特高压GIS变电站雷电侵入波行波特征及其影响因素的仿真研究

李 雍，郭 飞，罗辉勇，赵晨楠

(1.国网河南省电力公司营销服务中心(计量中心)，郑州 450000；
2.国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州 450000；
3.国网河南省电力公司直流中心，郑州 450000；
))

确定各电气设备的绝缘水平是绝缘配合的核心问题，其中雷电冲击试验是考核绝缘耐受水平的重要内容之一，在对变电站电气设备进行雷电冲击高压试验时使用的是IEC 60060-1及中国国标规定的标准雷电波，1.2 μs/50 μs[1-3]。标准雷电波形是基于1929年美国实测数据修正得到的，该波形是不考虑波过程受变电站及电气设备影响的情况下的雷电引起暂态过电压的代表波形。随着电力系统的发展，特高压变电站比当时的变电站的规模更加庞大、结构更加复杂、ZnO避雷器的应用更加广泛，这些因素一方面会导致现有输电线路上的直击雷电波形参数与以往采集的数据存在差异，另一方面会导致入侵现有站内电力设备的雷电波与以往输电线路上雷电数据大有不同，最终可能出现变电站电气设备实际承受雷电侵入波与标准雷电波波形差异较大的情况。有关研究表明[4-5]，不同波形参数的雷电波对绝缘介质的击穿特性产生的影响不同。因此，采用标准雷电波代替非标准雷电波进行雷电冲击高压试验会导致出厂电气设备的绝缘水平与实际情况之间存在偏差，最终影响变电站电气设备绝缘水平的真实性以及防雷保护的可靠性。

2000年以后，随着监测技术的不断发展，重庆大学[6]、武汉大学[7]、华北电力大学[8]、西华大学与四川电科院[9]等科研院所先后开展了变电站雷电暂态过电压的实测研究，研究涉及的变电站电压等级主要是220 kV及以下。文献[10-11]对采集到的雷电过电压行波特征做了简单定性分析。文献[12-13]分别使用ATP-EMTP建立特高压变电站模型，从过电压幅值的角度研究了雷电侵入波的影响因素。文献[14]以500 kV变电站为例对变电站雷电侵入波波形特征及其影响因素做了初步研究。但针对特高压变电站雷电侵入行波规律、波形特征、变电站设备在实际行波参数下绝缘耐受水平进行详细研究的有关文献较少。

该文利用ATP-EMTP暂态仿真软件，基于国内某特高压GIS变电站的实际工程参数，建立“雷电源-线路-变电站”的特高压GIS变电站整体仿真模型，针对其他文献仿真分析忽略雷电侵入波行波特征和行波规律的问题，以及实际工况下，电气设备的绝缘耐受水平与雷电冲击试验时标准雷电冲击波形下绝缘耐受水平是否相同的问题，从暂态仿真的角度对特高压变电站雷电侵入波行波特征、影响因素、实际行波特征下变电站电气设备的绝缘耐受特点进行研究。

1.1 变电站电气主接线

以中国某1 000 kV GIS变电站作为研究对象，其变电站初期的电气主接线图如图1所示。从图1可以看出，该变电站配电装置侧采用3/2接线方式，初期工程共有4回出线，2个变压器，构成2个完整串和2个不完整串。

图1 特高压变电站电气主接线图Fig.1 The main electrical wiring diagram of UHV substation

1.2 模型等效

1.2.1 雷电源等值模型

1)雷电源参数。在研究特高压变电站雷电侵入过电压行波特征及其对绝缘的影响时，为了和雷电冲击耐压试验波形参数一致，取雷电源波形参数为1.2 μs/50 μs。绕击计算时雷电通道波阻抗取800 Ω，反击计算时取300 Ω[15]。

2)最大绕击雷电流。根据文献[15]采用击距算式：

r=10I0.65

(1)

最大击距算式：

F=k2-sin2(α+θ)

