220 kV变电站雷电防护措施研究

刘柏罕 丁黎明 车任达 宋宏彪 牛红军

摘 要：针对220 kV变电站雷电侵入波产生严重危害的问题，通过ATP-EMTP搭建220 kV变电站进线端雷电波侵入线路的仿真模型，模拟雷电直击过电压最为严重的情况。仿真试验表明，在变电站进线端没有避雷器保护作用下，电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、变压器等电气设备上的雷电过电压峰值将会危及电气设备的绝缘水平。在变电站进线端加装合适型号的氧化锌避雷器，使得各电气设备雷电过电压程度大大降低，满足设备绝缘要求，是变电站雷电过电压防护的有效措施。

关键词：ATP-EMTP;雷电侵入波;雷电过电压;氧化锌避雷器

中图分类号：TM863     文献标识码：A     文章编号：1003-5168（2021）36-0047-03

Study on Lightning Protection Measures for 220 kV Substation

LIU Bohan1，2    DING Liming1，2    CHE Renda1    SONG Hongbiao1，2    NIU Hongjun1，2

（1.Huaihua University， Huaihua Hunan 418000;2. Key Laboratory of Intelligent Control Technology for Wuling-Mountain Ecological Agriculture in Hunan Province， Huaihua Hunan 418000）

Abstract： Aiming at the serious harm caused by lightning incoming surge in 220 kV substation，the simulation model of lightning incoming surge line from 220 kV incoming line of substation is built through ATP-EMTP，simulating the most serious case of lightning direct overvoltage.The simulation shows that there is no lightning arrester at the incoming side of the substation，the peak value of lightning overvoltage on electrical equipment such as voltage transformer，current transformer， circuit breaker， disconnector and transformer will endanger the insulation level of electrical equipment;installing appropriate lightning arrester at the incoming of the substation，the lightning overvoltage degree of electrical equipment is greatly reduced，satisfing equipment insulation requirements，it is an effective measure for lightning overvoltage protection in substation.

Keywords： ATP-EMTP; lightning incoming surge;lightning overvoltage; lightning arrester

隨着电力科学技术的发展，变电站在电力系统中发挥着越来越重要的作用，变电站遭受雷击是变电站遭受的主要威胁，严重影响变电站的正常运行[1-2]。220 kV变电站遭受雷电波侵入，变电站内电气设备的过电压水平很可能超过设备的绝缘水平。为了保证设备的绝缘强度，有必要考虑变电站内电气设备过电压与绝缘配合。目前，变电站内防侵入波的常用方法为使用避雷器降低过电压程度。避雷器可用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏[3]。因此，需对加装避雷设备的安装位置及合适型号进行详细研究[4]。

本文采用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP，考虑变电站遭受雷电过电压最为严重的情况[5]。针对220 kV变电站一线一变运行方式，雷电直击变电站线路进线侧2 km范围内，对各电气设备的过电压程度进行分析比较[6]。然后对变电站进线端加装和不加装避雷器进行比较，仿真结果表明：进线端加装避雷器能很好地降低变电站内电气设备过电压峰值，使电气设备的绝缘性能满足要求。该仿真验证为变电站雷电侵入波提供了相关数据分析，提出了一种220 kV变电站合理化的雷电侵入波雷电防护方案。

1 仿真模型的搭建

1.1 雷电流的模型

1.1.1 雷电流的幅值。根据我国相关规程，在一般地区，雷电流幅值概率曲线可用式（1）表示。

[lgP=-I/88]        （1）

其中：[I]表示雷电流的幅值，单位kA;[P]表示幅值大于[I]的雷电流出现概率。不同地区应根据该地区的实际情况选取雷电流的幅值，参考220 kV新杭线雷电流幅值实测结果的统计分析和变电站运行经验[7]，本文仿真选取最大雷电流幅值为50 kA。

1.1.2 雷电流波形。对于雷电波的波头长度，各国在研究过程中所测的值一般都在1～5 μs，但我国在研究变电站防雷过程中通常使用2.6 μs的波头长度，雷电流半峰值时间约为50 μs。故在计算中选取雷电流的波形为2.6/50 μs，本计算采用双指数波模拟雷电波。

1.2 杆塔模型

在建立计算塔架的模型时，必须充分考虑塔架的脉冲响应波阻抗，它的准确值将直接影响塔顶电势的计算。在模拟雷击试验过程中，选取杆塔模型时要考虑选取支撑部分长度为主机架长度1.5倍的模型，而且杆塔多波阻抗模型比较可靠，且符合工程的实际需要。冲击接地电阻一般为7～15 Ω，本文仿真试验中选取10 Ω。

1.3 避雷器模型

氧化锌避雷器是具有良好保护性能的避雷器[8]。现有变电站侵入波的防雷保护大多选用氧化锌避雷器，其主要组成材料为氧化锌，并且它有较好的非线性伏安特性。正常状态下，在避雷器上的电流非常小，当发生雷击时，避雷器两端产生很高的过电压，先于电气设备放电，使电气设备得到有效保护[9]。因此，为研究雷电侵入波过电压，有必要建立一个准确的氧化锌避雷器伏安特性计算模型。

