靳彥輝，郝竹筠，劉 宸，于萬(wàn)祥

（1.國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司，長(zhǎng)春 130021；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021；3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心，長(zhǎng)春 130062）

隨著我國(guó)電網(wǎng)的不斷發(fā)展，500kV 及以上電壓等級(jí)的超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)已成為我國(guó)的主干電網(wǎng)，因此其可靠性對(duì)保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。本文以500kV 變電站為例，采用國(guó)際通用的電磁暫態(tài)計(jì)算程序EMTP，對(duì)變電站斷路器處于線路檢修斷開(kāi)或因事故跳閘時(shí)的雷電侵入波過(guò)電壓進(jìn)行系統(tǒng)的仿真計(jì)算，并對(duì)防雷措施進(jìn)行了分析。

1 500kV 斷路器雷擊事故及原因簡(jiǎn)析

1.1 雷擊事故簡(jiǎn)述

文獻(xiàn)［1］至文獻(xiàn)［3］分別介紹了500kV、220kV及110kV 變電站斷路器因雷擊發(fā)生外絕緣擊穿的事故案例，這些案例的共同點(diǎn)有：事故地區(qū)多雷雨；正常運(yùn)行的線路側(cè)斷路器其外側(cè)未安裝避雷器；桿塔對(duì)地電阻略大，起不到足夠的對(duì)雷電波的削弱作用；在斷路器斷開(kāi)時(shí)，線路遭受雷擊，雷電波在斷路器斷口處發(fā)生全反射，產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，導(dǎo)致斷路器的絕緣閃絡(luò)。

雖然斷路器斷開(kāi)時(shí)線路受到雷擊的事件發(fā)生概率很小，但從事故帶來(lái)的損失和近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)生的案例來(lái)看，多雷雨地區(qū)的變電站及輸電線路應(yīng)該對(duì)此類事故采取一定的防范措施。

1.2 事故原因簡(jiǎn)析

線路1與線路2在A點(diǎn)相連（見(jiàn)圖1），線路1的波阻抗為z1，線路2的波阻抗為z2。u1q為雷電入射波，u2q為u1q的折射波，u1f為反射波。當(dāng)線路末端因斷路器跳開(kāi)而開(kāi)路時(shí)，相當(dāng)于線路2的波阻抗是無(wú)窮大的。根據(jù)行波的傳播理論［4］，當(dāng)入射波傳入到達(dá)開(kāi)路的線路末端A點(diǎn)時(shí)，會(huì)在A點(diǎn)發(fā)生全反射，使A點(diǎn)的電壓幅值變?yōu)樵瓉?lái)的2倍。

當(dāng)變電站的斷路器處于斷開(kāi)狀態(tài)下，變電站出線受到雷擊產(chǎn)生雷電入侵波時(shí)，雷電入侵波的傳播過(guò)程即相當(dāng)于線路末端開(kāi)路的情況，這種情況下會(huì)在斷路器斷口產(chǎn)生2倍的雷電過(guò)電壓；同時(shí)由于變電站引線較多，雷電侵入波在換流站交就部分內(nèi)部會(huì)發(fā)生多次折射和反射，導(dǎo)致斷路器端口上多次形成較高的過(guò)電壓值，造成斷口外絕緣的絕緣擊穿。

圖1 行波的折射和反射示意圖

2 斷路器斷開(kāi)狀態(tài)下雷電侵入波過(guò)電壓仿真計(jì)算

2.1 仿真建模

仿真采用國(guó)際通用的電磁暫態(tài)計(jì)算程序EMTP。在進(jìn)行EMTP 的仿真計(jì)算時(shí)要對(duì)變電站及其進(jìn)線段的各電氣設(shè)備進(jìn)行合理地模擬，建立盡量準(zhǔn)確的模型。過(guò)電壓校核計(jì)算中的模型均根據(jù)事故具體情況進(jìn)行選取。在建立模型時(shí)，為了更好地模擬事故時(shí)的實(shí)際情況，將變電站的進(jìn)線段與變電站作為一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，輸電桿塔、輸電線路、避雷器、變壓器、電壓互感器等設(shè)備均采用了等效模型進(jìn)行模擬［5］。

在EMTP的仿真模型中，雷電流的波形取2.6/50μs的三角波；鐵塔模型采用四段模型；輸電線路模型采用EMTP程序中的J.Marti模型；絕緣子閃絡(luò)模型采用先導(dǎo)模型；變壓器、斷路器斷口、電流互感器、電壓互感器及避雷器等電氣設(shè)備均采用相應(yīng)的電容等值參數(shù)模擬。建模的500kV 變電站主接線見(jiàn)圖2。

