王 磊

（晶科电力科技股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

根据GBT 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》5.4.12条，范围Ⅱ(252 kV＜Um≤800 kV)发电厂和变电站的雷电侵入波过电压保护方案，宜通过仿真计算确定。目前已有较多学者对雷电侵入波进行了仿真研究，文献[1]研究了杆塔模型类型、出线长度电晕等对过电压的影响，文献[2]进一步细化了雷击位置、接地电阻、避雷器保护距离等对雷电过电压的影响，文献[3]更进一步对几种常见影响因素进行了排列组合，分析了多种因素共同作用对过电压的影响。目前的研究[1-11]主要集中在理论分析和仿真研究上，结合规程规范和实际工程运用的较少。本文在总结前人研究结果基础上，较为全面地总结了雷电侵入波仿真研究的细节，并以实际工程为例，讨论了运行方式对过电压的影响及避雷器优化布置方案，最后用实际参数对相关结果进行了校验，为工程设计和运行维护提供有益的参考。

1 仿真模型建立

西北地区某直流外送工程配套建设750 kV变电站一座，变电站750 kV侧为3/2接线，设主变压器2台，750 kV进线4回预留2回，接线简图如图1所示。本文以该输变电工程为研究对象，采用国际通行的电磁暂态程序ATPEMTP对其进行建模和计算。由于仿真模型和计算方法对结果具有重要影响，因此有必要先确定仿真建模的细节。

图1 750 kV变电站接线简图

1.1 雷电流模型

常用的雷电流模型有双指数函数和Heidler函数模型，由于Heidler模型在t=0时刻电流对时间的导数为零，与实测雷电基底电流波形更为一致，因此本文采用ATP-EMTP自带的“Heidler type”电流源建模。根据GB/T 311.2—2013《绝缘配合第2部分：使用导则》E.6条，雷电流波头波尾时间取2.6/50 μs，负极性雷。GBT 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》表5.3.1-1给出了不同电压等级输电线路的反击耐雷水平，本文考虑以260 kA作为计算用雷电流，其发生概率约为0.11%。

1.2 杆塔模型

雷电经常击中线路杆塔引发雷电波入侵。根据文献[1]及GBT 311.4—2010《绝缘配合第4部分：电网绝缘配合及其模拟的计算导则》，为减小误差，实际工程仿真时架空送电线路杆塔按多波阻杆塔模型处理，在ATP-EMTP里，其模型如图2所示，其中0#塔表示变电站进线门型架，1～6#塔分别代表1至6号进线塔。

图2 750 kV线路杆塔模型

杆塔水平导体(包括横担)波阻抗取200 Ω，主干(杆塔垂直导体)波阻抗取150 Ω，波速取2.1×108m/s，横担等杆塔详细尺寸按实际设置。

在本输变电工程中，变电站2 km范围进线杆塔采用国网典型设计，具体配置如下(括号内为典设代号和呼高)：

#0：门型架，接地电阻0.5 Ω；

#1：终端塔(7C2-SDJC，H42 m)，接地电阻10 Ω；

#2～#6：双回路悬垂塔(7C2-SZ2，H51 m)，接地电阻10 Ω；

1.3 输电线路模型

由于雷电冲击的高频特性，必须采用频率相关的线路模型。常见的频率特性模型有JMarti、Semlyen和Noda等，频率相关参数是线路参数计算的难点，既要考虑模型的严密性，又要考虑计算过程的稳定性。JMarti模型较好地做到了精确和简洁之间的平衡，在实际工程研究中得到广泛应用，本文采用ATP-EMTP软件自带的JMarti模型进行建模，建模主要参数如下：

线路采用同塔双回假设，导线型号6×LGJ-400/50，分裂距离50 cm；子导线计算直径2.763cm，20℃直流电阻0.072 32 Ω/km。避雷线型号JLB20A-150，计算直径1.575 cm，20℃直流电阻0.580 7 Ω/km。平均弧垂约为挡距的1/30。

1.4 变压器等设备模型

雷电侵入波时间短频率高，变压器、断路器、互感器等电气设备可等效为冲击电容。冲击电容可以实测，规范GBT 311.4—2010《 绝缘配合第4部分：电网绝缘配合及其模拟的计算导则》7.6.7和7.6.8条列出了IEEE推荐的电气设备典型对地电容，针对750 kV自耦变压器，推荐值为5 000 pF。

1.5 绝缘子闪络模型

线路绝缘子串承受过高的雷电压后，将会发生闪络。常见的闪络模型主要有定义法、先导法和相交法，定义法相对简单但误差较大，先导法更加合理但模型过于复杂，相交法物理概念清晰且符合实际[3]，因此在工程上得到普遍采用。本文参考Darveniza等人提出的绝缘子串伏秒特性公式[12]：

