劉雨晴

（眉山市彭山供電分公司）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)也隨之加快，但我國(guó)幅員遼闊，能源分布極不均勻，2／3以上的水和煤資源都集中在西部地區(qū)，而負(fù)荷中心大多都覆蓋在相對(duì)發(fā)達(dá)的中東部地區(qū)，東西部距離太遠(yuǎn)，發(fā)展長(zhǎng)距離、大容量的特高壓輸電技術(shù)勢(shì)在必行。總結(jié)國(guó)內(nèi)外的特高壓輸電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，雷擊引起的線路跳閘一直是影響特高壓電網(wǎng)發(fā)展的主要原因之一，從而影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活造成損害。在確定高電壓等級(jí)架空線路耐雷水平時(shí)，線路參數(shù)的頻變特性、沖擊電暈以及雷電波的實(shí)際波過(guò)程對(duì)于雷擊引起的電磁暫態(tài)過(guò)程的影響較大。因此，在配置電力系統(tǒng)各項(xiàng)的絕緣水平時(shí)，較為精確地掌握入侵電力系統(tǒng)內(nèi)部的雷電過(guò)電壓水平及波形對(duì)合理選擇設(shè)備的絕緣配合十分關(guān)鍵。

IEC規(guī)定的1.2／50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波是在不考慮波過(guò)程受變電站及電氣設(shè)備影響的情況下雷電引起暫態(tài)過(guò)電壓的代表波形，而實(shí)際工況下，有各種形狀的雷電波形存在，使用標(biāo)準(zhǔn)雷電波代替非標(biāo)準(zhǔn)波來(lái)評(píng)價(jià)、測(cè)試電力設(shè)備的絕緣特性存在種種問(wèn)題。本文利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)軟件對(duì)侵入變電站的雷電過(guò)電壓進(jìn)行仿真，研究不同類型的原始雷電波作用、雷擊點(diǎn)不同、采集位置不同幾種情況下的雷電波形，分析它們的響應(yīng)特性。

1 變電站雷電侵入波仿真模型

本文基于電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP對(duì)變電站雷電侵入波進(jìn)行仿真，對(duì)輸電線路上發(fā)生反擊、繞擊的情況進(jìn)行仿真，輸電線路采用JMARTI頻率特性架空線模型。全長(zhǎng)10km，全線架設(shè)一回避雷線。模擬雷電波采用1.2／50μs雙指數(shù)波形，雷電通道波阻抗為300Ω，采樣頻率為200MHz。

1.1 桿塔及線路模型

圖1為ATP環(huán)境下建立的輸電線路上的仿真模型，分別表示出了雷擊桿塔頂、雷擊輸電線路的情況，圖2為普通桿塔波阻抗模型。

1.2 變電站仿真模型

交流變電站的模型如圖3所示，變電站模型中，PT采用0.5nF的電容模擬其對(duì)暫態(tài)行波的作用，變壓器采用3nF的電容模擬變壓器入口電容。站內(nèi)的母線及其它連線用分布參數(shù)模型模擬。

圖1 ATP環(huán)境下建立的輸電線路仿真模型

圖2 桿塔波阻抗模型

圖3 ATP環(huán)境下建立的變電站雷電侵入波仿真模型

1.3 絕緣子閃絡(luò)判據(jù)

通過(guò)比較絕緣子串所加電壓和標(biāo)準(zhǔn)波形下的伏秒特性值對(duì)絕緣子閃絡(luò)進(jìn)行判斷。如圖4所示，當(dāng)絕緣子串上的過(guò)電壓波與伏秒特性曲線相交即可發(fā)生閃絡(luò)，當(dāng)絕緣子串上的過(guò)電壓波與伏秒特性曲線不相交即不閃絡(luò)。

圖4 絕緣子閃絡(luò)判據(jù)

2 變電站雷電侵入波的影響因素研究

2.1 雷擊類型對(duì)侵入波形的影響

雷電有多種方式在輸電線路上產(chǎn)生過(guò)電壓波形。根據(jù)雷電擊中輸電線路本體還是擊中輸電線路旁邊的大地，分為感應(yīng)雷和直擊雷。其中，直擊雷又可以根據(jù)雷擊部位及絕緣子是否閃絡(luò)分為四種：反擊導(dǎo)線未閃絡(luò)，反擊導(dǎo)線閃絡(luò)，繞擊導(dǎo)線未閃絡(luò)，繞擊導(dǎo)線閃絡(luò)。