G=F[(hs+hc)/(cosαcosθ)]2

(2)

式中：hs为避雷线的平均高度，m；
hc为导线的平均高度，m；
α为避雷线保护角；
θ为地面倾角；
k为击距系数。击距系数按文献[15]取上相、中相为0.7，下相为0.8。运用MATLAB编程计算所得最大绕击雷电流幅值如表1所示。

表1 最大绕击雷电流Table 1 The maximum shielding failure lightning current

1.2.2 进线段设备模型

1)杆塔。随着特高压输电网的建设，杆塔高度达百米以上，结构呈复杂趋势，T.Hara等学者的多波阻抗模型，对杆塔分层化处理更加符合实际波过程。该文采用此种方法，选取某典型特高压同塔双回路杆塔，杆塔结构如图2所示。

图2 1 000 kV同杆双回杆塔Fig.2 1 000 kV double circuit tower on the same pole

2)输电线路模型。线路模型的选取与雷击过电压行波的频率密切相关。该文仿真特高压进线段架空输电线路时选用J.Marti模型。为消除线路终端行波反射造成的影响，根据仿真时间选用不同长度的架空线路连接至线路末端，使得计算结果不受反射回来的行波的影响。进线段架空线路采用1 000 kV同塔双回架设方式，进线段导线型号为8×LGJ-630/45，分裂间距为400 mm；
地线型号分别为LBGJ-240-20AC,OPGW-240;导地线弧垂分别为18.6 m，13 m；
档距取500 m，0号杆塔与1号杆塔距离取80 m。

3)绝缘闪络判据。先导法更加符合雷电梯级先导发展的物理实际，采用该模型作为绝缘子闪络判据更加严密。该文选用先导法作为绝缘闪络判据，并利用EMTP中的开发模型功能，采用Models语言编程，建立闪络模型。

4)避雷器模型。避雷器伏安特性采用分段线性化方法进行处理。根据技术规范[16]，避雷器伏安特性如表2所示。

表2 氧化锌避雷器伏安特性参数Table 2 Volt-ampere characteristic parameters of ZnO arrester

1.2.3 进线段设备模型

1)取GIS的波阻抗为95 Ω，波在GIS中的传播速度取光速。

2)对于变电站站内导线和母线全部采用具有分布参数的单相Clarke模型进行模拟。

3)在变电站雷电侵入波的计算中，站内电气设备如变压器、互感器、断路器等均可用入口电容进行模拟等效[17]，具体参数如表3所示。

表3 设备的入口电容数值Table 3 The entrance capacitance value of the equipment

1.2.4 仿真步长的选择

EMTP程序基于贝杰龙原理采用线性插值计算雷电过电压[12]，计算步长选取过大，对接线的误差影响较大，有时可造成程序无法运行；
选取过小，计算节点增加，计算累计误差增大。该文仿真计算中计算步长选择1.0×10-9s。

1.2.5 其他说明

线路的电晕有降低雷电侵入波过电压的作用，但是目前电晕模型的争议较大，没有有效而方便的模拟线路电晕的方法[18]，该文研究未计及冲击电晕的影响。

2.1 雷电侵入波行波特征影响因素分析

2.1.1 雷击类型

特高压变电站雷电侵入波由雷击输电线路在雷击点附近形成的初始雷电侵入波传播形成，该初始电压行波的波形规律和特点由雷击类型和变电站本身的暂态响应特性共同决定。雷击类型主要可分为以下4种情况。

1)雷电绕击导线但未引起绝缘子闪络；

2)雷电绕击导线，同时引起绝缘子闪络；

3)雷电击中避雷线(或塔顶)并没有引起绝缘子闪络；

4)雷电击中避雷线(或塔顶)并引起绝缘子闪络。

为研究雷击类型对雷电侵入波波形规律的影响，针对上述4种雷击情况进行仿真计算。假设雷击发生在输电线路的中间位置，雷击点过电压不受相反方向反射回来的电压行波和电流行波的影响。雷击发生在10 μs时，杆塔接地电阻为10 Ω，门构接地电阻为7 Ω，地面倾角为15°，由表1知此时绕击上相导线的最大雷电流为-55.14 kA，其他雷击条件见表4。则该杆塔绝缘子流过的电流波形如图3所示，距离雷击点500 m处导线上的电压波形如图4所示。