式中：L为绝缘子串长度，m；t为雷击开始到闪络经历的时间，μs。

本工程750 kV架空绝缘子串型号XWP2-160，2×28片。

1.6 其它问题阐述

雷电入侵主要有直击和绕击两种方式，直击是指雷电直接击中塔顶或避雷线，绕击是指雷电绕过避雷线直接击中导线。由于绕击雷电流通常远小于直击，且难以建立较为精确的绕击模型，故通常仿真计算以直击为主。另一方面，雷电直击避雷线中央造成的过电压要小于杆塔顶部[13]，故严重工况选择雷电直击线路塔顶。另外，感应雷对系统的影响通常远小于直击雷[13]，故仿真中不再考虑。

雷电流在导线上传播会产生冲击电晕，电晕促使雷电流产生衰减和畸变，有利于降低雷电流的不利影响，但是由于电晕模型难以精确模拟，且其影响有限[1-2]，实际工程中暂不考虑电晕的影响。

2 雷电侵入波的仿真计算

2.1 运行方式对过电压的影响

750 kV变电站拟装设避雷器配置方案如下：线路出线装设避雷器，变压器进线装设避雷器，母线装设避雷器(母I、母Ⅱ)，并联高抗装设避雷器。

针对工程的实际情况，考虑以下三种运行方式：

方式一：3#出线(带电抗)、2#主变、母线Ⅱ(离主变较近)；

方式二：2#出线(无电抗)、2#主变、母线I(离主变较远)；

方式三：2#出线(无电抗)、3#出线(带电抗)、2#主变、母线I(离主变较远)。

三种运行方式下的雷电过电压仿真计算结果见表2所列。

表2 雷电过电压仿真计算结果 kV

表3 750 kV电气设备雷电冲击绝缘水平 kV

由表2数据可知：

1)整体来看，单线单变时在各主要设备上产生的过电压普遍比双线单变时产生的过电压高，这是由于线路分流的结果，出线越多，过电压水平越低。

2)单线单变单母线工况下，运行方式一上产生的过电压略低于方式二，这是由于方式一增加了一组高抗避雷器的结果。

3)运行方式二中，变压器入口处电压达到1 969.2 kV，已经超过其雷电冲击绝缘水平。产生这种现象的原因与运行方式及站内设备整体布置方式有关。为避免这种现象，可以紧凑化布置主变进线间隔，比如进一步压缩主变电流互感器与避雷器之间的距离，将原距离从35 m压缩至15 m，调整后，变压器入口过电压降低为1 877.9 kV，但是该方法需要重新规划原有检修道路，且降低幅度有限。

4)除了重新排布设备，还可调整运行方式，若令方式二中Ⅰ母、Ⅱ母同时保持连接，系统中增加一组母线避雷器，将会进一步抑制过电压。经计算，改为双母运行后，变压器入口处过电压降为1 641.7 kV，绝缘裕度21.8%，可见母线避雷器发挥较为了明显的作用。

图3为变压器遭受雷击时的过电压波形图：

图3 主变三相过电压

2.2 避雷器优化配置

高抗处于末端位置且价格比较昂贵，因此原方案在线路高抗与线路入口处各配置了一组避雷器，如图4所示(虚线框内分别为线路和高抗避雷器)。为减少设备投资，节约占地面积，可考虑优化掉一组，故避雷器配置可考虑以下三种方案：

图4 避雷器布置图

方案一：维持原方案不变，线路侧和站内避雷器不同型号。

方案二：取消高抗避雷器，线路侧和站内避雷器不同型号。

方案三：取消高抗避雷器，线路侧避雷器型号与站内同型号。

运行模式按单线单变：3#出线、1#主变、母线Ⅱ连接考虑，计算结果见表4所列。

表4 三种方案计算结果 kV

由表中数据可知：

1)在单线单变工况下，方案一的过电压低于方案二，这是由于方案二减少了一组避雷器；方案三的过电压略低于方案二，是由于将带高抗线路的避雷器型号换为于站内避雷器型号相同。

2)取消高抗侧避雷器会导致设备过电压水平整体上升，上升幅度最大的是高抗，其过电压上升至1 846.4 kV，此时绝缘裕度为12.1%，略低于规程要求的15%。

3)因避雷器残压值越低，对设备的保护效果越好，将线路侧Y20W–648/1491型避雷器换为站内型Y20W–600/1380型后，过电压水平相比更换前整体降低，线路高抗上过电压已经降低到1 746.1 kV，绝缘裕度上升到16.8%，可见更换避雷器降压效果明显。

