特高压变电站雷电防护评估方法

本节第一部分将给出雷电侵入波过电压仿真计算模型的建立方法；第二部分将介绍实际工程中采用的变电站耐雷性能评估方法（即惯用法和统计法）；最后，作为参考和对比之用，将给出日本特高压变电站雷电侵入波过电压计算方法。

8.2.2.1　雷电侵入波过电压仿真计算模型

目前，变电站雷电侵入波过电压的研究一般采用数值仿真的方法。其中，俄罗斯特高压变电站的雷电侵入波过电压计算采用其自行开发的专用数值仿真计算程序，而中国和日本则是使用电磁暂态软件EMTP。

一、仿真计算模型

变电站的雷电侵入波过电压取决于从架空线路侵入变电站的过电压的幅值和波形，以及变电站本身的行波特性。因此，为准确模拟特高压变电站的雷电侵入波过电压实际情况，应将雷电源、变电站及其进线段结合起来，视为统一系统进行分析。

“雷电源—进线段—变电站”统一系统仿真模型的建立具体如下：

1）雷电源模型

对于雷电源的模拟有两种方法，即电压源法和电流源法。为了更准确模拟实际的雷电侵入波波形，一般采用理想的电流源，这也被IEC推荐使用。

中国特高压变电站的防雷计算建议选用电流源法。与输电线路防雷设计相同，雷电源可等效为一理想电流源和一波阻抗的并联——理想电流源采用负极性2.6/50μs双斜角波；反击计算时的雷道波阻抗取约250～400Ω，通常取300Ω；绕击计算时的雷道波阻抗取约600～1000Ω，通常取800Ω。

2）进线段模型

在中国电力系统中，进线段为从变电站开始大约2km的线路。若以特高压变电站内门形塔为0塔，往外依次为1塔、2塔……，除0～1塔以外的其他塔间档距大多在400～500m，则进线段一般包括5基杆塔（1～5），雷击6塔即可视为远区雷击。

中国特高压变电站的防雷计算一般重点考虑近区雷击，即仿真模型应准确模拟1～5杆塔及其塔间档距6塔以外的远区线路可使用等效阻抗代替。如果需要校验远区雷击时，应再将6塔及以后几基杆塔作准确模拟，其后线路同样用等效阻抗代替。

具体的进线段仿真模型包括导地线、杆塔和杆塔冲击接地电阻等效模型的建立，以及雷击闪络判据的合理选取。进线段模型的建立方法与输电线路防雷设计相同，即导、地线采用J-Marti模型，杆塔采用分段波阻抗模型，线路绝缘闪络判据采用相交法。

3）变电站模型

在雷电侵入波过电压计算时，变电站内部的以下设备应予以考虑：变压器、避雷器、母线、电抗器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、站内导线（或GIS连接线）。变电站模型的建立宜遵循以下原则：

