李 雍，郭 飛，羅輝勇，趙晨楠

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司營(yíng)銷服務(wù)中心(計(jì)量中心)，鄭州 450000；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州 450000；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司直流中心，鄭州 450000；))

0 引 言

確定各電氣設(shè)備的絕緣水平是絕緣配合的核心問題，其中雷電沖擊試驗(yàn)是考核絕緣耐受水平的重要內(nèi)容之一，在對(duì)變電站電氣設(shè)備進(jìn)行雷電沖擊高壓試驗(yàn)時(shí)使用的是IEC 60060-1及中國(guó)國(guó)標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)雷電波，1.2 μs/50 μs[1-3]。標(biāo)準(zhǔn)雷電波形是基于1929年美國(guó)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正得到的，該波形是不考慮波過程受變電站及電氣設(shè)備影響的情況下的雷電引起暫態(tài)過電壓的代表波形。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，特高壓變電站比當(dāng)時(shí)的變電站的規(guī)模更加龐大、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、ZnO避雷器的應(yīng)用更加廣泛，這些因素一方面會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有輸電線路上的直擊雷電波形參數(shù)與以往采集的數(shù)據(jù)存在差異，另一方面會(huì)導(dǎo)致入侵現(xiàn)有站內(nèi)電力設(shè)備的雷電波與以往輸電線路上雷電數(shù)據(jù)大有不同，最終可能出現(xiàn)變電站電氣設(shè)備實(shí)際承受雷電侵入波與標(biāo)準(zhǔn)雷電波波形差異較大的情況。有關(guān)研究表明[4-5]，不同波形參數(shù)的雷電波對(duì)絕緣介質(zhì)的擊穿特性產(chǎn)生的影響不同。因此，采用標(biāo)準(zhǔn)雷電波代替非標(biāo)準(zhǔn)雷電波進(jìn)行雷電沖擊高壓試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致出廠電氣設(shè)備的絕緣水平與實(shí)際情況之間存在偏差，最終影響變電站電氣設(shè)備絕緣水平的真實(shí)性以及防雷保護(hù)的可靠性。

2000年以后，隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，重慶大學(xué)[6]、武漢大學(xué)[7]、華北電力大學(xué)[8]、西華大學(xué)與四川電科院[9]等科研院所先后開展了變電站雷電暫態(tài)過電壓的實(shí)測(cè)研究，研究涉及的變電站電壓等級(jí)主要是220 kV及以下。文獻(xiàn)[10-11]對(duì)采集到的雷電過電壓行波特征做了簡(jiǎn)單定性分析。文獻(xiàn)[12-13]分別使用ATP-EMTP建立特高壓變電站模型，從過電壓幅值的角度研究了雷電侵入波的影響因素。文獻(xiàn)[14]以500 kV變電站為例對(duì)變電站雷電侵入波波形特征及其影響因素做了初步研究。但針對(duì)特高壓變電站雷電侵入行波規(guī)律、波形特征、變電站設(shè)備在實(shí)際行波參數(shù)下絕緣耐受水平進(jìn)行詳細(xì)研究的有關(guān)文獻(xiàn)較少。

該文利用ATP-EMTP暫態(tài)仿真軟件，基于國(guó)內(nèi)某特高壓GIS變電站的實(shí)際工程參數(shù)，建立“雷電源-線路-變電站”的特高壓GIS變電站整體仿真模型，針對(duì)其他文獻(xiàn)仿真分析忽略雷電侵入波行波特征和行波規(guī)律的問題，以及實(shí)際工況下，電氣設(shè)備的絕緣耐受水平與雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形下絕緣耐受水平是否相同的問題，從暫態(tài)仿真的角度對(duì)特高壓變電站雷電侵入波行波特征、影響因素、實(shí)際行波特征下變電站電氣設(shè)備的絕緣耐受特點(diǎn)進(jìn)行研究。