4)通过以上分析，取消高抗避雷器后，高抗处的绝缘裕度依然保持在16.8%，其它设备的绝缘裕度均保持在16.3%～18.9%范围内，即满足了设备长期运行的绝缘要求，又不使裕度过大造成投资上的浪费，从经济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，预估可减少设备及施工投资近百万元，同时节省占地400余m2。

5)避雷器对过电压有钳位作用，距离避雷器越近防雷效果越好，若将本工程高抗向远离避雷器方向移动10 m，高抗处过电压即升高至1 950.2 kV，绝缘裕度不满足要求，因此为保证防雷效果，应尽可能紧凑化布置相关设备。

6)虽然有相关文献[14-15]提出装设高抗避雷器的必要性，但是雷电波入侵在较近距离传播时，在不同设备间呈现折反射的特性，设备上的过电压往往是多个波形的叠加，调整设备布置或组合方式等都会影响过电压的重新分布，因此需要根据具体工况具体分析计算，不可一概而论。

2.3 避雷器放电电流校验

将实际参数代入计算模型，并按以下两种方案对避雷器最大电流进行校验：

方案一：原避雷器方案不变；

方案二：取消高抗避雷器，线路和站内避雷器同型号。

由表5数据可见，两种方案各处避雷器的放电电流均小于20 kA，且有较大余量，因此采用Y20W型避雷器能够满足雷电侵入波的保护要求。

表5 避雷器放电电流 kA

2.4 实际参数校验

设备参数对过电压计算具有重要影响，尤其是设备对地电容参数，以往的研究多采多用理论参数或推荐参数，未经实际校验。变电站内价格最贵的电气设备主要为主变、气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulator switchgear，GIS)、高抗，需要重点关注，因此本文搜集本工程生产厂家的相关设备实测参数，主要结果见表6所列。

表6 750 kV主要设备对地电容值 pF

由上表数据可知，高抗参数与推荐值相差不大，但是主变参数是原推荐值的2倍，因此需要重点校验实际参数对计算结果的影响。按高抗与出线合用一组站内型避雷器考虑，将实际参数代入以下运行方式进行计算，计算结果见表7所列。

表7 四种方案计算结果 kV

方式一：3#出线、1#主变、母线Ⅱ；

方式二：3#出线、1#主变、母线Ⅰ、母线Ⅱ；

方式三：2#出线、1#主变、母线Ⅱ；

方式四：2#出线、1#主变、母线Ⅰ、母线Ⅱ。

由表7结果可知，代入实际参数后，计算结果均有不同程度调整，过电压水平有升有降。整体而言对GIS的影响较小，绝缘裕度依然较为充足，影响较大的主要是高抗和变压器。在运行方式一下，高抗处过电压较原推荐参数结果有所上升，绝缘裕度为12.7%。影响最大的是变压器，在运行方式三下其过电压接近绝缘水平，裕度仅为5.7%。因此，为最大限度保证设备安全，或可考虑提升主变绝缘水平从1 950 kV至2 100 kV，但是变压器造价昂贵提升绝缘水平花费较大，较为可行的是从运行方式入手。由于GIS设备本身具有运行可靠性高、维护工作量少、检修周期长等特点，因此在运行中可尽量保证双母线同时连接运行，如表7方案二、四所示，过电压水平下降较大抑制效果明显。虽然母线故障的概率较小，但是当一段母线检修时，系统仍有一定风险，因此为降低过电压风险，此时应尽可能保持2回或多回出线在线，为雷电流提供分流。总之尽量避免单线单变单母线的长期运行方式，可保证设备绝缘裕度在合理范围内。

另外，750 kV设备国内技术路线较为统一，不同厂家参数相差不大但略有差别，因此建议不同项目采用各自厂家的实测参数进行校验。

3 结论

本文对雷电侵入波仿真研究的细节进行了研究梳理，并以750 kV输变电工程为例，得出以下结论：

1)变电站雷电侵入波过电压水平与系统运行方式和接线方式密切相关。就运行方式而言，单线带单变运行时过电压情况最为严重。出线越多，分流越多，过电压水平越低。

2)母线避雷器对抑制设备上的过电压效果显著，双母线同时运行并与进出线连接，可保证设备处有充足的绝缘裕度，因此运行中应尽量避免单线单变单母线方式长期运行，在母线检修时，可连接其它出线来加强分流。

3)取消出线高抗避雷器具有可行性，为进一步降低高抗处过电压，建议线路采用站内型避雷器。取消后，各种运行工况下过电压未突破设备绝缘水平，且避雷器放电电流小于18 kA，满足运行要求。

4)雷电流在不同设备间呈现折反射特性，设备上的过电压往往是多个波形的叠加，设备参数、组合型式等都会对过电压的分布产生重大影响，因此建议后续工程根据设备实测参数对计算结果进行校验，尤其关注变压器设备。