①站内导线和母线均采用分散参数线路模型，其中，GIS母线可使用单相Clarke模型进行模拟（三相母线之间没有耦合，每个单相封闭母线可作单相导线处理）；

②站内设备如变压器、电抗器、电压互感器、电流互感器、隔离开关、断路器及GIS出线套管等均采用等值入口电容模拟；

③变电站内各设备的相对位置和距离应按其实际安装位置和实测距离进行处理；

④必须考虑变电站内各电气设备的绝缘裕度。通常参考IEC标准，内绝缘裕度取1.15，外绝缘取1.05～1.10（外绝缘裕度较小的主要原因是没有累积效应）。

其中，变压器、GIS波阻抗和避雷器可做如下处理：

（1）变压器入口电容

变压器等值入口电容一般采用厂家提供的数据，如缺少该数据可取为5000pF。

（2）GIS波阻抗

特高压GIS为单相单筒式结构，防雷计算中可使用波阻抗模拟。GIS波阻抗一般在60～100Ω之间，约为架空线的1/5。具体GIS波阻抗可用下式估算：

式中，εr为SF6气体的相对介电常数，约为1；R1为母线筒内半径，m；r1为母线导电杆外半径，m；。

GIS中波的传播速度，由于SF6气体的相对介电常数εr≈1，一般认为其波速等于光速。

（3）避雷器

在EMTP软件仿真计算中，避雷器伏安特性采用分段线性化的处理方法。中国某1000kV AIS变电站金属氧化物避雷器的电气特性如表8-10。

表8-10　中国某1000kV AIS变电站金属氧化物避雷器的电气特性

为准确模拟雷电侵入波过电压，总仿真时间不宜小于10μs，计算步长取值应不小于雷电波在仿真模型的最短波阻抗内的传输时间。在计算雷电侵入波过电压时，如满足以下两条件之一，即可判定变电站绝缘发生故障：①站内设备上的过电压大于设备允许过电压值（即设备雷电冲击耐受电压除以裕度系数）；②避雷器中放电电流大于其标称放电电流20kA。另外，通常不考虑电晕影响，计算结果略偏严。

二、影响因素分析

影响变电站雷电侵入波过电压的因素很多，包括雷击点、雷电流幅值和陡度、侵入波类型（绕击或反击）、变电站运行方式、站内设备与避雷器的电气距离以及进线段的避雷线保护角、杆塔接地电阻、塔型和塔高等。另外，导线工频电压相角、进线段绝缘水平等也对侵入波过电压有一定的影响。

在以上诸多影响因素中，变电站运行方式、雷击点以及雷电流幅值和陡度对变电站雷电侵入波过电压的影响相对较大，下面予以重点分析。

1）变电站的运行方式

变电站处于不同运行方式时，雷电侵入波在站内设备上引起的过电压幅值可能差异很大。这是因为对于变电站可能出现的各种运行方式，站内设备（包括进线和变压器）投运越多，雷电流分流程度就越大，侵入波过电压幅值也就越低。

中国国标GB/Z24842-2009《1000kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合》规定，预测特高压变电站雷电过电压时应考虑一般运行方式和特殊方式。

（1）一般运行方式

一般运行方式的选取与高压、超高压变电站的处理方法相同。各研究机构的取法可能有所不同，常见的一般运行方式选择方法如下：

①直接选用最严重的单线单变方式，包括单线单变单母或单线单变双母；

②“N-m”法，即按照“N-1”或“N-2”原则选择变电站运行方式；

③选用雷雨季节可能出现的最严重运行方式；

④统计法，首先计算雷电季节所有可能出现的变电站运行方式下的安全运行年限，再按照其出现概率加权平均。

由于变电站各种运行方式的出现概率难以准确预测，为保险起见，特高压变电站防雷计算建议选用单线单变运行方式。另由于变电站一般双母线同时运行，而且母线端部往往是离避雷器最远的部分，幅值最大的侵入波过电压也往往出现在此处，故仿真计算时宜双母线同时投运，即单线单变双母方式。在具体的单线单变双母方式选择时，设备和避雷器相对距离与设备投运数量这两个影响因素都应该予以考虑。

（2）特殊运行方式

1000kV变电站雷电侵入波计算时还应考虑特殊运行方式，即单线-出线间隔断路器开断的运行方式（亦称为“单线方式”）。该运行方式是指线路侧断路器断开而两侧的隔离开关都已合上的状态，主要出现于以下的两种情况：一是断路器处于热备用状态，二是因线路故障引起断路器跳闸而又未重合闸成功的状态。

该运行方式对于特高压变电站雷电侵入波分析来说是最为严苛的运行方式，中国500kV等级和750kV等级变电站在避雷器配置时并未考虑此种方式。但在单线运行方式下，中国220kV、500kV变电站已经发生多起侵入波毁坏断路器的事故，同时考虑到特高压变电站的重要性，建议考虑单线运行方式。应注意，单线方式下过电压较一般运行方式更为严重，但单线运行方式出现雷电侵入波的概率是相对很低的。

综上，特高压变电站雷电侵入波过电压计算时应考虑一般运行方式和特殊方式（或单线方式）。其中，单线单变双母是一般运行方式中最为典型方式，应予以重点考虑。

2）雷击点位置

中国现行规程DL/T620-1997规定应该保证离变电站2km以外的远区雷击产生的雷电侵入波过电压不引起站内设备绝缘损坏，而未考虑近区雷击。这是沿袭较低电压等级变电站的作法，在超高压、特高压系统中是不合理的。过去，由于输电电压等级较低，线路可能未全线架设避雷线或避雷线保护角较大，为防止雷电侵入波过电压危害，规程规定进线段必须架设避雷线，同时对保护角和接地电阻也有更严格的要求。因而，进线段的耐雷性能大大优于非进线段，进线段雷击侵入变电站的概率相对于非进线段非常小。所以规程认为，侵入变电站的雷电过电压大部分来自远区雷击。