表4 仿真条件Table 4 Simulaion conditions

图3 绝缘子流过的电流波形Fig.3 Insulator current waveform

由图3可知：当绕击雷电流为-25 kA时，绝缘子未击穿；
当绕击雷电流为-55.13 kA时，绝缘子中有最大-54.2 kA的雷电流通过，绝缘子闪络发生在雷击后3.39 μs；
当反击雷电流为-250 kA时，绝缘子未击穿；
当反击雷电流为-280 kA时，绝缘子中有最大5.5 kA的雷电流通过，绝缘子闪络发生在雷击后的10.04 μs。

图4 (a)为雷电绕击A相未发生闪络时距离雷击点500 m处过电压波形。雷电流直接注入导线使得被绕击未闪络相(A相)的过电压波形类似双指数波形，导线阻抗的作用使电压行波波头时间延迟为2.64 μs，波尾时间未发生明显变化，约为50 μs。大量负极性雷电流的急剧注入导线使导线过电压幅值较高，最大为-3.29 MV。B、C相没有发生绕击，其雷电过电压幅值较低，其过电压主要成分为感应过电压。

图4 (b)为雷电绕击A相发生闪络时距离雷击点500 m处过电压波形。绕击闪络相(A相)过电压波形波头时间为2.63 μs，幅值高达-7.261 MV。在绝缘子发生击穿前，过电压波形类似双指数波形，绝缘子发生击穿后，雷电过电压通过绝缘子和架空地线迅速流向大地，过电压幅值急剧减小，波尾出现波形垂直减小的“截波”现象。

图4 (c)为雷电反击塔顶未发生闪络时距离雷击点500 m处过电压波形。A相过电压最大为-1.32 MV，过电压是雷电在导线和杆塔上产生的感应电压和耦合电流的共同结果。三相过电压呈比例上升，且杆塔上层横担悬挂的导线过电压大于中层横担悬挂的导线过电压、中层横担悬挂的导线过电压大于下层横担悬挂的导线过电压，是因为避雷线对导线的耦合分量与两者间的距离成反比。导线过电压反复振荡，是因为行波传播过程中发生反复折反射。过电压波形在雷击后经2.9×10-6s后发生反向转变(时间t=(19 m+500 m+108 m)/c，19 m代表避雷线横担长度的一半，500 m代表行波经过的距离，108 m代表杆塔高度，c代表光速)，是雷击过电压在临近杆塔的泄流与反射共同作用的结果，与仿真结果吻合。雷电反击但未闪络时的过电压波头时间、波尾时间均增加。但过电压波形总体仍呈现双指数波形，波形构成较为复杂。

图4 距离雷击点500 m处导线的电压波形Fig.4 The voltage waveform at 500 m from the lightning strike point

图4(d)为雷电反击塔顶发生闪络时距离雷击点500 m处过电压波形。绝缘子闪络前，过电压波形和雷电反击未闪络相似，闪络前最高过电压为-1.490 7 MV。闪络发生在雷击后13.11 μs，闪络后，雷电流通过绝缘子注入闪络相(A相)，使其过电压幅值达到-1.162 MV，但因该闪络发生在波尾阶段，所以导线上闪络后过电压不是整个雷击过程中最大的过电压，闪络后叠加在原始波形上的过电压波形仍类似双指数波形，但击穿后的波形呈现短波头、长波尾的特征。