2.2 非完整串?dāng)嗦菲鲾嚅_(kāi)時(shí)雷電侵入波過(guò)電壓仿真

在非完整串的進(jìn)線線路1上設(shè)置雷擊故障，調(diào)節(jié)雷電沖擊電流的峰值，計(jì)算雷擊時(shí)的設(shè)備過(guò)電壓值。GB 311.1—1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》中的規(guī)定500kV 斷路器端口絕緣額定雷電沖擊耐受電壓需達(dá)到1 865kV，仿真中根據(jù)此規(guī)定判定斷路器是否發(fā)生絕緣閃絡(luò)。當(dāng)雷電流的峰值為127kA 時(shí)，非完整串上的斷路器103斷口即可能發(fā)生閃絡(luò)，此時(shí)各電氣設(shè)備的過(guò)電壓值見(jiàn)表1。

由以上仿真結(jié)果可知：當(dāng)斷路器101和103處于開(kāi)斷狀態(tài)時(shí)，斷路器的耐雷水平很低；斷路器103斷口電壓明顯高于斷路器101，因而，雷電波侵入時(shí)距離線路避雷器較遠(yuǎn)的斷路器103斷口間發(fā)生閃絡(luò)的概率遠(yuǎn)高于101。

圖2 500 kV變電站主接線簡(jiǎn)圖

表1 斷路器101和103斷開(kāi)時(shí)斷口雷電過(guò)電壓

2.3 完整串?dāng)嗦菲鲾嚅_(kāi)時(shí)雷電侵入波過(guò)電壓仿真

在完整串的進(jìn)線線路3上設(shè)置雷擊故障，調(diào)節(jié)雷電沖擊電流的峰值，計(jì)算雷擊時(shí)的設(shè)備過(guò)電壓值，當(dāng)雷電流的峰值為138kA 時(shí)，完整串上的斷路器201、202 生閃絡(luò)，此時(shí)各電氣設(shè)備的過(guò)電壓值見(jiàn)表2。

表2 斷路器201和202斷開(kāi)時(shí)斷口雷電過(guò)電壓

由以上仿真結(jié)果可知：與非完整串相比，完整串的兩個(gè)斷路器處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，其耐雷水平仍有不足，但略高于非完整串的耐雷水平；進(jìn)線的兩個(gè)斷路器的過(guò)電壓值近似相等，因而，兩個(gè)斷路器發(fā)生閃絡(luò)的概率基本相等。

綜合非完整串和完整串的過(guò)電壓仿真情況，可以得出如下結(jié)論：斷路器處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，完整串的耐雷水平略高于非完整串；距線路避雷器較遠(yuǎn)的斷路器過(guò)電壓明顯高于距避雷器較近的斷路器，因而，遭受雷電沖擊時(shí)，距避雷器較遠(yuǎn)的斷路器先發(fā)生閃絡(luò)。

3 500kV 變電站非完整串雷擊過(guò)電壓防范措施

根據(jù)前文的仿真建模及仿真結(jié)果，可選擇其中切實(shí)可行的方案進(jìn)行仿真研究以達(dá)到理想的防雷效果。研究方法是：設(shè)雷擊點(diǎn)及雷電流波形不變，改變雷電流的幅值，計(jì)算所選防雷方案下設(shè)備的耐雷水平，通過(guò)耐雷水平的對(duì)比，研究提高設(shè)備耐雷水平的措施。

仿真中采取的防雷措施是，在線路1進(jìn)線第三桿塔加裝線路避雷器，且在非完整串距103斷路器5m 處加裝一只額定電壓為444kV 的避雷器。

當(dāng)雷電流的幅值達(dá)到250kA 時(shí)，各電氣設(shè)備的過(guò)電壓仍小于雷電沖擊耐受電壓，過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果列于表3中。

表3 非完整串進(jìn)線第三桿塔加裝線路避雷器且103加裝避雷器時(shí)設(shè)備過(guò)電壓

4 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果，斷路器處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，完整串的耐雷水平略高于非完整串，其過(guò)電壓和耐雷水平呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：非完整串距避雷器較遠(yuǎn)的斷路器過(guò)電壓明顯高于距避雷器較近的斷路器，因而，遭受雷電沖擊時(shí)，距避雷器較遠(yuǎn)的斷路器先發(fā)生閃絡(luò)。

仿真結(jié)果證明，非完整串在距斷路器5m 處安裝避雷器，同時(shí)在進(jìn)線段安裝線路避雷器可以非常有效地提高斷路器斷開(kāi)狀態(tài)下的耐雷水平。當(dāng)雷電流達(dá)到250kA 時(shí)，使用上述兩項(xiàng)措施仍可保證非完整串的斷路器不發(fā)生外絕緣閃絡(luò)。

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