雷电过电压下变电站开环点的运行研究

丁 健

（贵阳供电局，贵阳 550002）

雷电过电压下变电站开环点的运行研究

丁 健

（贵阳供电局，贵阳 550002）

针对采用环网布置，开环运行的供电方式。分析变电站开环点，在雷电过电压下的运行情况。为确保开环点的安全运行，从设备和运行两个角度，提出防范措施，确保电网的安全可靠运行。

雷电过电压；开环点；运行

1 引言

电力系统在运行中，通常采用环网布置、开环运行的方式[1]。如图1所示，甲、乙各为220kV变电站，丙为110kV变电站。依据上述原则，丙变电站的供电一般采用甲主供、乙备用的方式，或反之。

图1110 kV变电站典型的供电方案

在图1所示的方式下，甲-丙联络回路的 1、2号断路器在合闸位置。乙-丙联络回路的3号断路器在合闸位置，4号断路器在热备用位置，丙变电站的 2、4号断路器备自投保护投入。在甲-丙联络线路出现故障，1、2断路器跳闸的情况下，丙变电站110kV备自投保护动作，将处在热备用的4号断路器合闸，恢复对丙变电站的供电。

在35kV或10kV系统，也通常会采用上述运行方式。例如对35kV变电站或10kV开闭所的供电，也通常采用环网布置、开环运行的方式。

本运行方式无疑提高了运行可靠性，但是在输电线遭到雷击等的情况下，雷电波向开环点传播时，开环点的绝缘水平就要受到严峻的考验。能否保证开环点的正常运行，就是十分值得关注的问题。在下面的论述中，将对输电线路及开环点承受雷电过电压的情况，进行分析。

2 输电线承受雷电过电压的种类及分析

作用于输电线的雷电过电压分为：雷直击输电线、雷击于输电线杆塔塔顶或避雷线后反击于输电线、雷击于输电线路附近的地面后电磁场的激烈变化而产生的感应过电压三种情况。分析在不同情况下雷电过电压水平，就能分析开环点的运行情况。

相关文献介绍雷击输电线杆塔的次数，占雷击输电线的比例较小。并且雷击避雷线后，反击于输电线的概率偏低，故这两种情况在本文不作分析，而仅讨论雷直击输电线和雷击输电线路附近地面的感应的过电压情况。

2.1 雷电过电压沿输电线的传播

雷电过电压的典型波形如图2所示[4]。

图2 雷电过电压的典型波形

2.2 雷直击输电线

110 kV电压等级的输电线一般全线装设避雷线，35kV及以下电压等级的输电线则没有全线装设避雷线。当输电线上承受大于绝缘子的雷电过电压时，就发生对地闪络。而当输电线上承受小于绝缘子的雷电过电压时，雷电过电压就沿输电线传播。

绝缘子的正极性雷电冲击闪络电压较负极性低[5]，所以输电线对地闪络的条件为雷击过电压的峰值，大于输电线绝缘子正冲击50%放电电压U50%。所以计算绝缘子串的正冲击50%放电电压，就可以推算在输电线上传播的雷击过电压的峰值。计算绝缘子串的正冲击50%放电电压U50%[2]如式（1）所示，其中m为绝缘子个数。

（1）雷击 110kV输电线时的绝缘子串的正冲击50%放电电压。

因110kV电压等级为中性点直接接地系统，当某一相输电线的绝缘子串承受的雷击过电压≥U50%时，输电线就会发生沿绝缘子串的对地闪络，线路跳闸。

110 kV等级输电线普通绝缘子片数为7片[3]。

（2）雷击10～35kV输电线时的绝缘子串的正冲击50%放电电压。

因该电压等级一般采用中性点不接地系统，当某一相输电线的绝缘子承受的雷击过电压≥U50%时，该相输电线绝缘子就会发生对地闪络，但线路不会跳闸。当反击第二相输电线，形成相间短路后，才会引起线路跳闸。

1） 雷击 35kV 输电线时的绝缘子串的正冲击50%放电电压。

35kV等级输电线普通绝缘子片数为3片[3]。

2）雷击 10kV输电线时的绝缘子串的正冲击50%放电电压。

10kV等级输电线普通绝缘子片数为1片。

从而得到10～110kV电压等级输电线上雷击过电压能够沿输电线传播的峰值，见表1。

表110-110kV电压等级输电线上雷击过电压能够沿输电线传播的峰值

2.3 雷击输电线路附近地面的感应

当雷击于输电线附近的地面时，会在输电线上感应过电压。计算该过电压峰值的近似公式如下[2]：

式中，I为雷电流峰值，单位kA。hd为输电线悬挂的平均高度，单位为 m；S为直接雷击点距输电线的距离，单位为m；一般感应雷过电压的峰值可达300～400kV。

3 雷电过电压沿输电线传播的波过程

当输电线上雷电过电压时，雷电波就沿输电线向两侧传播，如图3。

图3 雷击输电线时雷击过电压向两侧传播示意

以图1为对象进行分析，假设3、4断路器之间的输电线过电压，且过电压的峰值又小于绝缘子串的 U50%放电电压时，雷电波就会沿输电线向 3、4断路器两个方向传播。当雷电波向断路器3方向传播时，就会沿输电线传入乙变电站（略）。当雷电波向断路器4方向传播时，因为4号断路器处于断开位置，此时就会发生波的反射。设雷电波沿输电线传输的始点到断路器4的距离为L，雷电波波速为v，雷电波过程的传播时间为t。当雷电波在到达断路器 4之前，即 0＜t＜L/v时段，波的传播如图4（a）所示。当雷电波在到达断路器4之后，由于开环点处是开路的，产生反射，即L/v＜t＜2L/v时段。此时反射波的大小和入射波相等，且沿输电线向相反的方向传播，波的传播如图4（b）所示。反射波和入射波相互叠加，将使输电线上的过电压变为原来的两倍，即2U。

