李国毅 姜聿涵 秦大海 徐 闻

（西华大学电气信息学院，成都 610039）

1000kV变电站雷电入侵波仿真研究

李国毅 姜聿涵 秦大海 徐 闻

（西华大学电气信息学院，成都 610039）

本文将进线段和变电站结合起来，考虑输电线路的冲击电晕、工频电压对1000kV变电站雷电入侵波的影响。基于电晕伏库特性曲线，建立了冲击电晕的模型，运用ATP-EMTP仿真了1000kV GIS变电站的雷电入侵波，仿真结果表明：冲击电晕能降低入侵波的幅值和陡度，变电站内设备过电压幅值会降低；处于负半周的工频电压会增大过电压幅值，处于正半周的工频电压会减小过电压幅值。

冲击电晕；工频电压；1000kV变电站；ATP-EMTP

1000 kV变电站是电力系统的关键枢纽，发生故障会引起严重的后果，雷害是变电站发生故障的主要因素。变电站遭受雷害来自两个方面：雷直击变电站，造成设备损坏；雷击中输电线路杆塔或避雷线，造成绝缘子闪络，或者雷击导线，波沿着线路传进变电站，造成设备损坏；前者称为直击雷，后者称为雷电侵入波。造成雷害的主要因素是雷电侵入波[1]。

影响雷击的两个因素：冲击电晕和线路参数的频变特性，其中冲击电晕起主要作用[2]。当发生电晕时，导线对地电导和电容都将增大，行波会发生畸变，在变电站防雷设计中，忽略电晕将影响其设计的准确性。1000kV的工作电压已经达到其闪络电压的20%左右，工作电压的影响已经不能忽略。本文将考虑冲击电晕和工作电压对变电站防雷设计的影响。

1 考虑冲击电晕的线路模型

1.1 电晕伏库特性曲线

伏库特性是研究冲击电晕对波的影响—衰减或是变形的基础，伏库特性一般是实验室测得，也可以经过电场理论的电晕模型来进行计算[3]。典型的伏库特性如图1所示，可将其分为3段[4]。

OA段：描述其波头部分，此时的电压 u小于电晕起始电压 u0，该部分的斜率就是指导线的 C0=q0/u0。

AB段：该阶段电压u大于或等于电晕起始电压u0。随着电压增大，游离增强，线路周围极性相同的电荷越来越多。由于空间电荷的数量增加，大量的电荷就形成一个套子围绕在导线的周围，其径向的导电性比较好。此段电晕的伏库特性并不是线性的，该曲线有一点上翘，导线的对地电容具有动态的特点，动态电容 Cd=dq/du＞C0。但由于电晕套轴向的电导非常的小，使得电流基本上都在导线内，因此电晕对导线的电感造成的影响是可以不考虑进去的。

BC段：对应于波尾部分，此时u＜um（冲击波幅值）。雷电波是一个快速的变化过程，过程中的空间电荷几乎没什么变化，所以因电压变小，电荷也将变少，此时的特性近似平行。

由伏库特性曲线可知：AB段近似直线，可以用最小二乘法来拟合成直线段，得到其斜率[5]Cd=dq/du=1.65C0。

分裂导线电晕起始电压可用式（1）进行计算[6]：

式中，n指分裂导线数，rd指导线半径（cm），Ecor指起晕场强（kV/cm），hd指导线平均高度（cm），re指分裂导线的等效半径（cm），d指分裂间距（cm）。

Ecor可由Peek公式得到[7]

式中，E0指空气击穿场强，取30kV/cm，m指导线表面的粗糙系数，取0.82，f指电压极性系数，正电压取0.5，正电压取1.0，δ 指相对空气密度，取1.0，rd为导线半径（cm）。

1.2 冲击电晕等效模型

建立冲击电晕等效模型如图2所示。

符号VD代表的是单向导通的二极管。Cf为电晕的附加电容，符号K代表的是一个受电压控制的开关。其中，Cf=Cd-C0=0.65C0。电压小于电晕起始电压时，受电压控制的开关K断开，由于频率特性，线路此时处于自然状态，因此可以模拟伏库特性的第一段；K导通表示此时的电压比电晕起始电压高，AB段用把 Cf接通来表示；利用二极管将电晕附加电容切除，来模拟BC段。

图2 电晕等效模型

2 仿真模型建立

2.1 1000kV GIS变电站电气主接线图

图3是1000kV GIS变电站电气主接线简图[8]，在高压电抗器R、电容式电压互感器CVT、两条母线及主变回路出线处各安装一组避雷器。

图3 1000kV GIS变电站电气主接线简图

2.2 雷电流模型

采用我国防雷设计推荐的2.6/50μs的双指数波

仿真时选取的雷电流幅值 250kA，其发生概率为 1.44‰，取负极性。通过计算得，α=1500，β=1860000，A=1.058。雷电通道波阻抗取300Ω。

2.3 杆塔模型

现在杆塔模型众多[9]，主要有：集中电感模型、单波阻抗模型和多波阻抗模型。GIS变电站2km进线段内采用的是单回输电线路的酒杯杆塔，本文采用由日本推荐的用于超高压和特高压的多波阻抗模型，如图4所示。