本文避雷器选用YH10W-200/520W型氧化锌避雷器，其额定电压为200 kV，雷电冲击电流为10 kA，残压峰值为520 kV。利用氧化锌良好的非线性伏安特性，使在正常工作电压时流过避雷器的电流极小，为微安级;在过电压作用下，电压达到520 kV时，电阻急剧下降，泄放過电压的能量，电流激增至10 kA，达到保护电气设备的效果。

1.4 站内设备模型

仿真模型选取某220 kV变电站，以雷电侵入波电流50 kA幅值进行仿真。由于雷电侵入波的频率高、时间短，在雷击过电压的仿真建模中电气设备可以用入口电容值来等效，其中等值入口电容数值的大小及冲击绝缘水平如表1所示[10]。

2 仿真研究

本文采用ATP-EMTP软件对220 kV变电站进行仿真研究，变电站选取“一线一变”的运行方式。雷电波通过线路传输至变电站，分别经过电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关后，最终侵入变压器。仿真模拟中避雷器选取残压为520 kV，变电站外设置杆塔，雷击点距离变电站线路等值长度设为2 km，雷电波在杆塔传播的波速为2.1×108 m/s，接地电阻选取10 Ω，波阻抗设为200 Ω，线路等值为LCC模型，单位电阻值设为20 Ω/m，线路的计算模型选取JMarti模型。

变电站遭受雷击过电压，情况最为严重的为直击雷。仿真分析雷击避雷线档距中央和雷直接击中线路相线两种情况。

模拟雷直接击中避雷线档距中央或线路，为方便分析，模型可只选取三相线路中的A相进行仿真分析。模拟雷击线路的暂态仿真时间极短，在雷电放电的暂态过程中，变电站电气量参数变化非常微弱，可忽略不计。因此，仿真试验可采用无电源的方式。

2.1 雷击避雷线档距中央仿真分析

分析变电站在未加装避雷器和加装避雷器两种情况下，遭雷击避雷线档距中央各电气设备过电压，检测电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关和变压器上的雷电过电压幅值。雷击避雷线档距中央各电气设备上的雷电过电压幅值对比如表2所示。

当雷击避雷线档距中央时，均会在电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、变压器上产生雷电过电压。未加装避雷器时，电压互感器上的电压峰值达1 510 kV，冲击绝缘水平为950 kV，是其冲击耐压水平的1.58倍，将导致电压互感器的绝缘受到破坏，变电站发生严重的安全事故;装设避雷器后，电压互感器上的电压峰值降低至925 kV，低于电压互感器冲击绝缘水平950 kV，绝缘不受破坏，变电站正常运行。

其余电气设备由于入口电容数值相对较小，由表1各电气设备冲击绝缘水平可知，过电压未达到冲击绝缘水平，绝缘不受破坏。但装设避雷器后，电气设备电压的幅值有明显降低，说明避雷器对变电站内电气设备均起到了良好的保护作用。

2.2 雷击线路相线仿真分析

仿真模拟直击雷击中相线，可选取三相线路中的A相进行仿真分析。模拟雷电直击线路A相，其变电站内参数设置和模拟雷击避雷线档距中央的参数设置一致。仿真出雷电直击线路A相后电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关和变压器上的雷电过电压波形，后在变电站进线端加装避雷器比较分析，仿真结果对比如表3所示。

由表3可知，在线路发生雷电直击线路A相后，未加装避雷器时，电压互感器上的电压峰值达1 690 kV，幅值较线路发生雷击档距中央时高，冲击绝缘水平为950 kV，是其冲击耐压水平的1.77倍，将导致电压互感器的绝缘受到破坏。装设避雷器后，电压互感器上的电压峰值为851 kV，低于电压互感器冲击绝缘水平950 kV，绝缘不受破坏。

同样地，在设置避雷器之后，变电站内各电气设备过电压的幅值都会降低，均满足绝缘要求。

3 结语

本文通过ATP-EMTP搭建220 kV变电站进线端，经站内电气设备到变压器的仿真模型，来模拟雷击避雷线档距中央和雷直接击中线路两种情况。文中雷击点的选择、雷电流的幅值、变电站的运行方式，均采用对变电站设备造成危害最为严重的情况分析。仿真对比各电气设备过电压峰值与电气设备自身绝缘水平，通过对比分析可知，两种不同情况下，进线端加装避雷器能大大降低过电压程度，保证变电站在遭受雷电侵入波时能够正常运行。此外，避雷器的选型以及安装位置、杆塔的接地电阻等均会影响站内电气设备过电压的水平。在进行变电站的设计时，必须进行全面防雷设计，提出完整且合适的变电站防雷保护措施，从而保证变电站的正常运行，使雷击变电站造成的经济损失最小化，为工作人员提供更安全的工作环境。

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