1 變電站電氣主接線及仿真模型

1.1 變電站電氣主接線

以中國(guó)某1 000 kV GIS變電站作為研究對(duì)象，其變電站初期的電氣主接線圖如圖1所示。從圖1可以看出，該變電站配電裝置側(cè)采用3/2接線方式，初期工程共有4回出線，2個(gè)變壓器，構(gòu)成2個(gè)完整串和2個(gè)不完整串。

圖1 特高壓變電站電氣主接線圖Fig.1 The main electrical wiring diagram of UHV substation

1.2 模型等效

1.2.1 雷電源等值模型

1)雷電源參數(shù)。在研究特高壓變電站雷電侵入過電壓行波特征及其對(duì)絕緣的影響時(shí)，為了和雷電沖擊耐壓試驗(yàn)波形參數(shù)一致，取雷電源波形參數(shù)為1.2 μs/50 μs。繞擊計(jì)算時(shí)雷電通道波阻抗取800 Ω，反擊計(jì)算時(shí)取300 Ω[15]。

2)最大繞擊雷電流。根據(jù)文獻(xiàn)[15]采用擊距算式：

r=10I0.65

(1)

最大擊距算式：

F=k2-sin2(α+θ)

G=F[(hs+hc)/(cosαcosθ)]2

(2)

式中：hs為避雷線的平均高度，m；hc為導(dǎo)線的平均高度，m；α為避雷線保護(hù)角；θ為地面傾角；k為擊距系數(shù)。擊距系數(shù)按文獻(xiàn)[15]取上相、中相為0.7，下相為0.8。運(yùn)用MATLAB編程計(jì)算所得最大繞擊雷電流幅值如表1所示。

表1 最大繞擊雷電流Table 1 The maximum shielding failure lightning current

1.2.2 進(jìn)線段設(shè)備模型

1)桿塔。隨著特高壓輸電網(wǎng)的建設(shè)，桿塔高度達(dá)百米以上，結(jié)構(gòu)呈復(fù)雜趨勢(shì)，T.Hara等學(xué)者的多波阻抗模型，對(duì)桿塔分層化處理更加符合實(shí)際波過程。該文采用此種方法，選取某典型特高壓同塔雙回路桿塔，桿塔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 1 000 kV同桿雙回桿塔Fig.2 1 000 kV double circuit tower on the same pole

2)輸電線路模型。線路模型的選取與雷擊過電壓行波的頻率密切相關(guān)。該文仿真特高壓進(jìn)線段架空輸電線路時(shí)選用J.Marti模型。為消除線路終端行波反射造成的影響，根據(jù)仿真時(shí)間選用不同長(zhǎng)度的架空線路連接至線路末端，使得計(jì)算結(jié)果不受反射回來(lái)的行波的影響。進(jìn)線段架空線路采用1 000 kV同塔雙回架設(shè)方式，進(jìn)線段導(dǎo)線型號(hào)為8×LGJ-630/45，分裂間距為400 mm；地線型號(hào)分別為L(zhǎng)BGJ-240-20AC,OPGW-240;導(dǎo)地線弧垂分別為18.6 m，13 m；檔距取500 m，0號(hào)桿塔與1號(hào)桿塔距離取80 m。

3)絕緣閃絡(luò)判據(jù)。先導(dǎo)法更加符合雷電梯級(jí)先導(dǎo)發(fā)展的物理實(shí)際，采用該模型作為絕緣子閃絡(luò)判據(jù)更加嚴(yán)密。該文選用先導(dǎo)法作為絕緣閃絡(luò)判據(jù)，并利用EMTP中的開發(fā)模型功能，采用Models語(yǔ)言編程，建立閃絡(luò)模型。

4)避雷器模型。避雷器伏安特性采用分段線性化方法進(jìn)行處理。根據(jù)技術(shù)規(guī)范[16]，避雷器伏安特性如表2所示。

表2 氧化鋅避雷器伏安特性參數(shù)Table 2 Volt-ampere characteristic parameters of ZnO arrester