图4 杆塔的多波阻抗模型（单位：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 输电线路模型

在本文的仿真运用ATP-EMTP自带的LCC模块仿真输电线路，选择 Jmartii模型。可以不用再去考虑被雷电击中的避雷线、已经闪络导线对未闪络导线之间的耦合作用，同时这样还能提高计算精度。再把输电线路分成若干段，每一段插入上面提及的冲击电晕等效模型，认为每段当中，附加电容是不变的。研究表明，线段取50～100m时对结果几乎无影响，本文取50m。1#—6#杆塔接地电阻取10Ω，0#杆塔取7Ω。

2.5 绝缘子串模型

采用压控开关来模拟绝缘子串的闪络，当绝缘子串两端电压高于50%冲击闪络电压时，认为击穿，取U50%=4MV[10]。

2.6 避雷器模型

1000 kV特高压系统采用额定电压为 828kV的金属氧化物避雷器，雷电保护水平为1620kV，标称放电电流20kA[11]。ATP-EMTP形成的伏安特性曲线如图5所示。

图5 避雷器伏安特性曲线

2.7 变电站线路和设备参数

导线型号：8×LGJ-500/45，8分裂，分裂间距400mm，子导线半径15mm，弧垂17m。

避雷线型号：LBGJ-150-20AC铝包钢绞线，弧垂15m。

站内设备参数见表1。

表1 设备入口电容和冲击绝缘水平

3 仿真分析

雷击进线段2km内的近雷区比远雷区严重，而在近雷区中，雷击1#杆塔时，造成站内设备过电压往往是最严重的[12-13]，因此本文对雷击杆塔1#进行分析，考虑进线段冲击电晕和工作电压，运用ATP-EMTP建立的部分仿真图如图6所示。

图6 ATP-EMTP建立的部分仿真图

3.1 冲击电晕的影响

雷击1#杆塔时，变电站内主要设备，电抗器R、电压互感器CVT-L、电压互感器CVT-T、主变压器T的最大过电压幅值和出现时刻见表2。

表2 主要设备最大过电压幅值和出现时刻

从表2可以看出，冲击电晕使得过电压波形衰减和变形，且有一定的延时，降低了过电压幅值和陡度，对防雷设计是有利的。在很多仿真设计中，忽略电晕，使得绝缘要求提高，增加了成本，不够经济。

3.2 工频电压的影响

1000 kV的工频电压已经占到绝缘子串闪络电压的20%左右，应该考虑其对雷电过电压的影响，表3为计与不计工频电压时，变电站内主要设备最大过电压幅值。

表3 计与不计工频电压对过电压的影响

由表3可以看出考不考虑工频电压对过电压的影响是很大的，因为过电压的最大值是工频电压和雷电波叠加的结果，计算设计时应当考虑工频电压。而且工频电压随着相角的不断变化，其幅值也是不断变化的，其不同幅值时和雷电波叠加的效果也就不同。应当考虑不同相角时，工频电压对雷电过电压的影响。由于雷电为负极性，当与处于正半周的工频电压叠加时，会降低过电压幅值，与处于负半周的工频电压叠加时，则相反。表4为不同相角时，雷击1#杆塔时，主变压器T的最大过电压幅值。

表4 不同相角时主变压器T的最大过电压幅值

由表4可看出，A相初相角为 180°时比初相角为0°的过电压高了257.1kV，这就是由于工频电压不同瞬时值的叠加效果。对比表3和表4得到，不计工频电压和计工频电压初相角为90°时，主变压器 T上过电压近似相等，可以认为0～90°时，雷电波与处于正半周的工频电压叠加，降低了过电压幅值；90°～180°时，雷电波与处于负半周的工频电压叠加，增大了过电压幅值。因此，建议防雷设计时，以雷电波正好与工频电压在负半周的最大幅值处叠加时，来从严考虑设备的绝缘保护。

4 结论

将进线段和变电站结合起来，在ATP-EMTP中，建立了考虑冲击电晕的输电线路模型，仿真结果表明，冲击电晕能降低雷电波入侵时，变电站内设备的过电压幅值和陡度，有利于防雷保护，节约绝缘成本，我们应该考虑。1000kV工频电压已经达到绝缘子串50%放电电压的20%左右，已经不能忽略工频电压的影响；且工频电压随着初相角的不同，不断变化着，设备过电压的幅值也不断变化着，在负半周的工频电压会增大过电压幅值，在正半周的工频电压会减小过电压幅值。因此，建议在防雷设计时，以处于负半周的工频电压最大幅值来确定设备雷电过电压保护。

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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

李国毅（1988-），男，四川广安人，硕士研究生，研究方向为输电线路防雷。