由图4(a)～(d)可知，绕击未闪络、绕击闪络、反击未闪络、反击闪络在距离雷击点500 m处引起的过电压幅值分别为-3.29、-7.261、-1.32、-1.490 7 MV。存在如下规律：相同雷击类型闪络引起的过电压大于未闪络引起的过电压；
同为闪络或未闪络时，绕击引起的过电压大于反击过电压。原因分别为：闪络时雷击电流大于未闪络时的雷击电流；
绕击时，雷电流“直接”“持续”注入导线，反击时，雷电流不注入导线或者经绝缘子串的导通短时注入导线。

2.1.2 传播距离对波形特征的影响

雷击输电线路形成的初始雷电波继续传播，受到导线阻抗和线路对地导纳等线路结构因素、电晕现象的影响使得雷电过电压行波特征不同于初始形成的雷电过电压行波。雷击在架空导线上形成过电压信号是不同频率的信号叠加在一起的非周期信号，主要频段在几十kHz到几百kHz之间，不同频率的信号在相同传输介质中发生不同程度的衰减和变形，使初始雷电行波发生不同程度的衰减和畸变。

为了深入掌握雷击引起的电压行波在架空输电线路传播过程中的畸变和衰减，对绕击闪络和绕击未闪络进行仿真计算，计算中均假设在I回A相(最上层导线)发生绕击，杆塔接地电阻为10 Ω，仿真模型的绕击耐雷水平为36.2 kA。仿真计算中取绕击未闪络雷电流为25 kA，绕击闪络雷电流为36.5 kA。计算结果如图5、表5所示。

图5 雷电过电压行波在输电线路上的传播Fig.5 Transfer of lightning over-voltage travelling waves on the transmission line

由表5可知，当绕击未闪络时，随传播距离的不断延长，波头时间从1.34 μs增加到7.54 μs，50 km处雷电过电压波头时间为400 m处雷电过电压波头时间的5.63倍，随输电线路距离的不断增大，波头时间变化较为明显。当绕击发生闪络时，随传播距离的不断延长，波头时间从1.339 μs增加到7.6 μs。

表5 不同距离的雷击过电压波形特征Table 5 Waveform characteristics of lightning overvoltage at different distances

当绕击闪络时，随传播距离的不断延长，波尾时间从55.492 μs增加到70.94 μs，50 km处雷电过电压波尾时间为400 m处雷电过电压波尾时间的1.28倍，随输电线路距离的不断增大，波尾时间变化相对不大。当绕击发生闪络时，随传播距离的不断延长，波尾时间从10.512 μs增加到13.34 μs。波尾时间与初始雷电波过电压波尾时间(50 μs)差异较大主要原因是，雷击发生闪络后，绝缘子串沿面闪络，雷电流沿绝缘子和避雷线迅速流向大地产生“截波”现象。

当绕击未闪络时，随传播距离的不断延长，过电压幅值的绝对值由3.29 MV减小到2.79 MV；
当绕击发生闪络时，随传播距离的不断延长，过电压幅值的绝对值由4.81 MV减小到4.08 MV。

如果忽略变电站行波反射造成的影响，将过电压观测点视为变电站入口，可近似认为当传播距离为0.5、1、1.5、2 km时分别为雷击1号、2号、3号、4号杆塔的情况，由表5计算结果可知，雷击变电站2 km进线段内杆塔时，雷击1号杆塔，雷击产生的过电压幅值最大，雷击2号杆塔，波头时间最长。

由图5可知，无论是绕击未闪络还是绕击闪络，雷电过电压波形的波头时间、波尾时间均随传输距离的不断增大而增大，电压幅值随传输距离的不断增大而不断降低。

2.1.3 电压互感器对波形特征的影响

特高压变电站出线处通常布置有电压互感器。为探究电压互感器对雷击过电压行波特征的影响，通过仿真对其进行了研究。变电站运行方式为出线I、出线III和变压器T2连接的双线单变运行方式。雷击点位于进线段，距离变电站1.58 km处，雷击方式为绕击未闪络(雷电流为-25 kA)。布置和未布置电压互感器的情况下，变电站入口处和变电站母线上(母线监测点位于图3中左侧I回母线最上端)过电压如图6所示。

