敞开式变电站进线避雷器布置形式分析

郭宜果，魏鑫，卢福木，徐希霁

（1.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021；2.国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东枣庄277800）

敞开式变电站进线避雷器布置形式分析

郭宜果1，魏鑫2，卢福木1，徐希霁2

（1.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021；2.国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东枣庄277800）

敞开式变电站进线避雷器采用“T”形布置时，根据行波传输理论，对设备上的过电压水平进行分析，得出设备上的过电压与引线长度成线性关系的结论。并结合实际500 kV变电站工程数据，通过EMTP程序对该结论进行了仿真验证。两种不同的布置形式的对比仿真计算表明：采用“一”形布置设备过电压水平可降低9.6%。

避雷器；布置；侵入波过电压；EMTP

0 引言

对于采用架空出线的敞开式变电站，为降低雷电侵入波过电压的影响，DL／T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》要求在站内电气设备接口处安装避雷器，该避雷器称为进线避雷器。按照110 kV及以上变电站设备配置及总平面布置的原则，在设计施工中，往往将进线回路的电压互感器与进线避雷器组合起来进行布置。在工程实际中，一般有两种布置形式，并根据引下线的形状，分别命名为“T”形布置方式和“一”形布置方式。两种布置形式在工程中均有大量应用。

文献［1-2］研究表明，避雷器的接入方式应尽量避免“T”形接入，且避雷器的引线越短，保护效果越好。但是文献未给出“T”形布置引线长度与设备上过电压值之间的定量关系，同时缺乏对两种布置形式的对比分析结果。运用行波折反射理论，定量分析“T”形布置引线长度对侵入波过电压的影响，结合EMTP程序对定量分析结果进行验证，并对两种布置形式进行对比分析。

1 “T”形布置侵入波的折反射分析

由于电力系统是三相系统，某一相雷电波随导线侵入变电站时，其余两相导线的互阻抗将降低侵入波的幅值和陡度。从最严格等级考虑［3］，同时为了简化分析过程，一般在研究雷电侵入波过电压的影响时，仅对落雷相设备及连接导线进行分析，不考虑另外两相的影响。

根据行波传输理论，雷电波在导线上的传播可用以下行波方程解释［4］：

式中：u为导线上的电压值，V；uq为入射波电压，V；uf为反射波电压，V；i为流过导线的电流，A；iq为入射电流，A；if为反射电流，A；Z为导线波阻抗，Ω。

对于“T”形布置进线避雷器，侵入波进入变电站内的传输路径如图1所示。

图1 雷电流传播示意

为简化避雷器引下线对侵入波过电压影响的分析过程，将系统做出如下假定：

1）雷电流为一个斜角波I=at；

2）连接导线的波阻抗均相等；

3）暂不考虑电容器的影响；

4）避雷器引下点A到避雷器距离AC为l1，A点到变电站设备距离AB为l2，l2>l1。

1.1 雷电流到达A点时雷电波作用分析

t1时刻，雷电流到达A点，由于AB、AC段波阻抗相等，因而进入两段导线雷电流大小相等。此时雷电波尚未到达传输线末端，未发生折反射，流过线路AB、AC上的电流均为前行波。假设该时刻为零时刻，则流过线路AB、AC上的电流为

对应传输线AB、AC上的电压为前行波电压，即

式中：a为斜角波的斜率，A／s；t为波的作用时间，s。

1.2 雷电流在AC导线上传播分析

如图2所示，随着时间的推移，雷电流到达避雷器，并在t2时刻避雷器上的电压超过其动作电压，避雷器动作。根据避雷器的伏安特性曲线，动作点处避雷器阻值很低，相当于一个小电阻。

图2 雷电波在AC段导线上传播示意

设避雷器动作后，避雷器上的残压为UC，则

式中：U为导线AC上的实际电压，V；U2q为AC上的入射波电压，V；U2f为AC上的反射波电压，V。

式中：v为波速度，m/s。

由此可见，由于避雷线的引线影响，避雷线引下点的过电压幅值除了避雷器残压之外，增加了一个幅值为的分量，这是影响过电压大小的关键因素。

1.3 雷电流在AB段传播分析

假设t4时刻雷电流到达B端，B端电压

再经过一段时间，t5时刻，由C点产生的反行波到达B点时，类似上面的分析过程可得B端电压

由此可见，侵入变电站电压幅值与避雷线引下点电压幅值相同。

综上，采用进线避雷器防雷电侵入波过电压时，避雷器引线的距离对侵入波过电压具有重要影响，避雷器动作后，侵入波过电压的幅值与避雷器引线长度呈线性关系，同时与雷电波的陡度以及引线波阻抗有关系。

