电站避雷器配置方式对雷电动作负荷的影响

施 健，徐建铁，郭 洁，徐 迪，刘 行，蔡汉生，胡上茂

（1.南方电网科学研究院直流输电技术国家重点实验室，广州510663；2.西安交通大学电气工程学院，西安710049）

0 引言

变电站避雷器的主要作用是抑制电站区域内的高幅值雷电过电压和操作过电压，保护电站设备免遭过电压损坏[1-2]。而雷电活动情况、系统运行方式以及避雷器配置等又直接影响系统的过电压和绝缘配合，对电力系统的安全运行起着至关重要的作用。以某一典型的750 kV输变电系统为例，仿真计算了负极性2.6/50 μs标准雷电波击中电站近区线路杆塔发生反击和雷直击相导线时，避雷器配置对流过避雷器最大雷电流峰值和避雷器吸收能量的影响。考虑避雷器的耐受冲击电流的能力，避雷器的标称放电电流应按照大于流过避雷器最大电流峰值来选取[3]。

1 系统计算模型和计算条件

1.1 系统计算模型

以典型的750 kV敞开式变电站为例，变电站为双电源系统，出线为同塔双回架空线路，线路长度92 km，线路有换位，换位位置分别在12、42、74、92 km处，系统电气接线如图1所示。正常运行时，线路输送容量为173 MV·A，运行电压为787 kV。

图1 750 kV系统电气接线图Fig.1 Electrical wiring diagram of 750 kV system

笔者主要研究电站B侧线路遭受近区雷击时，避雷器配置对流过避雷器的最大电流峰值和吸收能量的影响，因此系统模型为雷电下的高频模型，线路采用考虑频率效应的多相J.Marti模型。

1.1.1 杆塔

选取750 kV输电系统普遍采用的SZC2同塔双回直线杆塔，塔身高达60 m，波过程明显且复杂，因此雷电分析中采用多波阻抗模型模拟[4-7]，杆塔冲击接地电阻取为10 Ω。

1.1.2 工频运行电压

由于750 kV线路运行电压高，工频运行电压对线路雷击绝缘闪络和流过避雷器的最大电流峰值和吸收能量影响较大[8]，因此计算模型中考虑了工频运行电压带来的影响，雷击对应的工频运行电压相位按照线路绝缘最容易闪络来选取。

1.1.3 避雷器模型和参数

计算模型中，避雷器采用传统配置方式，在电站的线路开关内外侧分别布置电站侧避雷器和线路测避雷器，两者相距10 m。在雷电和工频运行电压下，750 kV避雷器采用非线性电阻和等效集中电容并联模型来模拟，集中等值电容C为43.54 pF，如图2所示；避雷器本体伏安特性曲线如图3所示。

图2 避雷器模型Fig.2 The model of MOA

1.2 反击和绕击雷电流模型

雷云绝大多数带负电荷，约为75%～90%的雷电流为负极性脉冲波[9]。且负极性的冲击过电压在线路上传播时衰减小，产生的雷害影响较大。因此雷电反击和绕击计算中偏严考虑均采用负极性2.6/50 μs标准雷电电流波[10]。

图3 避雷器本体V-A特性曲线Fig.3 The V-A characteristic curve of MOA body

根据国家标准GB50064——2014“交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范”可知，750 kV系统、同塔双回有地线的架空线路反击耐雷水平为192 kA～224 kA[11]。笔者根据范围Ⅱ架空线路大跨越档在雷电过电压下安全运行年数不宜低于50年设防，计算获得750 kV系统在标准雷暴日地区线路遭受50年一遇的反击电流为294 kA（大于反击耐雷水平），对应的雷电通道波阻抗为300 Ω；最大绕击雷电流值依据线路杆塔形状和导线布置结构，采用电气几何模型计算获得的最大绕击电流为55 kA[12]（大于绕击耐雷水平），对应的雷电通道波阻抗为586 Ω；线路绕击耐雷水平以实际线路绝缘临界闪络为判据，计算得到绕击耐雷水平为18kA，对应的雷电通道波阻抗为1 103 Ω。雷电通道波阻抗Z0与雷电流幅值的关系曲线如图4所示[13]。

图4 Z0和I关系曲线图Fig.4 The relationship curve of Z0and I

2 避雷器配置对雷电流和吸收能量的影响

2.1 避雷器配置方式

避雷器配置是影响变电站设备上过电压的重要因素。参考我国电站避雷器的配置惯例[14]，笔者研究的750 kV系统中避雷器的配置在出线断路器两侧各加装1组避雷器，断路器电站侧加装的避雷器称为电站侧避雷器，断路器线路侧加装的避雷器称为线路侧避雷器，两组避雷器的间隔距离为10m，研究的配置方式如下：

