升压站侵入波保护的优化策略

多年运行经验表明，雷击风电场输电线路的概率远大于雷击升压站，因此必须重视雷电侵入波沿线侵入升压站的防护。一般可以从两方面采取措施：一是使用避雷器限制雷电过电压的幅值；二是在距升压站适当的距离内装设可靠的进线保护段，利用导线自身的波阻抗限制流过避雷器的冲击电流幅值，利用侵入波在导线上产生的冲击电晕降低侵入波的陡度和幅值。

4.4.2.1　避雷器的保护

由于避雷器的伏秒特性较平缓，一般情况下其冲击放电电压不随入射波陡度的改变而改变，可视为定值。其残压虽然与流经避雷器的电流有关，但对于阀式避雷器而言，其阀片具有明显的非线性特性。因此，在流经阀式避雷器的雷电流的很大范围内，避雷器残压的变化并不明显，可认为与全波冲击放电电压相等。金属氧化物避雷器同样具有良好的非线性，避雷器的电压波形可以简化成斜角平顶波。

理想条件下避雷器应该是与被保护设备直接并联在一起的，这样加到被保护设备上的电压就是避雷器端部电压，只要该电压值不超过被保护设备的耐受水平，则设备就能够得到保护。但在实际中，避雷器与被保护设备之间还有其他开关设备存在，为了防止反击现象的发生，避雷器与被保护设备之间总是有一段电气距离l。在这种情况下，当避雷器动作时，由于雷电波的折射与反射，会提高加在被保护设备上的电压，使其超过避雷器的冲击放电电压而降低避雷器的防护效果。

图4-28　阀式避雷器保护变压器的接线图

图4-28所示为阀式避雷器保护变压器的接线图，为了简化计算，忽略变压器的入口电容以及避雷器的泄漏电阻。假设避雷器与变压器的电气距离为l，雷电波陡度为α，速度为v，则在雷电波传播到避雷器R时，电压为uR=αt。经过l/v时间后，到达变压器T的底部时，将发生全反射，则变压器上的电压uT=2α（t-l/v），陡度为2α；当t≥2l/v时，uR=αt+α（t-2l/v）。当变压器的电压与避雷器的冲击电压相等时，避雷器动作，uR将不再上升。由于避雷器与变压器之间存在电气距离l，因此避雷器动作后的效果需经过时间l/v才能到达变压器，这段时间内雷电波的陡度为2α。则可以得到变压器上的电压为

在实际中，升压变电站接线复杂，各设备之间存在一定的电感、电容，电气距离分析过程复杂。避雷器与被保护设备间允许的电气距离l为

式中　uj——被保护设备允许的最大冲击电压，kV。

4.4.2.2　升压站进线段的保护

当线路遭受雷击时，雷电波将会沿着线路向升压站运动。线路的耐雷水平比升压站内各种设备的耐雷水平要高得多。若没有架设避雷线，靠近升压站的线路在遭受雷击时，流经线路避雷器的电流可能超过其保护范围，雷电流陡度也可能高于允许值，从而使升压站遭受雷害损失。因此，在靠近升压站的进线段上必须装设避雷针或者避雷线，减小进线段遭受雷害的概率，从而保护升压站。

对于未全线架设避雷线的线路，在靠近升压站的1～2km范围内应装设避雷针、避雷线等防雷装置，称为进线段。对于全线架设避雷线的线路，靠近升压站2km范围内的线路称为进线段。进线段保护的主要作用是限制流经避雷器的雷电流和侵入波的陡度。

1.流过避雷器的雷电流

对侵入波进行计算时，可以认为侵入波的幅值为进线段的绝缘水平U50%，波头时间取2.6μs。

雷电波在进线段来回一次的时间为2l/v=6.7μs（l取1km），超过波头的时间，说明避雷器动作后产生的负反射波又返回到雷击点，在该点又产生负反射波，从而使流经避雷器的雷电流加大。可以列出方程组为

式中　U50%——侵入雷电波幅值，kV；(www.xing528.com)

Z——线路的波阻抗，Ω；

f（I）——避雷器的伏安特性，kV。

可以得到流过避雷器的雷电流幅值为

据计算分析以及运行经验可得，线路电压在220kV及以下时，最大冲击电流不超过5kA；在330kV及以上时，最大冲击电流不超过10kA。同等条件下金属氧化物避雷器所能承受的雷电流幅值更高。

2.侵入波的陡度

假设雷击在进线段首端，则雷电波的陡度α为

式中　hdp——进线段导线平均高度；

l0——进线段长度；

U——避雷器冲击放电电压。

应该注意的是，式（4-43）中的α为侵入波时间陡度，单位为kV/μs。

令α′=α/v，α′为侵入波空间陡度（也称计算陡度），则式（4-43）可以写成

不同额定电压下升压站的雷电波计算陡度见表4-2。

表4-2　升压站侵入波计算陡度

雷电侵入波在传播过程中会有损耗，也就是雷电过电压在线路上产生的地点离升压站越远，传播到升压站时的损耗也就越大，其幅值和陡度降低的幅度越大。因此，在升压站进线段处应加强防雷保护。对于全线无架设避雷针或避雷线的线路，应在进线段加装避雷针、避雷线或者其他防雷措施；对于全线架设避雷线的线路，应在进线段处提高线路的耐雷水平。这样，侵入升压站的雷电侵入波主要来自离升压站较远的进线段外，经过至少1～2km进线段的冲击电晕的影响，侵入波的幅值和陡度能够得到有效削弱，进线段的波阻抗也能在一定程度上削弱流经避雷器的雷电流。