（1）反擊導(dǎo)線未閃絡(luò)

在雷擊桿塔未閃絡(luò)的情況下，施加雷電流幅值為－60KA，位置為桿塔頂部，取A相為故障相。圖5為在變電站進(jìn)站處、母線、變壓器上測(cè)得的雷電波形。

從圖中可以看出進(jìn)站處的電壓幅值最大達(dá)到－570kV，到了變電站母線上有些衰減，最大值衰減為－410KV，到變壓器處時(shí)，變壓器上的幅值進(jìn)一步衰減為－345KV，這是由于波在輸電線路傳播過(guò)程中由于導(dǎo)線電阻、大地、電暈等因素所產(chǎn)生的損耗引起波的衰減和畸變，使得侵入波幅值和陡度都有所下降。

圖5 反擊導(dǎo)線未閃絡(luò)時(shí)變電站進(jìn)站處、母線、變壓器上測(cè)得的雷電波形

（2）反擊導(dǎo)線閃絡(luò)

施加雷電流幅值為－75kA，位置為桿塔頂部，取A相為故障相。計(jì)算表明A相絕緣子在0.45μs左右被擊穿，絕緣子閃絡(luò)后，閃絡(luò)前通過(guò)避雷線和桿塔注入大地的雷云電荷一部分通過(guò)絕緣子注入導(dǎo)線，使得閃絡(luò)相的電位抬升，電流增加。圖6為在變電站進(jìn)站處、母線、變壓器上測(cè)得的雷電波形。

從圖中計(jì)算可得，進(jìn)站處的電壓波形在1.3μs左右大幅增加，相比絕緣子串的閃絡(luò)時(shí)間有所延遲，因?yàn)椴ㄐ卧谶M(jìn)線段傳播有所衰減，幅值變化相對(duì)緩慢。同樣的，從進(jìn)站處到母線再到變壓器入口處，電壓最大幅值從－2000kV衰減到－900kV再到－380kV。但總的來(lái)說(shuō)，幅值在波頭都有所抬升。

圖6 反擊導(dǎo)線閃絡(luò)時(shí)變電站進(jìn)站處、母線、變壓器上測(cè)得的雷電波形

（3）繞擊導(dǎo)線未閃絡(luò)

直接繞擊導(dǎo)線的情況下，雷云電荷直接注入導(dǎo)線，大量負(fù)極性電荷注入，使得導(dǎo)線上形成與雷電流波形相似的過(guò)電壓波形。模擬繞擊導(dǎo)線絕緣子未閃絡(luò)，施加雷電流幅值為－9kA，擊中A相，在進(jìn)站處采集電壓波形如圖7所示，計(jì)算可得波頭時(shí)間為0.1μs，比標(biāo)準(zhǔn)波小。

（4）繞擊導(dǎo)線閃絡(luò)

施加雷電流幅值為－20kA，擊中A相，模擬繞擊導(dǎo)線閃絡(luò)，圖8為進(jìn)站處電壓波頭展開(kāi)圖。計(jì)算得到2.5μS時(shí)，絕緣子串閃絡(luò)，行波電壓幅值迅速降低，這也是與未閃絡(luò)不同的地方。這是由于絕緣子閃絡(luò)后，導(dǎo)線上電荷主要經(jīng)過(guò)絕緣子電弧通道流入大地，因此導(dǎo)線上的電壓降低了。波頭時(shí)間為0.1μS，比標(biāo)準(zhǔn)波小。

圖7 繞擊導(dǎo)線未閃絡(luò)進(jìn)站處的電壓波形

圖8 繞擊導(dǎo)線閃絡(luò)進(jìn)站處電壓波頭展開(kāi)圖

2.2 雷擊地點(diǎn)對(duì)侵入波的影響

（1）近區(qū)反擊雷和遠(yuǎn)區(qū)反擊雷的波形對(duì)比

分別取距離變電站300m和2km處為落雷點(diǎn)，模擬近區(qū)雷和遠(yuǎn)區(qū)雷。測(cè)得近區(qū)反擊雷作用下變電站入口處電壓如圖9所示。

