易 敏

（国网四川省电力公司 眉山供电公司，四川 眉山 620010）

0 引 言

改革开放以来，我国的经济水平和工业化水平发生了翻天覆地的变化[1-3]。受地理条件和历史因素等限制，输电线路主要集中在东部地区，而该地区又常常受到雷电影响，导致整个供电网络出现跳闸现象。雷电击中输电线路会引发过电压波，导致线路电压异常升高，损坏线路的相关电气设备，对社会安全造成极大的负面影响[4,5]。为预防雷电直接击中变电站，常见的做法是在变电站周围安装避雷设备[6-8]。雷电直接击中输电线路时引起的感应电压通常不超过400 kV。输电线路整体绝缘水平较高，不超过线路所能承受的电压水平。然而，当雷电击中位于变电站附近的输电线路时，可能会引发雷电侵入波过电压，从而影响变电站的正常运行，引发雷击故障。对于该类型故障，雷电侵入波导致输电线路出现过电压是线路跳闸的主要原因。因此，如何有效防范雷电侵入波造成的威胁，成为当前研究防雷技术的首要任务。文章深入研究和探讨该问题的解决措施，旨在为我国电力事业的发展提供借鉴。

1 雷电过电压相关理论分析

1.1 雷电放电的计算模型

为实现雷电放电的电路模拟计算，将雷电放电时的模型简化为一个含波阻的通道。

雷电电流i的计算公式为

式中：u0为雷电击中点处的过电压；Z0为输电线路的特性阻抗；Z为雷电击中点处的物体阻抗；i0为雷电击中点处的电流。

相关规程规定，如果低接地电阻的物体受到雷击，那么物体的阻抗Z将为0，可以将式（1）化简为

双指数波雷电流等值波形的表达式为

式中：I0为固定的电流值，表示雷电电流的最大值；α和β为常数，用于调节波形的上升时间和下降时间。

1.2 杆塔模型

杆塔是支撑架空输电线的主要结构，通常由钢材或钢筋混凝土制成。在1 000 kV 输电线路中，常采用同塔双回方式设计杆塔。为进行实验和模拟计算，可以使用多波阻抗的杆塔模型，该模型可以有效模拟杆塔在雷电等复杂环境下的响应和性能[9,10]。

1.3 绝缘子闪络模型

当雷电直击物体时，高电压会导致该物体上的绝缘子两端的电压差超过闪络电压，从而发生闪络现象。该现象与绝缘子串的伏秒特性密切相关。伏秒特性即绝缘子串间隙被击穿后最大电压与放电时间的关系。通过研究伏秒特性，可以描述物体发生闪络时的情况和相关数据信息。

2 1 000 kV 变电站的雷电侵入波计算的基本参数和运行方式

研究对象是一座电压等级为1 000 kV 的气体绝缘变电站，共有8 个端口联通，其中包括2 个进线端和6 个出线端。进线端的接地电阻目标值约为15 Ω，并采用3/2 断路方案进行主要接线。该变电站所处海拔低于200 m，在实验周期内共有29 d 为雷暴天气。系统的运行电压为1 000 kV，输电线路的档距为500 m，气体绝缘变电站的波阻抗为70 Ω。在设定的雷电通道中，波阻抗设定为300 Ω，与变电站进线端的距离为2 km。雷电流的幅值分为2 种，即反击幅值为250 kA和绕击幅值为26 kA。

实验设计的2 种不同的运行方式，如表1 所示，分别为典型的单线-出线断路器开路（运行方式1）和单线-单变-单母（运行方式2）。以运行方式1 进行模拟实验时，将断路器全部断开，两侧的隔离开关闭合，且进线处设有高压电抗器，用于保护线路。以运行方式2 进行模拟实验时，每个出线端各选择一个断路器断开，且进线处设有高压电抗器，用于保护线路。

3 1 000 kV 变电站防雷措施效果研究

在雷击情况下，2 种运行方式均有被击毁损坏的风险，因此需要设计合适的防雷措施并模拟其防护能力。一般使用氧化锌避雷器作为常见的防雷手段，从而避免雷击造成的危险。布置避雷器时，母线不安装避雷器，主变压器（以下简称主变）安装一组避雷器，避雷器距主变约55 m，距高抗约13 m。