1.2.3 進(jìn)線段設(shè)備模型

1)取GIS的波阻抗為95 Ω，波在GIS中的傳播速度取光速。

2)對(duì)于變電站站內(nèi)導(dǎo)線和母線全部采用具有分布參數(shù)的單相Clarke模型進(jìn)行模擬。

3)在變電站雷電侵入波的計(jì)算中，站內(nèi)電氣設(shè)備如變壓器、互感器、斷路器等均可用入口電容進(jìn)行模擬等效[17]，具體參數(shù)如表3所示。

表3 設(shè)備的入口電容數(shù)值Table 3 The entrance capacitance value of the equipment

1.2.4 仿真步長(zhǎng)的選擇

EMTP程序基于貝杰龍?jiān)聿捎镁€性插值計(jì)算雷電過電壓[12]，計(jì)算步長(zhǎng)選取過大，對(duì)接線的誤差影響較大，有時(shí)可造成程序無(wú)法運(yùn)行；選取過小，計(jì)算節(jié)點(diǎn)增加，計(jì)算累計(jì)誤差增大。該文仿真計(jì)算中計(jì)算步長(zhǎng)選擇1.0×10-9s。

1.2.5 其他說明

線路的電暈有降低雷電侵入波過電壓的作用，但是目前電暈?zāi)Ｐ偷臓?zhēng)議較大，沒有有效而方便的模擬線路電暈的方法[18]，該文研究未計(jì)及沖擊電暈的影響。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 雷電侵入波行波特征影響因素分析

2.1.1 雷擊類型

特高壓變電站雷電侵入波由雷擊輸電線路在雷擊點(diǎn)附近形成的初始雷電侵入波傳播形成，該初始電壓行波的波形規(guī)律和特點(diǎn)由雷擊類型和變電站本身的暫態(tài)響應(yīng)特性共同決定。雷擊類型主要可分為以下4種情況。

1)雷電繞擊導(dǎo)線但未引起絕緣子閃絡(luò)；

2)雷電繞擊導(dǎo)線，同時(shí)引起絕緣子閃絡(luò)；

3)雷電擊中避雷線(或塔頂)并沒有引起絕緣子閃絡(luò)；

4)雷電擊中避雷線(或塔頂)并引起絕緣子閃絡(luò)。

為研究雷擊類型對(duì)雷電侵入波波形規(guī)律的影響，針對(duì)上述4種雷擊情況進(jìn)行仿真計(jì)算。假設(shè)雷擊發(fā)生在輸電線路的中間位置，雷擊點(diǎn)過電壓不受相反方向反射回來(lái)的電壓行波和電流行波的影響。雷擊發(fā)生在10 μs時(shí)，桿塔接地電阻為10 Ω，門構(gòu)接地電阻為7 Ω，地面傾角為15°，由表1知此時(shí)繞擊上相導(dǎo)線的最大雷電流為-55.14 kA，其他雷擊條件見表4。則該桿塔絕緣子流過的電流波形如圖3所示，距離雷擊點(diǎn)500 m處導(dǎo)線上的電壓波形如圖4所示。

表4 仿真條件Table 4 Simulaion conditions

圖3 絕緣子流過的電流波形Fig.3 Insulator current waveform

由圖3可知：當(dāng)繞擊雷電流為-25 kA時(shí)，絕緣子未擊穿；當(dāng)繞擊雷電流為-55.13 kA時(shí)，絕緣子中有最大-54.2 kA的雷電流通過，絕緣子閃絡(luò)發(fā)生在雷擊后3.39 μs；當(dāng)反擊雷電流為-250 kA時(shí)，絕緣子未擊穿；當(dāng)反擊雷電流為-280 kA時(shí)，絕緣子中有最大5.5 kA的雷電流通過，絕緣子閃絡(luò)發(fā)生在雷擊后的10.04 μs。

圖4 (a)為雷電繞擊A相未發(fā)生閃絡(luò)時(shí)距離雷擊點(diǎn)500 m處過電壓波形。雷電流直接注入導(dǎo)線使得被繞擊未閃絡(luò)相(A相)的過電壓波形類似雙指數(shù)波形，導(dǎo)線阻抗的作用使電壓行波波頭時(shí)間延遲為2.64 μs，波尾時(shí)間未發(fā)生明顯變化，約為50 μs。大量負(fù)極性雷電流的急劇注入導(dǎo)線使導(dǎo)線過電壓幅值較高，最大為-3.29 MV。B、C相沒有發(fā)生繞擊，其雷電過電壓幅值較低，其過電壓主要成分為感應(yīng)過電壓。