配置方式1：保持避雷器安装位置和配置数量不变，电站侧和线路侧避雷器型号均为Y20W-600/1 380；

配置方式2：保持避雷器安装位置和配置数量不变，电站侧避雷器型号为Y20W-600/1380，线路侧避雷器型号为Y20W-648/1491；

配置方式3：仅在线路侧配置避雷器且安装位置不变，避雷器型号为Y20W-600/1380；

配置方式4：仅在线路侧配置避雷器且安装位置不变，避雷器型号为Y20W-648/1491。

2.2 雷电反击计算结果

最大电流峰值为发生雷击时避雷器动作后流过避雷器的最大电流，包括工频电流和雷电流；吸收能量为发生雷击时避雷器动作到冲击电流波结束这一时间区段上电压和电流的积分。

当幅值为50年一遇的294 kA雷电流击中电站近区线路杆塔并发生反击时，四种配置方式下流过避雷器的最大电流峰值和吸收能量如表1所示。

表1 反击计算结果Table 1 Lightning counterattack calculation results

2.3 雷电绕击计算结果

当幅值为最大绕击电流55 kA的雷直击电站近区线路相导线时，四种配置方式下流过避雷器的最大电流峰值和吸收能量如表2所示。

表2 最大绕击电流时计算结果Table 2 The calculation results of maximum shielding failure current

当幅值为线路绕击耐雷水平18 kA的雷直击电站近区线路相导线时，四种配置方式下流过避雷器的最大电流峰值和吸收能量如表3所示。

由上述计算结果可以看出：

1）幅值为50年一遇的294 kA的雷击中电站近区线路杆塔并发生反击时，配置方式3时流过避雷器的电流峰值最大，电流峰值可达到15 kA，避雷器吸收的最大能量为95 kJ；配置方式2时流过避雷器的电流峰值最小，电流峰值可达到6 kA，避雷器吸收的最大能量为25 kJ；两种配置方式电流峰值相差150%，避雷器吸收的最大能量相差280%。

2）幅值为最大绕击电流55 kA的雷直击电站近区线路相导线时，配置方式3时流过避雷器的电流峰值最大，电流峰值可达到26 kA，避雷器吸收的最大能量为187 kJ；配置方式2时流过避雷器的电流峰值最小，电流峰值可达到10 kA，避雷器吸收的最大能量为25 kJ；两种配置方式电流峰值相差160%，避雷器吸收的最大能量相差648%。

3）幅值为线路绕击耐雷水平18 kA的雷直击电站近区线路相导线时，配置方式3时流过避雷器的电流峰值最大，电流峰值可达到12.5 kA，避雷器吸收的最大能量为686 kJ；配置方式2时流过避雷器的电流峰值最小，电流峰值可达到4.2 kA，避雷器吸收的最大能量为177 kJ；两种配置方式电流峰值相差198%，避雷器吸收的最大能量相差288%。

表3 绕击耐雷水平电流时计算结果Table 3 The calculation results of the lightning shielding failure withstand current level

3 结论

通过以上典型750 kV系统在雷电击中电站近区线路杆塔并发生反击和雷绕击电站近区线路相导线时的计算结果，可得出以下结论：

1）配置方式1，反击和绕击两种情况下均满足流过线路侧避雷器的最大电流峰值高，避雷器吸收能量多，但是两台避雷器的雷电负荷比较均衡；配置方式2，反击和绕击两种情况下均满足流过电站侧Y20W-600/1380型避雷器的电流峰值更高，避雷器吸收能量多，两台避雷器的雷电负荷差别较大，最大差别可达122%。配置方式1与配置方式2相比，配置方式1对应的避雷器的标称放电电流更大。

2）配置方式3，反击和绕击两种情况下均满足流过线路侧避雷器的最大电流峰值略小于配置方式1下流过两台避雷器的最大电流峰值之和，避雷器吸收能量也略小于配置方式1下两台避雷器吸收能量之和；配置方式4，反击和绕击两种情况下均满足流过线路侧避雷器的最大电流峰值略小于配置方式2下流过两台避雷器的最大电流峰值之和，避雷器吸收能量也略小于配置方式2下两台避雷器吸收能量之和。但是配置方式3、4两种方式时流过避雷器的最大电流峰值已达到26 kA，大于避雷器的标称放电电流，因此配置单台避雷器时必须要经过严格校核避雷器雷电动作负荷。

3）当选取配置方式1时，在满足规定的条件下，线路侧避雷器与电站侧避雷器安装间距应尽量减小；当选取配置方式2时，在满足规定的条件下，线路侧避雷器与电站侧避雷器安装间距应尽量大一些。配置方式3与配置方式4相比，配置方式4时流过避雷器的最大电流峰值更小，过电压水平更低。此外在研究避雷器雷电动作负荷优化配置的同时，还必须对避雷器在工频过电压和操作过电压下的绝缘配合和动作负荷进行核算[15]。

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