周艳青 谌 阳

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510663）

0 引言

500kV某变电站位于昌都县卡诺镇瓦约村，该站海拔高度为3 200m，年平均雷电日为51.3天。前期为220kV变电站，本期建设为500kV变电站；本期建设2台主变1×750MV·A主变压器。500kV某变电站终期规划500kV出线6回，分别至500kV芒康站2回，备用4回。

1 计算参数

1.1 电气主接线

500kV某变电站最终2回主变进线，6回出线，采用3/2断路器接线，形成4个完整串。前期无500kV配电装置。本期扩建2台500kV主变，2回500kV出线，原来至巴塘2回降压220kV线路恢复至500kV运行并开断接入芒康 500kV变电站，组成 2个完整串。

本期500kV配电装置配串，如图1所示。

图1 500kV某变电站本期500kV配串简图

1.2 设备参数

变电站电气设备如变压器、隔离开关、断路器、互感器等用不同电容值的对地等值电容表示，它们之间有分布参数线段相隔，各设备的对地等值电容见表1。

表1 500kV配电装置各设备对地等值电容

500kV GIS均为单相单筒式结构，在防雷计算中用波阻抗模拟，其波阻抗一般在60～100Ω 之间。本文取GIS的波阻抗为70Ω，波速270m/μs。

避雷器伏安特性采用单指数拟合。站内避雷器和线路避雷器采用的伏安特性见表2。

表2 500kV避雷器的伏安特性

1.3 线路及构架模型

本文采用 T. Hara提出的等值分布多波阻抗模型对500kV杆塔进行建模，塔形对应等值分布多波阻模型示意图如图2所示。一般情况下，反击雷电侵入波在雷击进线段 1～3号杆塔时过电压幅值较高，本文对进线段1～3号杆塔进行建模，不考虑4号杆塔以后杆塔的散流[1-2]。本文仅列举芒康一、二线进线段1#杆塔分布参数，分别见表3和表4。

线路导体采用4×JL/GIA—500/45导线，分裂间距 450mm，避雷器一根采用 JLB20A—100导线，另一根采用OPGW—120（24芯）光缆。

变电站内门型构架参照“Transmission Line Reference Book/345kV and Above/Second Edition”EPRI, P556.

Figure12.5.5.Approximations for tower surge impedance中的方法，采用Gantry模型模拟。

构架地线柱波阻抗为

构架柱波阻抗为

图2 塔形对应等值分布多波阻模型示意图

表3 芒康一进线段#1杆塔等值分布多波阻模型参数

表4 芒康二进线段#1杆塔等值分布多波阻模型参数

横梁波阻抗为

以上式中各参数含义如图3所示。

图3 门型架模型参数示意图

某变电站500kV出线门型构架，其模型各参数见表5。

表5 门型构架模型参数

1.4 侵入波参数

雷电先导通道具有分布参数的特征，可以近似假定它是一个具有电感、电容的均匀分布参数的导电通道，即雷电通道，其波阻抗为Z0。从工程实用的角度出发，本文将雷电放电过程简化为一电流源[3]。

根据实测数据，负极性雷击均占 75%～90%，再加上负极性雷电波沿线路传播时衰减较少且较慢，对设备绝缘的危害较大，故防雷计算中按负极性考虑。

根据GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》，我国雷电流幅值概率曲线可表示[4]为

式中，P为幅值等于或大于I的雷电流概率。按惯用的方法进行反击计算时可根据变电站防雷可靠性要求，选取某一累积概率下的幅值。200kA的概率0.53%、216kA的概率为 0.35%、230kA的概率为0.24%、250kA的概率为0.14%。我国规程未对雷电流计算值予以明确规定，根据我国500kV变电站和开关站的运行经验，反击雷电侵入波过电压计算时的最大雷电流幅值可取为 200kA。对于绕击雷电侵入波计算，可根据电气几何模型求出变电站出线最大的绕击电流20kA。

1.5 设备的雷电冲击保证强度

考虑各种设备运行老化因素，计算中对各设备允许的最大过电压的大小取设备的雷电冲击耐受电压（lightning impulse withstand voltage, LIWV）除以相应的安全因数，在进行变电站雷电侵入波过电压绝缘配合时，各运行方式下的内绝缘安全裕度要求不低于15%。对于设备外绝缘，安全因数取1.05，按此求得的变电站设备外绝缘保证强度，适用于设备安装点海拔高度不超过1 000m的情况，当海拔高度超过1 000m时，需按照式（5）进行海拔修正[5-6]。

式中：kα为海拔修正系数；对于雷电冲击电压，km=1.0。

某500kV变电站所处站址海拔高度为3 200m，超过1 000m，需进行海拔修正。某500kV变电站经海拔修正后的站内设备的雷电冲击耐受电压见表6。

2 典型运行方式下的计算结果

2.1 运行方式

通常变电站运行中会有很多种接线方式，例如带多回出线、多条母线、多台变压器同时运行等。由于变电站出线越多，雷电侵入波过电压的能量越分散，雷电过电压就越低。考虑某扩建工程本期500kV仅建设2回线路、2回主变，进出线单元较少，所以，在本文考虑单条出线单台变压器（单线单变）这种较严酷的运行方式。单线单变方式对于雷电侵入波来讲，容易出现高幅值的过电压，并且这种接线方式在变电站实际运行中是存在的。

表6 500kV设备雷电冲击耐受电压

对于单线单变运行方式，在计算中考虑了四种典型接线方式，运行方式如图4所示。

图4 四种典型运行方式接线图

2.2 最大侵入波过电压

利用电磁暂态程序（ATP），对某500kV变电站的雷电侵入波过电压进行了仿真计算[7]，其中单线单变运行方式一（芒康一线—1号主变）下，雷电发生反击侵入时，主变出现最大过电压，此运行方式下最严重。

运行方式一下设备上的最大过电压值见表7。

表7 运行方式一下设备上的最大侵入波过电压

由表7可知，运行方式一下，主变设备上的最大雷电过电压值高于相应的雷电冲击耐受电压允许值，其他设备上的最大雷电过电压值普遍较高。

2.3 采取的改进措施

由于主变设备上的最大雷电过电压值高于相应的雷电冲击耐受电压允许值，需采取措施使最大雷电侵入波电压低于设备雷电冲击耐受电压值。

综合考虑并反复试算，建议采取的措施如下：

1）500kV某站芒康一、二进线段 2km内杆塔接地电阻降至10Ω。

2）站内 500kV主变与避雷器之间的电气距离控制在10m内。

采取上述两项措施后，仿真计算结果表明：主变以及其他设备上的最大雷电过电压值均低于相应的雷电冲击耐受电压允许值，满足雷电防护要求[8-9]。采取改进措施后最大侵入波过电压见表8。

表8 采取改进措施后最大侵入波过电压

3 结论

利用电磁暂态程序，通过对500kV某变电站在典型运行方式下的雷电侵入波过电压进行仿真计算，初步计算主变的最大雷电过电压值高于相应的雷电冲击耐受电压允许值，其他设备上的最大雷电过电压普遍接近相应的雷电冲击耐受电压允许值。采取相应的措施后，重新计算表明：主变以及其他设备上的最大雷电过电压值均低于相应的雷电冲击耐受电压允许值，满足雷电防护要求。