圖4 (b)為雷電繞擊A相發(fā)生閃絡(luò)時(shí)距離雷擊點(diǎn)500 m處過電壓波形。繞擊閃絡(luò)相(A相)過電壓波形波頭時(shí)間為2.63 μs，幅值高達(dá)-7.261 MV。在絕緣子發(fā)生擊穿前，過電壓波形類似雙指數(shù)波形，絕緣子發(fā)生擊穿后，雷電過電壓通過絕緣子和架空地線迅速流向大地，過電壓幅值急劇減小，波尾出現(xiàn)波形垂直減小的“截波”現(xiàn)象。

圖4 (c)為雷電反擊塔頂未發(fā)生閃絡(luò)時(shí)距離雷擊點(diǎn)500 m處過電壓波形。A相過電壓最大為-1.32 MV，過電壓是雷電在導(dǎo)線和桿塔上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和耦合電流的共同結(jié)果。三相過電壓呈比例上升，且桿塔上層橫擔(dān)懸掛的導(dǎo)線過電壓大于中層橫擔(dān)懸掛的導(dǎo)線過電壓、中層橫擔(dān)懸掛的導(dǎo)線過電壓大于下層橫擔(dān)懸掛的導(dǎo)線過電壓，是因?yàn)楸芾拙€對(duì)導(dǎo)線的耦合分量與兩者間的距離成反比。導(dǎo)線過電壓反復(fù)振蕩，是因?yàn)樾胁▊鞑ミ^程中發(fā)生反復(fù)折反射。過電壓波形在雷擊后經(jīng)2.9×10-6s后發(fā)生反向轉(zhuǎn)變(時(shí)間t=(19 m+500 m+108 m)/c，19 m代表避雷線橫擔(dān)長(zhǎng)度的一半，500 m代表行波經(jīng)過的距離，108 m代表?xiàng)U塔高度，c代表光速)，是雷擊過電壓在臨近桿塔的泄流與反射共同作用的結(jié)果，與仿真結(jié)果吻合。雷電反擊但未閃絡(luò)時(shí)的過電壓波頭時(shí)間、波尾時(shí)間均增加。但過電壓波形總體仍呈現(xiàn)雙指數(shù)波形，波形構(gòu)成較為復(fù)雜。

圖4 距離雷擊點(diǎn)500 m處導(dǎo)線的電壓波形Fig.4 The voltage waveform at 500 m from the lightning strike point

圖4(d)為雷電反擊塔頂發(fā)生閃絡(luò)時(shí)距離雷擊點(diǎn)500 m處過電壓波形。絕緣子閃絡(luò)前，過電壓波形和雷電反擊未閃絡(luò)相似，閃絡(luò)前最高過電壓為-1.490 7 MV。閃絡(luò)發(fā)生在雷擊后13.11 μs，閃絡(luò)后，雷電流通過絕緣子注入閃絡(luò)相(A相)，使其過電壓幅值達(dá)到-1.162 MV，但因該閃絡(luò)發(fā)生在波尾階段，所以導(dǎo)線上閃絡(luò)后過電壓不是整個(gè)雷擊過程中最大的過電壓，閃絡(luò)后疊加在原始波形上的過電壓波形仍類似雙指數(shù)波形，但擊穿后的波形呈現(xiàn)短波頭、長(zhǎng)波尾的特征。

