷器不同型號。

方案三：取消高抗避雷器，線路側避雷器型號與站內同型號。

運行模式按單線單變：3#出線、1#主變、母線Ⅱ連接考慮，計算結果見表4所列。

表4 三種方案計算結果 kV

由表中數據可知：

1)在單線單變工況下，方案一的過電壓低于方案二，這是由于方案二減少了一組避雷器；方案三的過電壓略低于方案二，是由于將帶高抗線路的避雷器型號換為于站內避雷器型號相同。

2)取消高抗側避雷器會導致設備過電壓水平整體上升，上升幅度最大的是高抗，其過電壓上升至1 846.4 kV，此時絕緣裕度為12.1%，略低于規程要求的15%。

3)因避雷器殘壓值越低，對設備的保護效果越好，將線路側Y20W–648/1491型避雷器換為站內型Y20W–600/1380型后，過電壓水平相比更換前整體降低，線路高抗上過電壓已經降低到1 746.1 kV，絕緣裕度上升到16.8%，可見更換避雷器降壓效果明顯。

4)通過以上分析，取消高抗避雷器后，高抗處的絕緣裕度依然保持在16.8%，其它設備的絕緣裕度均保持在16.3%～18.9%范圍內，即滿足了設備長期運行的絕緣要求，又不使裕度過大造成投資上的浪費，從經濟性和可靠性都得到了保障，因此取消高抗避雷器具有可行性，取消后，預估可減少設備及施工投資近百萬元，同時節省占地400余m2。

5)避雷器對過電壓有鉗位作用，距離避雷器越近防雷效果越好，若將本工程高抗向遠離避雷器方向移動10 m，高抗處過電壓即升高至1 950.2 kV，絕緣裕度不滿足要求，因此為保證防雷效果，應盡可能緊湊化布置相關設備。

6)雖然有相關文獻[14-15]提出裝設高抗避雷器的必要性，但是雷電波入侵在較近距離傳播時，在不同設備間呈現折反射的特性，設備上的過電壓往往是多個波形的疊加，調整設備布置或組合方式等都會影響過電壓的重新分布，因此需要根據具體工況具體分析計算，不可一概而論。

2.3 避雷器放電電流校驗

將實際參數代入計算模型，并按以下兩種方案對避雷器最大電流進行校驗：

方案一：原避雷器方案不變；

方案二：取消高抗避雷器，線路和站內避雷器同型號。

由表5數據可見，兩種方案各處避雷器的放電電流均小于20 kA，且有較大余量，因此采用Y20W型避雷器能夠滿足雷電侵入波的保護要求。

表5 避雷器放電電流 kA

2.4 實際參數校驗

設備參數對過電壓計算具有重要影響，尤其是設備對地電容參數，以往的研究多采多用理論參數或推薦參數，未經實際校驗。變電站內價格最貴的電氣設備主要為主變、氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulator switchgear，GIS)、高抗，需要重點關注，因此本文搜集本工程生產廠家的相關設備實測參數，主要結果見表6所列。

表6 750 kV主要設備對地電容值 pF

由上表數據可知，高抗參數與推薦值相差不大，但是主變參數是原推薦值的2倍，因此需要重點校驗實際參數對計算結果的影響。按高抗與出線合用一組站內型避雷器考慮，將實際參數代入以下運行方式進行計算，計算結果見表7所列。

表7 四種方案計算結果 kV

方式一：3#出線、1#主變、母線Ⅱ；

方式二：3#出線、1#主變、母線Ⅰ、母線Ⅱ；

方式三：2#出線、1#主變、母線Ⅱ；

方式四：2#出線、1#主變、母線Ⅰ、母線Ⅱ。

由表7結果可知，代入實際參數后，計算結果均有不同程度調整，過電壓水平有升有降。整體而言對GIS的影響較小，絕緣裕度依然較為充足，影響較大的主要是高抗和變壓器。在運行方式一下，高抗處過電壓較原推薦參數結果有所上升，絕緣裕度為12.7%。影響最大的是變壓器，在運行方式三下其過電壓接近絕緣水平，裕度僅為5.7%。因此，為最大限度保證設備安全，或可考慮提升主變絕緣水平從1 950 kV至2 100 kV，但是變壓器造價昂貴提升絕緣水平花費較大，較為可行的是從運行方式入手。由于GIS設備本身具有運行可靠性高、維護工作量少、檢修周期長等特點，因此在運行中可盡量保證雙母線同時連接運行，如表7方案二、四所示，過電壓水平下降較大抑制效果明顯。雖然母線故障的概率較小，但是當一段母線檢修時，系統仍有一定風險，因此為降低過電壓風險，此時應盡可能保持2回或多回出線在線，為雷電流提供分流。總之盡量避免單線單變單母線的長期運行方式，可保證設備絕緣裕度在合理范圍內。

另外，750 kV設備國內技術路線較為統一，不同廠家參數相差不大但略有差別，因此建議不同項目采用各自廠家的實測參數進行校驗。

3 結論

本文對雷電侵入波仿真研究的細節進行了研究梳理，并以750 kV輸變電工程為例，得出以下結論：

1)變電站雷電侵入波過電壓水平與系統運行方式和接線方式密切相關。就運行方式而言，單線帶單變運行時過電壓情況最為嚴重。出線越多，分流越多，過電壓水平越低。

2)母線避雷器對抑制設備上的過電壓效果顯著，雙母線同時運行并與進出線連接，可保證設備處有充足的絕緣裕度，因此運行中應盡量避免單線單變單母線方式長期運行，在母線檢修時，可連接其它出線來加強分流。

3)取消出線高抗避雷器具有可行性，為進一步降低高抗處過電壓，建議線路采用站內型避雷器。取消后，各種運行工況下過電壓未突破設備絕緣水平，且避雷器放電電流小于18 kA，滿足運行要求。

4)雷電流在不同設備間呈現折反射特性，設備上的過電壓往往是多個波形的疊加，設備參數、組合型式等都會對過電壓的分布產生重大影響，因此建議后續工程根據設備實測參數對計算結果進行校驗，尤其關注變壓器設備。