但在特高压变电站（开关站）雷电侵入波防护研究中应该重点研究近区雷击。这是因为对于全线架设双避雷线的超高压、特高压系统，雷电防护措施都已经十分严格，进线段与非进线段防雷性能并无本质差异。对于2km以外的远区雷击，由于电晕衰减和线路阻尼效应，导致雷电波侵入波陡度和幅值都明显减小，在特高压站内设备上形成的过电压一般不会损坏设备绝缘，此时近区雷击的危害突出。实际上，美国、西欧、日本以及CIGRE工作组均以近区雷击作为变电站侵入波的主要研究对象。

关于近区雷击，雷击第几基杆塔或第几个档距时侵入波过电压最为严重具体讨论如下：

（1）反击侵入波

雷击点距变电站越远，同一雷电流所引起的反击侵入波幅值和陡度就越低。但在中国，1塔和0门型塔距离较近（实际距离一般小于100m），再加上0塔的接地电阻一般非常小，由于受到0塔反射回来的相反极性的反射波限制，1塔绝缘不易闪络而形成反击侵入波，即使闪络，在站内设备上引起的过电压也较低。因此，雷击2塔引起的雷电侵入波可能最为严重。因此中国特高压变电站反击侵入波研究重点是雷电直击2塔。

以上结论只适用于0塔与1塔塔间档距较小的情况。对于0塔与1塔塔间档距相对较大的情况，雷击点应选用1塔或0塔应通过仿真计算加以确定。

另外，在使用统计法评估变电站防反击侵入波性能时，雷击其他杆塔引起的反击侵入波过电压的情况也应加以考虑。

值得注意的是，在特高压系统中，线路反击耐雷水平很高，绝缘反击闪络概率极小。对于中国特高压示范工程线路，300kA的雷电流都不会引起线路绝缘闪络。因此，特高压变电站雷电侵入波过电压主要来自近区绕击。

（2）绕击侵入波

对于绕击侵入波，研究重点是雷电绕击1塔附近处的导线，这也是IEC所推荐的。0塔位于变电站内部，由于受到站内防直击雷装置的保护，一般可认为该塔附近导线不会遭受雷击。另外，杆塔附近的导线由于所处位置较高，被绕击概率最大，侵入波计算中一般可将雷击点选在1塔附近处导线上。

同样，在使用统计法评估变电站防绕击侵入波性能时，也应研究进（出）线其他位置处雷电绕击产生的侵入波过电压。

综上，针对中国具体情况，特高压变电站的雷电侵入波计算应重点研究近区雷击。对于雷电侵入波在站内设备上引起的过电压幅值，一般认为雷击2塔引起的反击侵入波过电压相对较为严重；雷击1塔附近导线引起的绕击侵入波过电压相对较为严重。

3）雷电流幅值及其陡度

（1）雷电流幅值(www.xing528.com)

特高压变电站防雷计算时，不同耐雷可靠性指标评估方法对雷电流幅值的取值不同。以下给出雷电流幅值的取值范围，而具体取值则需根据评估方法而定。

在反击侵入波过电压计算时，反击雷电流幅值的取值范围为[I2，I∝]。其中，I2为进线段线路的反击耐雷水平，kA；I∝为统计所得的自然界最大雷击线路电流，可取300kA。

在绕击侵入波过电压计算时，绕击雷电流幅值的取值范围为[Imin，Imax]。其中，Imin为统计所得的自然界最小雷击线路电流，kA；Imax为最大可绕击雷电流，可采用EGM法计算确定。

在计算最大可绕击雷电流Imax时，可首先计算雷电可绕击导线的最大击距rs_max，然后使用击距公式倒推得到Imax。考虑地面倾角的影响，最大击距rs_max通用计算公式如下：

式中，h为避雷线平均对地高度，m；y为导线平均对地高度，m；k为击距系数；θs为避雷线的保护角，°；θg为地面倾角，°。注意，θg的符号是以杆塔处向下倾斜的地面倾角为“-”，反之为“+”。