由圖4(a)～(d)可知，繞擊未閃絡(luò)、繞擊閃絡(luò)、反擊未閃絡(luò)、反擊閃絡(luò)在距離雷擊點(diǎn)500 m處引起的過電壓幅值分別為-3.29、-7.261、-1.32、-1.490 7 MV。存在如下規(guī)律：相同雷擊類型閃絡(luò)引起的過電壓大于未閃絡(luò)引起的過電壓；同為閃絡(luò)或未閃絡(luò)時(shí)，繞擊引起的過電壓大于反擊過電壓。原因分別為：閃絡(luò)時(shí)雷擊電流大于未閃絡(luò)時(shí)的雷擊電流；繞擊時(shí)，雷電流“直接”“持續(xù)”注入導(dǎo)線，反擊時(shí)，雷電流不注入導(dǎo)線或者經(jīng)絕緣子串的導(dǎo)通短時(shí)注入導(dǎo)線。

2.1.2 傳播距離對(duì)波形特征的影響

雷擊輸電線路形成的初始雷電波繼續(xù)傳播，受到導(dǎo)線阻抗和線路對(duì)地導(dǎo)納等線路結(jié)構(gòu)因素、電暈現(xiàn)象的影響使得雷電過電壓行波特征不同于初始形成的雷電過電壓行波。雷擊在架空導(dǎo)線上形成過電壓信號(hào)是不同頻率的信號(hào)疊加在一起的非周期信號(hào)，主要頻段在幾十kHz到幾百kHz之間，不同頻率的信號(hào)在相同傳輸介質(zhì)中發(fā)生不同程度的衰減和變形，使初始雷電行波發(fā)生不同程度的衰減和畸變。

為了深入掌握雷擊引起的電壓行波在架空輸電線路傳播過程中的畸變和衰減，對(duì)繞擊閃絡(luò)和繞擊未閃絡(luò)進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算中均假設(shè)在I回A相(最上層導(dǎo)線)發(fā)生繞擊，桿塔接地電阻為10 Ω，仿真模型的繞擊耐雷水平為36.2 kA。仿真計(jì)算中取繞擊未閃絡(luò)雷電流為25 kA，繞擊閃絡(luò)雷電流為36.5 kA。計(jì)算結(jié)果如圖5、表5所示。

圖5 雷電過電壓行波在輸電線路上的傳播Fig.5 Transfer of lightning over-voltage travelling waves on the transmission line

由表5可知，當(dāng)繞擊未閃絡(luò)時(shí)，隨傳播距離的不斷延長(zhǎng)，波頭時(shí)間從1.34 μs增加到7.54 μs，50 km處雷電過電壓波頭時(shí)間為400 m處雷電過電壓波頭時(shí)間的5.63倍，隨輸電線路距離的不斷增大，波頭時(shí)間變化較為明顯。當(dāng)繞擊發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，隨傳播距離的不斷延長(zhǎng)，波頭時(shí)間從1.339 μs增加到7.6 μs。

表5 不同距離的雷擊過電壓波形特征Table 5 Waveform characteristics of lightning overvoltage at different distances

當(dāng)繞擊閃絡(luò)時(shí)，隨傳播距離的不斷延長(zhǎng)，波尾時(shí)間從55.492 μs增加到70.94 μs，50 km處雷電過電壓波尾時(shí)間為400 m處雷電過電壓波尾時(shí)間的1.28倍，隨輸電線路距離的不斷增大，波尾時(shí)間變化相對(duì)不大。當(dāng)繞擊發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，隨傳播距離的不斷延長(zhǎng)，波尾時(shí)間從10.512 μs增加到13.34 μs。波尾時(shí)間與初始雷電波過電壓波尾時(shí)間(50 μs)差異較大主要原因是，雷擊發(fā)生閃絡(luò)后，絕緣子串沿面閃絡(luò)，雷電流沿絕緣子和避雷線迅速流向大地產(chǎn)生“截波”現(xiàn)象。

當(dāng)繞擊未閃絡(luò)時(shí)，隨傳播距離的不斷延長(zhǎng)，過電壓幅值的絕對(duì)值由3.29 MV減小到2.79 MV；當(dāng)繞擊發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，隨傳播距離的不斷延長(zhǎng)，過電壓幅值的絕對(duì)值由4.81 MV減小到4.08 MV。