图6 电压互感器对行波特征的影响Fig.6 Influence of CVT on traveling wave characteristics

计算结果表明，电容式电压互感器的等效电容不会对雷击过电压行波特征产生显著影响。

2.1.4 避雷器对波形特征的影响

避雷器是变电站站内主要的过电压抑制设备。材料科学的迅速发展，使现在避雷器的非线性伏安特性有了更大的提升。其承受低压呈现高阻抗、承受高压导通泄流的特性，对于过电压幅值有很大的抑制作用。

通过建立“雷电源-线路-变电站”的整体雷电侵入波仿真模型，研究了避雷器对雷电侵入波过电压波形特征的影响。变电站运行方式为出线I、出线III和变压器T2连接的双线单变运行方式。雷击点位于进线段，距离变电站1.58 km处，雷击方式为绕击未闪络(雷电流为-25 kA)。布置和未布置避雷器的情况下，避雷器安装位置过电压、避雷器电流波形图如图7所示，电压监测点为避雷器安装位置。

图7 避雷器的电压和电流Fig.7 Voltage and current of arrester

由图7可知，布置避雷器后，过电压最大值的绝对值由1.699 MV下降到1.462 MV，过电压得到抑制，避雷器动作电流最大值的绝对值为2.084 kA。没有布置避雷器时，忽略震荡，过电压波形总体特征仍类似双指数波形；
布置避雷器后，忽略震荡，过电压波形类似被“削峰”的平顶波，波头时间变化不大，波尾时间略有增加。波形震荡较为明显，是由变压器、互感器等容性设备和输电线路电感形成的LC震荡回路所形成。

2.2 雷电侵入过电压波形特征及其对绝缘的影响

根据理论和仿真分析，雷电侵入电力系统后，其过电压行波特征受到雷击类型、传播距离和避雷器等站内设备的影响。其中，雷击类型对于电压行波的波尾特征影响较大，由图4可知：在绕击没有发生闪络和反击闪络的工况下，初始电压行波的波尾特征与标准雷电冲击电压的波尾特征相似；
当发生绕击闪络的时候，初始电压行波的波尾特征呈现被截断的“截波”特点。雷击输电线路产生的电压行波，在传输到变电站的过程当中，随着架空输电线路传输距离的增加，电压幅值逐渐降低，波头时间和波尾时间均呈现逐渐增加的趋势。雷击过电压传输到变电站后，受到避雷器的抑制作用，具有明显“尖峰”特征的雷电侵入电压波形的过电压幅值得到抑制，其“尖峰”特征被“削平”后类似平顶波。另外，避雷器的抑制使得电压行波波尾时间略有增加。受到变电站避雷器等容性电气设备和输电线路、站内母线、连接线等感性设备构成的LC震荡回路的作用，侵入波呈现明显的震荡现象。

根据上述对仿真结果进行的综合分析，实际施加于变电站主要电气设备上的过电压波形和标准雷电冲击电压波形(1.2 μs/50 μs)有很大的差异。站内设备所承受的波形整体类似平顶波，波前时间最长达7.6 μs，波尾时间最短仅仅10.5 μs。

4种雷击类型中，绕击没有发生闪络和反击闪络工况下，雷电侵入波电压幅值较高,持续时间也较长，对变电站设备的绝缘损坏有非常大的影响，应对这2种实际雷击工况引起的过电压进行重点分析。

变电站电气设备的绝缘主要包括内绝缘和外绝缘。试验时所施加的冲击电压波形对内、外绝缘的雷电冲击耐压水平有很大的影响。以变电站油浸式变压器为例，其内绝缘主要采用油纸复合绝缘，主要包括油间隙绝缘。国外有关试验表明，当雷电冲击试验电压波形波头时间在1～5 μs范围变化时，油间隙绝缘的击穿电压均随着波前时间的增加而显著降低。以油间隙为例，当雷电冲击电压波头时间从1.5 μs增加到3 μs时，其绝缘耐受电压幅值降低超过10%。