圖9 近區(qū)反擊雷作用下的電壓波形

近區(qū)反擊雷和遠(yuǎn)區(qū)反擊雷兩者波形走勢(shì)相同，但幅值和閃絡(luò)時(shí)間有所區(qū)別。近區(qū)雷的電壓最大幅值為－0.5mV，遠(yuǎn)區(qū)雷作用下電壓幅值最大達(dá)－0.3mV左右，遠(yuǎn)低于近區(qū)雷。在1.3μS時(shí)，近區(qū)雷作用下的絕緣子串閃絡(luò)，電壓幅值急劇增加；而遠(yuǎn)區(qū)雷作用下，6.5μs時(shí)行波電壓才陡增。波頭時(shí)間由近區(qū)雷作用下的0.6μs變短到0.3μs。

（2）近區(qū)繞擊雷和遠(yuǎn)區(qū)繞擊雷的波形對(duì)比

跟 （1）的取點(diǎn)情況一致，測(cè)得近區(qū)繞擊雷作用下變電站入口處電壓如圖10所示。

圖10 近區(qū)繞擊雷作用下的電壓波形

同反擊情況相似，近區(qū)繞擊雷和遠(yuǎn)區(qū)繞擊雷兩者波形走勢(shì)相同，不同的是最大值幅值和絕緣子閃絡(luò)時(shí)間。近區(qū)雷的電壓最大幅值為－1.8mV，遠(yuǎn)區(qū)雷作用下電壓幅值最大達(dá)－1.5mV，遠(yuǎn)低于近區(qū)雷。在2.5μS時(shí)，近區(qū)雷作用下的絕緣子串閃絡(luò)，電壓幅值急劇下降；而遠(yuǎn)區(qū)雷作用下，5.5μS時(shí)行波電壓才陡降。近區(qū)雷的波頭時(shí)間也大于遠(yuǎn)區(qū)雷的波頭時(shí)間。

2.3 行波在輸電線路上的傳播對(duì)侵入波的影響

電壓行波在輸電線路上傳播會(huì)發(fā)生損耗，導(dǎo)致行波衰減，為闡述電壓行波在輸電線路傳播過(guò)程中的衰減和畸變過(guò)程，對(duì)該過(guò)程進(jìn)行了仿真。當(dāng)A相遭受－20kA雷電繞擊后，距雷擊點(diǎn)600m，1km及進(jìn)站處的電壓行波仿真結(jié)果如圖11所示，分別以紅色、綠色、藍(lán)色波形表示。

計(jì)算表明，電壓行波傳輸?shù)阶冸娬救肟谔帟r(shí)，行波幅值衰減為將近原始行波的一半，波頭時(shí)間增加，波尾變緩。進(jìn)一步驗(yàn)證了行波在輸電線路中傳播有較大的衰減和畸變，與標(biāo)準(zhǔn)雷電波差異較大。

研究表明，由于進(jìn)線段衰減、站內(nèi)折反射、變壓器繞組諧振以及站內(nèi)存在LC振蕩回路等原因，電力設(shè)備上遭受的真實(shí)雷電侵入波并不是1.2／50μS的標(biāo)準(zhǔn)雷電波形，而呈現(xiàn)振蕩波形，這對(duì)變電站設(shè)備的絕緣擊穿是有很大影響的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)雷電波的影響。

圖11 繞擊閃絡(luò)時(shí)的沿線電壓

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)ATP-EMTP暫態(tài)仿真軟件對(duì)變電站內(nèi)的雷電波進(jìn)行仿真，模擬了不同類型的原始雷電波作用、雷擊點(diǎn)不同、采集位置不同幾種情況下的雷電波形，分析了它們的波形特征。得出如下結(jié)論：

（1）影響變電站侵入波波形的因素主要有雷擊類型、雷擊地點(diǎn)、行波在輸電線路上的傳播。

（2）在雷擊類型方面，雷電繞擊 （包括絕緣子閃絡(luò)和未閃絡(luò)）和雷電反擊造成絕緣子閃絡(luò)都會(huì)在導(dǎo)線上產(chǎn)生幅值較高的過(guò)電壓行波。反擊波形幅值大于繞擊波形幅值。

（3）雷電過(guò)電壓行波在輸電線路的傳播過(guò)程中，幅值會(huì)發(fā)生衰減，且由于高頻分量衰減速度高于低頻分量，導(dǎo)致雷電過(guò)電壓波形變緩，即波頭、波尾時(shí)間增長(zhǎng)。

（4）仿真波形與實(shí)測(cè)波形對(duì)比波形近似，這就為雷電過(guò)電壓研究分析提供了依據(jù)。