（2）雷电流陡度

根据避雷器保护原理可知（见图8-30），对于雷电侵入波，避雷器与被保护设备之间的电压差为

式中，α为雷电流陡度，kA/μs；Δt为雷电侵入波在避雷器与被保护设备之间的最短传播时间，μs；Δl为避雷器与被保护设备之间的最短电气距离，m；v为侵入波传播速度，m/μs。

由式（8-43）可知，站内设备上的雷电侵入波过电压与侵入波陡度直接相关，雷电侵入波的陡度是一个相比幅值更为重要的参数。

有研究表明，雷电流波头时间与幅值相关（约20kA/μs），即认为雷电流陡度与幅值是相关的。但目前，在特高压变电站雷电侵入波计算中，俄罗斯、日本和中国均未考虑雷电流波头时间和幅值之间的相关性，如俄罗斯对雷电流幅值和陡度取相互独立的正态分布；日本对雷电流波形取为1/70μs。而中国电力系统防雷计算中将雷电流波形定义为2.6/50μs，即规定雷电流陡度与幅值成正比关系。

图8-30　站内避雷器和被保护设备的位置示意图

一般认为雷电流最小的波头时间约为0.5～1μs，而考虑电晕对雷电流波形的畸变作用，实际侵入变电站的雷电波波头时间不少于1μs。因此，对于变电站雷电侵入波计算，日本雷电流陡度取值是较为严格的。

8.2.2.2　耐雷可靠性指标评估方法

评估变电站耐雷可靠性指标的方法包括惯用法（亦称“确定性法”）和统计法。两种方法的区别在于对雷电侵入波过电压影响因素的处理方法不同，包括变电站运行方式、雷击点、雷电流幅值及陡度、雷击瞬间导线上的工频电压瞬时值等。其中，惯用法只考虑各种影响因素的典型情况，具有直观、简便的优点，主要用于确定变电站内避雷器的布置方案以及站内设备的绝缘水平；而统计法则考虑了各因素的出现概率，可定量计算变电站的防雷安全运行年限。

1）惯用法

惯用法计算原理是首先确定作用于绝缘上的代表性（或最危险）过电压，然后根据运行经验选择一个足够大的裕度系数，这个裕度系数可以弥补估计最大过电压时由于各种因素影响所产生的误差，最后由最大过电压值乘以裕度系数得到绝缘水平。

在变电站雷电侵入波仿真计算时，惯用法一般做法是选取各影响因素的代表性或最严重情况，得出站内各设备在该条件下所受到的雷电过电压值，从而验算变电站防雷方案是否满足要求。使用惯用法计算中国特高压变电站侵入波过电压时，相关参数可取为：

对于雷电流：

①雷电流波形采用2.6/50μs双斜角波；

②关于雷道波阻抗，反击侵入波计算时取为300Ω，绕击侵入波计算时取为800Ω；

③关于雷电流幅值，反击计算取250kA，绕击计算取最大可绕击电流Imax；

④关于雷击点，反击侵入波计算在0塔与1塔相距较近时选2塔，较远时选1塔，绕击侵入波计算时选1塔附近导线。

对于进线段：

①准确模拟进线段（即1～5杆塔及其塔间档距），导地线采用J-Marti模型，杆塔采用分段波阻抗模型，杆塔接地电阻可取实测值；

②6塔及以外的远区线路可使用等效阻抗Zeq代替；

③线路绝缘闪络判据采用相交法；

④关于工频电压，可在等效阻抗处连接一交流电压源来等效，线电压取值为1100kV。

变电站运行方式的选取方法可参考8.2.2.1节。其中，单线单变双母方式和单线方式是最为典型的方式，应予以重点考虑。

综上，惯用法的优点是直观、简便，而且该法确定的变电站绝缘水平有较大的裕度，可主要用于确定变电站避雷器布置方案以及站内设备绝缘水平。

但惯用法未考虑变电站各种运行方式、雷击点、雷电流幅值和陡度等的出现概率，无法定量估算绝缘故障的概率，因而对绝缘要求偏严，投资费用偏高。为克服此缺点，国内外也有人采用统计法来分析变电站防雷可靠性。