如果忽略變電站行波反射造成的影響，將過電壓觀測(cè)點(diǎn)視為變電站入口，可近似認(rèn)為當(dāng)傳播距離為0.5、1、1.5、2 km時(shí)分別為雷擊1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)桿塔的情況，由表5計(jì)算結(jié)果可知，雷擊變電站2 km進(jìn)線段內(nèi)桿塔時(shí)，雷擊1號(hào)桿塔，雷擊產(chǎn)生的過電壓幅值最大，雷擊2號(hào)桿塔，波頭時(shí)間最長(zhǎng)。

由圖5可知，無(wú)論是繞擊未閃絡(luò)還是繞擊閃絡(luò)，雷電過電壓波形的波頭時(shí)間、波尾時(shí)間均隨傳輸距離的不斷增大而增大，電壓幅值隨傳輸距離的不斷增大而不斷降低。

2.1.3 電壓互感器對(duì)波形特征的影響

特高壓變電站出線處通常布置有電壓互感器。為探究電壓互感器對(duì)雷擊過電壓行波特征的影響，通過仿真對(duì)其進(jìn)行了研究。變電站運(yùn)行方式為出線I、出線III和變壓器T2連接的雙線單變運(yùn)行方式。雷擊點(diǎn)位于進(jìn)線段，距離變電站1.58 km處，雷擊方式為繞擊未閃絡(luò)(雷電流為-25 kA)。布置和未布置電壓互感器的情況下，變電站入口處和變電站母線上(母線監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于圖3中左側(cè)I回母線最上端)過電壓如圖6所示。

圖6 電壓互感器對(duì)行波特征的影響Fig.6 Influence of CVT on traveling wave characteristics

計(jì)算結(jié)果表明，電容式電壓互感器的等效電容不會(huì)對(duì)雷擊過電壓行波特征產(chǎn)生顯著影響。

2.1.4 避雷器對(duì)波形特征的影響

避雷器是變電站站內(nèi)主要的過電壓抑制設(shè)備。材料科學(xué)的迅速發(fā)展，使現(xiàn)在避雷器的非線性伏安特性有了更大的提升。其承受低壓呈現(xiàn)高阻抗、承受高壓導(dǎo)通泄流的特性，對(duì)于過電壓幅值有很大的抑制作用。

通過建立“雷電源-線路-變電站”的整體雷電侵入波仿真模型，研究了避雷器對(duì)雷電侵入波過電壓波形特征的影響。變電站運(yùn)行方式為出線I、出線III和變壓器T2連接的雙線單變運(yùn)行方式。雷擊點(diǎn)位于進(jìn)線段，距離變電站1.58 km處，雷擊方式為繞擊未閃絡(luò)(雷電流為-25 kA)。布置和未布置避雷器的情況下，避雷器安裝位置過電壓、避雷器電流波形圖如圖7所示，電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)為避雷器安裝位置。

圖7 避雷器的電壓和電流Fig.7 Voltage and current of arrester

由圖7可知，布置避雷器后，過電壓最大值的絕對(duì)值由1.699 MV下降到1.462 MV，過電壓得到抑制，避雷器動(dòng)作電流最大值的絕對(duì)值為2.084 kA。沒有布置避雷器時(shí)，忽略震蕩，過電壓波形總體特征仍類似雙指數(shù)波形；布置避雷器后，忽略震蕩，過電壓波形類似被“削峰”的平頂波，波頭時(shí)間變化不大，波尾時(shí)間略有增加。波形震蕩較為明顯，是由變壓器、互感器等容性設(shè)備和輸電線路電感形成的LC震蕩回路所形成。