变电站设备的外绝缘水平主要由空气间隙绝缘击穿电压(U50%)决定。国内外对于空气间隙U50%绝缘击穿主要有以下两方面的结论[14]：1)所施加的冲击电压存在一个“临界波头时间”，此时空气间隙U50%最小，当波头时间大于或者小于临界波头时间，U50%均有所增加；
2)临界波头时间与空气间隙的长度存在关系，对于2～6 m的空气间隙来说，其临界波头时间在100～400 μs范围内，当空气间隙距离大于4 m时，其临界波头时间随着空气间隙距离的增加而增大。综上，结合1 000 kV电压等级绝缘距离和该文仿真结果可知，“临界波头时间”与变电站实际的雷电侵入电压行波的波头时间大小差别在一个数量级以上，再根据冲击电压的“U”性特性进行分析可知，在0到“临界波头时间”范围内，空气间隙U50%随着波头时间的增加而减小。

综上所述，雷击侵入变电站电压行波受到传输距离、避雷器等设备影响，波头时间、波尾时间的延长会造成其所施加电气设备的绝缘耐受水平降低。该文研究严苛工况下，实际雷电冲击波形下电气设备绝缘耐受水平低于其在标准雷电冲击波形下的耐受电压。雷电侵入波过电压以及电气设备的绝缘击穿特性均具有分散性，特高压运行数据相对不够完善，建议后续研究结合实测数据进一步探讨现有雷电冲击试验标准的合理性，提高防雷设计和绝缘配合的可靠性。

结合对雷击进线段波头、波尾时间、过电压幅值变化规律的计算分析，以及本节对波头时间影响设备绝缘耐受击穿电压的讨论分析知，雷电绕击2号杆塔时，产生的过电压波头时间下设备绝缘击穿电压较低，过电压幅值较大。

1)绕击未闪络、反击未闪络电压行波类似双指数波形，反击未闪络波形组成成分较为复杂。绕击闪络电压行波发生“截波”现象，波尾时间仅为10.512 μs，过电压幅值高达7.261 MV。因绕击物理过程为雷云“直接”“持续”注入导线，导致绕击闪络过电压幅值高于反击闪络。反击闪络后电压行波仍类似双指数波，但波形特征呈现短波头、长波尾的特征。

2)受传播距离影响，绕击未闪络和绕击闪络电压行波的波头时间、波尾时间、幅值均随传播距离的不断增大而减小。绕击未闪络时波头时间最大达7.54 μs，波尾时间最长为70.94 μs。绕击闪络波头时间最长为7.6 μs，波尾时间最长为13.34 μs。

3)电压互感器对雷电侵入电压行波的影响不大。在避雷器作用下，具有明显“尖峰”特征的雷电侵入电压行波被“削峰”成为平顶波，由于变压器等容性设备和输电线路感性特性形成的LC震荡回路的作用，使电压行波出现高频低幅值震荡现象。

4)当遭受严苛雷击事件，受雷击类型、传播距离、避雷器、输电线路和变电站拓扑结构的影响，实际电压行波波头、波尾时间均远大于标准雷电波形，使变电站电气设备在实际雷电冲击波形下绝缘耐受水平低于试验条件下标准雷电冲击波形的绝缘耐受水平。

5)雷电绕击变电站2 km进线段杆塔时，绕击2号杆塔在变电站入口位置引起的过电压波头时间下，设备绝缘击穿电压较低，过电压幅值较大，对设备危害程度较高，需重点关注。

6)雷电侵入波过电压以及电气设备的绝缘击穿特性均具有分散性，特高压运行数据相对不够完善，建议后续研究结合实测数据进一步探讨现有雷电冲击试验标准的合理性，提高防雷设计和绝缘配合的可靠性。

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