2）统计法

统计法可以综合考虑各种影响因素的出现概率，定量估算变电站站内设备绝缘发生放电的概率，从而计算变电站在雷电侵入波下的安全运行年限。

但侵入波过电压部分影响因素的出现概率难以准确预计（如变电站运行方式），因此可使用简化的区间组合统计法——对出现概率难以预计的影响因素取其典型值，如变电站运行方式（包括单线单变双母方式、单线方式）；对出现概率可以估算的因素按统计法处理，如雷击点、雷电流幅值和工频电压相角等。

区间组合统计法基本思路是认为危险雷电侵入波的发生频率由与变电站相连的架空线路的耐雷性能决定，其具体计算步骤为：

（1）雷电流分段处理

把可能形成雷电侵入波的全部雷击电流作分段处理，并将每段雷电流幅值的平均值作为该段雷电流参数。其中，反击雷电流取值范围为[I2，300kA]，绕击雷电流范围为[Imin，Imax]。

（2）计算进线段危险长度

计算每一小段雷电流对应的变电站进线段危险长度。由于电晕衰减和线路阻尼效应，一定幅值的雷电流只有击于其所对应的进线危险段内，才会产生对变电站绝缘有危险的过电压。

（3）计算变电站危险过电压次数

将一年内击于变电站进线上的所有引起危险过电压的次数累加起来，就是变电站每年遭受雷害危险的概率。由于反击侵入波和绕击侵入波的出现概率有各自的统计方法，故应分别予以计算。

每年由反击侵入波引起的危险过电压平均次数按下式确定：

式中，n为计算雷电侵入波过电压时所取的变电站进（或出）线数；kj为变电所其他线路对第j条线路的屏蔽系数；Ng为变电站地区的年落雷密度，次/（km2·a）；W为线路受雷宽度，km；g为击杆率；η为建弧率；p△i为雷电流在Ii≤I≤Ii+1区间内的概率；lΔi为与雷电流幅值Ii≤I≤Ii+1对应的进线危险长度，km。

每年由绕击侵入波引起的危险过电压次数为

式中，pαΔi为雷电流幅值Ii≤I≤Ii+1对应的绕击率，可由EGM得出。

每年因雷击线路而引起的侵入变电站危险过电压次数为

（4）计算变电站安全运行年限

危险过电压次数N的倒数即为变电站的平均安全运行年限（危险过电压重复周期），即：

综上，统计法可以定量计算变电站的耐雷指标，特别是可用于不同电压等级、不同绝缘类型变电站的防雷可靠性比较。但统计法也有计算繁琐复杂的缺陷，因此，具体的耐雷可靠性评估方法应根据具体工程需要而确定。

8.2.2.3　日本特高压变电站雷电侵入波计算方法

作为参考和对比之用，以下给出日本特高压变电站雷电侵入波过电压的计算方法。

日本使用惯用法分析特高压变电站的雷电侵入波过电压。另外，对比中、日两国分别使用的惯用法，计算方法的主要区别在于雷电流源、进线段参数的选取以及部分影响因素的处理方法，见表8-11。

由表8-11可知，与中国相比，日本所采用计算方法的主要区别之处为：①日本只对特高压变电站的反击侵入波过电压进行校验计算，未考虑绕击侵入波；②雷击点取进线段的第一基杆塔（即1塔），杆塔模型采用带阻尼支路的分段传输线模型；③雷电流波形采用1/70μs双斜角波，雷电流幅值取200kA（日本500kV变电站的对应取值是150kA）；④日本认为计算条件已经非常苛刻，所以绝缘裕度取为0。

其中，由式（8-43）可知，在站内避雷器布置方案相同的前提下，站内设备上的侵入波过电压的最大影响因素是侵入波陡度。由表8-11可知，日本取雷电流陡度为200kA/μs，而中国绕、反击雷电流陡度只分别为ImaxkA/2.6μs、250kA/2.6μs，可见日本的计算条件选得更加严格。

表8-11　中、日两国特高压变电站雷电侵入波计算所使用的惯用法的主要区别

值得注意的是，在确定站内设备可承受的最大雷电过电压时，日本特高压变电站的绝缘配合原则与IEC标准差别很大，在最大雷电过电压和额定雷电冲击耐受电压之间未留安全裕度。