2 EMTP仿真计算

按照典型500 kV变电站的参数利用EMTP进行仿真分析，雷电流取标准的1.2／50 μs双指数波，幅值为10 kA。传输线波阻抗取370 Ω，避雷器利用非线性电阻模拟，非线性电阻伏—安特性曲线如表1所示。

表1 避雷器的伏安特性

各段连接线按工程实际情况进行考虑，避雷器引下点到变电站设备距离取40 m，避雷器引线长度分别取4 m、8 m、12 m、16 m、20 m，对应不同的引下线长度，仿真计算得到变电站内设备上的最大电压值与避雷器引线长度的对应关系如图3所示。

图3 过电压值与避雷器引线长度的关系

由图3可知，随着引线长度变化，侵入波过电压幅值与之呈线性关系，进行最小二乘拟合后得：U=1.65×104l+1.43×106。电压幅值U与引线长度l关系的比例系数为1.65×104V／m。

根据公式（10），过电压值与引线长度之间呈线性关系，比例系数为：。计算雷电流波头斜率a=8.3×109A／s，雷电波在导线上的传播速度v取 2.6×108A／s，代入计算得：。仿真计算得到的比例系数与理论分析结果较为接近，可以支持理论分析的结论。同时可以看到，由于该比例系数在10 kV／m的量级，每降低1 m的引线长度将降低10 kV左右的过电压值，因而缩短避雷器引线长度对降低变电站侵入波过电压水平效果显著。

某500 kV变电站设计中提供两种避雷器布置方案，如图4所示。按照其提供的具体参数，在仿真计算的基础上，同时考虑变电站内其他设备的影响，分别验算进线避雷器“T”形布置与“一”形布置，当雷击1号杆塔发生反击时，变电站内各设备上的过电压如表2所示。

图4 某500 kV敞开式变电站进线避雷器的布置

表2 不同布置形式时各设备上的最大电压幅值对比kV

计算表明，避雷器的布置形式对设备上过电压影响巨大。进线避雷器与电压互感器采用“一”形布置时，电压互感器过电压水平可降低9.6%，断路器过电压水平可降低9.13%。推荐敞开式变电站进线避雷器与电压互感器结合布置时采用“一”形布置。

3 结语

对于敞开式变电站，进线避雷器采用“T”形布置时，站内设备上的过电压值与避雷线的引线长度大致呈线性关系。改变敞开式变电站进线避雷器的布置形式，在进线回路中将其呈“一”形布置；尽可能缩短避雷器引线长度对于降低变电站内设备上的雷电侵入波过电压水平具有十分积极的意义。根据EMTP仿真计算结果，500 kV变电站电压互感器过电压水平可降低9.6%，站内其他设备上的过电压水平也可降低6%~9%。

［1］张纬钹.大型水电工程变电站雷电波保护和绝缘配合的研究［J］．水力发电，1995（3）：41-45.

［2］李妮，文习山.500 kV GIS电站仿真计算的影响因素研究［C］.中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集，2007.

［3］衰兆祥，周洪伟.500 kV HGIS变电站雷电侵入波的计算分析［J］.高电压技术，2007，33（6）：71-75.

［4］周泽存，沈其工，方瑜，等.高电压技术［M］.北京：中国电力出版社，2007.

Analysis for the Layout of Entrance Line Arrester in Open Type Substions

GUO Yiguo1，WEI Xin2，LU Fumu1，XU Xiji2
（1.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；2.State Grid Zaozhuang Power Supply Company，Zaozhuang 277800，China）

On basis of the wave transmission theory，the equipment over-voltage of open type substations with"T"type entrance line arrester is analyzed.It is found out that the equipment over-voltage is linearly related to the length of arrester conductor.This is verified by EMTP program with the real data of 500 kV substation.The result shows that the over-voltage can be reduced up to 9.6%by means of“—”type.

arrester；layout；over-voltage of intruding surge；EMTP

TM863

B

1007－9904（2015）05－0038－03

2014-12-18

郭宜果（1986），男，工程师，从事输变电工程设计研究工作；

魏鑫（1985），女，工程师，从事电网运行方式计划工作；

卢福木（1981），男，工程师，从事输变电工程工程设计研究工作；

徐希霁（1970），男，工程师，从事变电运维检修工作。