2.2 雷電侵入過電壓波形特征及其對(duì)絕緣的影響

根據(jù)理論和仿真分析，雷電侵入電力系統(tǒng)后，其過電壓行波特征受到雷擊類型、傳播距離和避雷器等站內(nèi)設(shè)備的影響。其中，雷擊類型對(duì)于電壓行波的波尾特征影響較大，由圖4可知：在繞擊沒有發(fā)生閃絡(luò)和反擊閃絡(luò)的工況下，初始電壓行波的波尾特征與標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓的波尾特征相似；當(dāng)發(fā)生繞擊閃絡(luò)的時(shí)候，初始電壓行波的波尾特征呈現(xiàn)被截?cái)嗟摹敖夭ā碧攸c(diǎn)。雷擊輸電線路產(chǎn)生的電壓行波，在傳輸?shù)阶冸娬镜倪^程當(dāng)中，隨著架空輸電線路傳輸距離的增加，電壓幅值逐漸降低，波頭時(shí)間和波尾時(shí)間均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。雷擊過電壓傳輸?shù)阶冸娬竞?，受到避雷器的抑制作用，具有明顯“尖峰”特征的雷電侵入電壓波形的過電壓幅值得到抑制，其“尖峰”特征被“削平”后類似平頂波。另外，避雷器的抑制使得電壓行波波尾時(shí)間略有增加。受到變電站避雷器等容性電氣設(shè)備和輸電線路、站內(nèi)母線、連接線等感性設(shè)備構(gòu)成的LC震蕩回路的作用，侵入波呈現(xiàn)明顯的震蕩現(xiàn)象。

根據(jù)上述對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行的綜合分析，實(shí)際施加于變電站主要電氣設(shè)備上的過電壓波形和標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形(1.2 μs/50 μs)有很大的差異。站內(nèi)設(shè)備所承受的波形整體類似平頂波，波前時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)7.6 μs，波尾時(shí)間最短僅僅10.5 μs。

4種雷擊類型中，繞擊沒有發(fā)生閃絡(luò)和反擊閃絡(luò)工況下，雷電侵入波電壓幅值較高,持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，對(duì)變電站設(shè)備的絕緣損壞有非常大的影響，應(yīng)對(duì)這2種實(shí)際雷擊工況引起的過電壓進(jìn)行重點(diǎn)分析。

變電站電氣設(shè)備的絕緣主要包括內(nèi)絕緣和外絕緣。試驗(yàn)時(shí)所施加的沖擊電壓波形對(duì)內(nèi)、外絕緣的雷電沖擊耐壓水平有很大的影響。以變電站油浸式變壓器為例，其內(nèi)絕緣主要采用油紙復(fù)合絕緣，主要包括油間隙絕緣。國(guó)外有關(guān)試驗(yàn)表明，當(dāng)雷電沖擊試驗(yàn)電壓波形波頭時(shí)間在1～5 μs范圍變化時(shí)，油間隙絕緣的擊穿電壓均隨著波前時(shí)間的增加而顯著降低。以油間隙為例，當(dāng)雷電沖擊電壓波頭時(shí)間從1.5 μs增加到3 μs時(shí)，其絕緣耐受電壓幅值降低超過10%。

變電站設(shè)備的外絕緣水平主要由空氣間隙絕緣擊穿電壓(U50%)決定。國(guó)內(nèi)外對(duì)于空氣間隙U50%絕緣擊穿主要有以下兩方面的結(jié)論[14]：1)所施加的沖擊電壓存在一個(gè)“臨界波頭時(shí)間”，此時(shí)空氣間隙U50%最小，當(dāng)波頭時(shí)間大于或者小于臨界波頭時(shí)間，U50%均有所增加；2)臨界波頭時(shí)間與空氣間隙的長(zhǎng)度存在關(guān)系，對(duì)于2～6 m的空氣間隙來(lái)說，其臨界波頭時(shí)間在100～400 μs范圍內(nèi)，當(dāng)空氣間隙距離大于4 m時(shí)，其臨界波頭時(shí)間隨著空氣間隙距離的增加而增大。綜上，結(jié)合1 000 kV電壓等級(jí)絕緣距離和該文仿真結(jié)果可知，“臨界波頭時(shí)間”與變電站實(shí)際的雷電侵入電壓行波的波頭時(shí)間大小差別在一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，再根據(jù)沖擊電壓的“U”性特性進(jìn)行分析可知，在0到“臨界波頭時(shí)間”范圍內(nèi)，空氣間隙U50%隨著波頭時(shí)間的增加而減小。