图4 雷击过电压波沿输电线的传播和反射

在 L/v＜t＜2L/v时段，开环点承受的电压除雷击电压波外，还要承受工频的运行电压。此时 U＜U50%，计算2倍U50%，就可知2U的最大值。计算各电压等级开环点承受的雷击过电压峰值如表2所示。其中，因为10kV输电线绝缘子的U50%峰值为269kV，所以在输电线上传播的感应过电压在等于U50%时，就已经发生对地闪络。

表2 各电压等级开环点承受的雷击过电压峰值

4 雷击过电压时开环点的运行情况分析及防范措施

按照 GB11022-89《高压开关设备通用 技术条件》，高压开关设备的额定绝缘水平如表3。

表3 高压开关设备的额定绝缘水平

由表3可知，高压开关设备的隔离断口额定绝缘水平，大于对地、相间及普通断口。当沿输电线进入变电站开环点的雷击过电压，大于高压开关设备的对地、相间额定绝缘水平时，就发生闪络，从而造成设备事故。

在实际运行中，开环点的设备遭受雷击过电压损坏的情况时有发生。为降低雷害造成的损失，提高系统运行可靠性，必须从多方面入手，制定防范措施。

4.1 加装开环点避雷器

加装开环点避雷器是提高开环点运行水平的有效方法。金属氧化物避雷器的电气特性如表4[6]。

当雷击过电压沿输电线传播到达避雷器，并达到避雷器的放电电压时，雷电流通过避雷器入地。而此时避雷器对地的最大电压峰值，即避雷器上的残压，就是加在开环点高压开关设备承受的过电压峰值。对比表2、3、4，加装开环点避雷器后，开环点的承受的雷击过电压峰值大大降低，从而提高了开环点的运行可靠性。对于运行变电站的未加装避雷器的开环点，要及时加装。对于新建变电站，从设计之初就应考虑建成后的系统运行方式，在开环点加装避雷器。

表4 典型的变电站用避雷器参数

4.2 通过提高线路的防雷水平，来降低传播到开环点的雷电过电压概率

（1）在绝缘子上装设保护间隙

保护间隙与绝缘子串并联，保护间隙的伏秒特性的上限，低于被保护设备的伏秒特性的下限。当雷电波通过保护间隙与绝缘子串构成的并联回路时，保护间隙首先击穿放电，从而避免绝缘子串承受过高的电压。

（2）装设线路避雷器

对于重要线路，并在投资允许的情况下，在输电线上装设避雷器，甚至沿全线每基杆塔装设，能大幅度提高输电线的防雷水平。

（3）降低杆塔接地电阻

按照线路防雷的要求，杆塔的接地必须符合要求，这包括工频接地电阻和冲击接地电阻两部分。通过降低杆塔接地电阻，降低雷击杆塔的闪络率。

（4）避雷线采用较小的保护角

当采用较小的保护角时，能降低输电线受到雷击的概率，也就降低了雷击过电压在输电线上传播的概率。

4.3 采用合上开环点断路器的运行方式

当采用避雷器作为开环点保护时，不能排除小于避雷器动作值时，雷电波到达开环点后发生波的反射，叠加后的雷电过电压大于开环点的绝缘水平的情况。因此可以建议采用合上开环点断路器的运行方式。特别是针对雷害比较严重的气象条件，可以采用这种特殊的运行方式，这样系统运行就没有开环点。当雷害严重的气象条件过去后，再恢复开环点的运行。

4.4 采用电缆供电

对于重要线路，采用电缆供电，降低遭受雷害的概率，提高运行可靠性。

5 结论

针对采用环网布置、开环运行的方式，分析了开环点在雷击过电压下的运行情况。为确保开环点设备在雷击过电压时的安全运行，本文从设备和运行两个角度，提出相应的防范措施。对于提高系统运行可靠性，具有一定的参考价值。

[1] DL/T584-1995.3-110kV电网继电保护装置运行整定规程.

[2] 过电压及保护.武汉水利电力学院.北京:水利电力出版社,1977.8.

Research on the Annulus-open Point Function in Transformer Substation when Thunder Overvoltage

Ding Jian
（Guiyang South Power Supply Bureau, Guiyang 550002）

Aim the way of power supply, that round arrange and annulus-open function. Analyze the condition of annulus-open point function in transformer substation, when thunder overvoltage. In order to ensure safe function, bring forward the forefend measures, by equipment and function。

thunder overvoltage；annulus-open point；function

丁 健，贵阳供电局电网建设中心，高级工程师，工程硕士。