3.1 运行方式1 下的变电站防雷措施分析

运行方式1 下，在主变电器约55 m 处和距高抗约13 m处分别安装避雷器，而不在母线上设置避雷器。断路器全部断开，两侧隔离开关闭合，分别计算雷电反击线路和雷电绕击线路时产生的雷电过电压，以及雷电反击线路和雷电绕击线路时避雷器的电流。计算雷电反击线路和雷电绕击线路时传递到变电器设备所产生的雷电过电压，同时着重计算雷电绕击第1 基杆塔的导线和雷电反击变电站外第2基杆塔时的电压值。该布置方案有助于评估变电站在雷电冲击下的响应情况，确保系统的可靠性和稳定性。

3.1.1 运行方式1 下雷电反击侵入波过电压校验

避雷器设置完成后，以单线-出线断路器开路方式进行发电站雷击模拟，为反击线路模拟。电抗器侧避雷器电流如图1所示。避雷器在2.5 μs左右动作，电流瞬间升高，说明避雷器在很短的时间内迅速工作，将雷电流导入大地，使设备免受雷击而损坏。

图1 反击线路模拟时的电抗器侧避雷器电流

3.1.2 运行方式1 下雷电绕击侵入波过电压校验

避雷器设置完成后，以单线-出线断路器开路方式模拟发电站雷击，为绕击线路模拟。利用电磁暂态计算程序进行模拟计算，在避雷器的保护下，电抗器和断路器上的雷电过电压幅值皆低于各自的基本冲击耐压水平，不会受到雷电入侵波过电压的影响，证明氧化锌避雷器能够满足输电线路对防雷的需求。电抗器侧避雷器电流如图2 所示，最大电流为17.60 kA，低于避雷器的安全放电电流20.00 kA，证明避雷器能够稳定运行，且能够发挥防雷作用。

图2 绕击线路模拟时的电抗器侧避雷器电流

3.2 运行方式2 下的变电站防雷措施分析

根据设定的避雷器布置方案，变电站的避雷器分别安装于电抗器侧和变压器侧形成一组避雷器。在运行方式2 下，每个出线端将选择一个断路器断开，分别计算雷电反击线路和雷电绕击线路时产生的雷电过电压、避雷器的电流以及传递到变电器所产生的雷电过电压。

3.2.1 运行方式2 下雷电反击侵入波过电压校验

在设置避雷器后，以单线-单变-单母运行方式进行发电站雷击模拟，为反击线路模拟。利用电磁暂态计算程序进行模拟计算，得到变压器和电抗器的雷电侵入波过电压，可知变压器和电抗器的雷电过电压皆低于各自的基本冲击耐压水平，不会受到雷电入侵波过电压的影响，证明氧化锌避雷器能够满足输电线路对防雷的需求。

变压器侧避雷器电流、电抗器侧避雷器电流的波形图，如图3 所示。避雷器在7 μs时开始发挥作用，流过变压器侧避雷器的最大电流为4.05 kA，流过电抗器侧避雷器的最大电流为9.45 kA，均低于避雷器的安全放电电流20.00 kA，证明避雷器能够稳定且多次发挥防雷作用。

图3 变压器侧与电抗器侧避雷器电流

3.2.2 运行方式2 下雷电绕击侵入波过电压校验

在设置避雷器后，以单线-单变-单母运行方式进行发电站的雷击模拟，为绕击线路的模拟。变压器侧避雷器电流和电抗器侧避雷器电流的波形图，如图4所示。流过变压器侧避雷器的最大电流为12.70 kA，而流过电抗器侧避雷器的最大电流为9.20 kA，均低于避雷器的安全放电电流20.00 kA，说明避雷器能够在稳定的状态下多次发挥防雷作用，可以保障电力设备的安全运行。

图4 变压器侧与电抗器侧避雷器电流

4 结 论

文章选取1 000 kV气体绝缘变电站作为实验对象，模拟输电线路遭受雷击的实验，采用2 种不同的运行方式进行测试，获取了供电站遭受雷击后电力设备雷电侵入波过电压数据。引入避雷器作为防雷措施，在使用避雷器后重复进行模拟实验，得到对比数据。通过分析实验数据发现，在设计的防雷措施下，输电线路承受的雷电过电压低于基本冲击耐压水平，同时流过氧化锌避雷器的电流在整个实验过程中一直低于安全电流，可确保防雷措施安全有效。可见，合理的防雷措施能够有效降低雷电冲击对输电线路造成的影响，保障变电站正常运行。