綜上所述，雷擊侵入變電站電壓行波受到傳輸距離、避雷器等設(shè)備影響，波頭時(shí)間、波尾時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)造成其所施加電氣設(shè)備的絕緣耐受水平降低。該文研究嚴(yán)苛工況下，實(shí)際雷電沖擊波形下電氣設(shè)備絕緣耐受水平低于其在標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形下的耐受電壓。雷電侵入波過電壓以及電氣設(shè)備的絕緣擊穿特性均具有分散性，特高壓運(yùn)行數(shù)據(jù)相對(duì)不夠完善，建議后續(xù)研究結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步探討現(xiàn)有雷電沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的合理性，提高防雷設(shè)計(jì)和絕緣配合的可靠性。

結(jié)合對(duì)雷擊進(jìn)線段波頭、波尾時(shí)間、過電壓幅值變化規(guī)律的計(jì)算分析，以及本節(jié)對(duì)波頭時(shí)間影響設(shè)備絕緣耐受擊穿電壓的討論分析知，雷電繞擊2號(hào)桿塔時(shí)，產(chǎn)生的過電壓波頭時(shí)間下設(shè)備絕緣擊穿電壓較低，過電壓幅值較大。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)繞擊未閃絡(luò)、反擊未閃絡(luò)電壓行波類似雙指數(shù)波形，反擊未閃絡(luò)波形組成成分較為復(fù)雜。繞擊閃絡(luò)電壓行波發(fā)生“截波”現(xiàn)象，波尾時(shí)間僅為10.512 μs，過電壓幅值高達(dá)7.261 MV。因繞擊物理過程為雷云“直接”“持續(xù)”注入導(dǎo)線，導(dǎo)致繞擊閃絡(luò)過電壓幅值高于反擊閃絡(luò)。反擊閃絡(luò)后電壓行波仍類似雙指數(shù)波，但波形特征呈現(xiàn)短波頭、長(zhǎng)波尾的特征。

2)受傳播距離影響，繞擊未閃絡(luò)和繞擊閃絡(luò)電壓行波的波頭時(shí)間、波尾時(shí)間、幅值均隨傳播距離的不斷增大而減小。繞擊未閃絡(luò)時(shí)波頭時(shí)間最大達(dá)7.54 μs，波尾時(shí)間最長(zhǎng)為70.94 μs。繞擊閃絡(luò)波頭時(shí)間最長(zhǎng)為7.6 μs，波尾時(shí)間最長(zhǎng)為13.34 μs。

3)電壓互感器對(duì)雷電侵入電壓行波的影響不大。在避雷器作用下，具有明顯“尖峰”特征的雷電侵入電壓行波被“削峰”成為平頂波，由于變壓器等容性設(shè)備和輸電線路感性特性形成的LC震蕩回路的作用，使電壓行波出現(xiàn)高頻低幅值震蕩現(xiàn)象。

4)當(dāng)遭受嚴(yán)苛雷擊事件，受雷擊類型、傳播距離、避雷器、輸電線路和變電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，實(shí)際電壓行波波頭、波尾時(shí)間均遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)雷電波形，使變電站電氣設(shè)備在實(shí)際雷電沖擊波形下絕緣耐受水平低于試驗(yàn)條件下標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形的絕緣耐受水平。

5)雷電繞擊變電站2 km進(jìn)線段桿塔時(shí)，繞擊2號(hào)桿塔在變電站入口位置引起的過電壓波頭時(shí)間下，設(shè)備絕緣擊穿電壓較低，過電壓幅值較大，對(duì)設(shè)備危害程度較高，需重點(diǎn)關(guān)注。

6)雷電侵入波過電壓以及電氣設(shè)備的絕緣擊穿特性均具有分散性，特高壓運(yùn)行數(shù)據(jù)相對(duì)不夠完善，建議后續(xù)研究結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步探討現(xiàn)有雷電沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的合理性，提高防雷設(shè)計(jì)和絕緣配合的可靠性。