智能变电站防雷电侵入波的仿真研究

席楚妍，郝 捷，程雪婷

（1.国网太原供电公司，山西太原 030001；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001）

0 引言

智能变电站安全运行已经成为一个重要课题。雷电会产生巨大的危害，缺乏有效的防雷措施，变电站极有可能受到严重损坏。因此本文通过仿真某实际变电站遭受雷击时，雷电侵入波过电压对站内母线及主变压器的影响因素[1-2]。

1 雷电侵入波过电压仿真模型

山西电网某智能变电站共有2条110 kV进线，在进线段2 km内均架设避雷线。其中1条线路共有36基杆塔，其1号、2号、3号杆塔之间档距分别为197.50 m、207.31 m，1号杆塔为110 kV进线段终端杆塔；其主变压器采用Yd11接线，容量为63000 kVA。高压侧母线与变压器距离为164 m，低压侧母线与变压器距离为98 m。根据标准规定，该变电站进线、母线以及PT均已安装避雷器。依据该变电站的实际情况，采用ATP-EMTP建立仿真系统，如图1所示[3-4]。站内各电气设备采用入口电容模拟，采用参考文献中的典型值。其中，断路器为300 pF，电压互感器为5000 pF，主变压器为2100 pF。

2 雷电侵入波过电压对变电站的影响

变电站中各电气设备遭受的雷电侵入波过电压会受到许多因素的影响，而雷击点是影响雷电侵入波过电压的一个重要因素。通过该线路的运行方式可知，变电站进线段只有在终端杆塔遭受雷击时，变电站内各电气设备上的雷电侵入波过电压最高。为验证该结果，使用不同幅值的雷电流分别雷击该变电站110 kV进线段1号—3号杆塔。例如，设定雷电流为100 kA，分别雷击110 kV线路的进线段1号—3号杆塔，得到110 kV母线波形如图2所示，主变压器波形如图3所示。

由图2、图3可以看出，终端杆塔遭受雷击时其最大过电压值最高。使用不同幅值的雷电流反击该变电站110 kV进线段1号—3号杆塔，可验证该结果的正确性，结果如表1所示。

从表1可以看出：变压器上的雷电侵入波过电压受雷击点的影响较大。当线路的终端杆塔遭受雷击时，会导致变电站内的母线以及主变压器产生最高的过电压值，这是由于终端杆塔与变电

站的距离最近，雷电波在传输过程中的衰减很少，而其他杆塔相对于终端杆塔来说与变电站具有较远的距离，在遭受雷击时雷电波传输过程中的衰减较大。由于进线段杆塔之间的档距约为200 m，由此可知，该线路110 kV进线段杆塔每隔200 m的档距时，变电站100 kV母线、主变压器的最大过电压逐渐衰减。

图1 110 kV变电站仿真模型

图2 110 kV线路进线段受雷电反击时进线段110 kV母线波形

图3 110 kV线路进线段受雷电反击时主变压器波形

表1 110 kV线路进线段受雷电雷击作用时110 kV母线及主变压器最大过电压

在变电站终端杆塔遭受雷击时，变电站母线和主变压器会产生最高的雷电侵入波过电压值。本文在仿真计算变电站雷电侵入波过电压的过程中选取最严酷情况，即雷击点为变电站110 kV线路的终端杆塔（两线路的1号杆塔）。

3 变电站雷电侵入波过电压的防护研究

依据DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定当避雷器与主变压器及其他被保护设备的电气距离不超过规定值时，可仅在母线设置避雷器。由于主变压器是变电站核心设备，且主变压器受雷击损坏事故时有发生，因此本节依据上一节仿真结论，采用终端杆塔遭受雷击仿真分析主变压器增设避雷器对主变压器及母线过电压幅值的影响，以探讨主变压器附近增设避雷器的必要性[5]。

通过仿真110 kV进线段终端杆塔遭受雷电反击作用，计算变电站主变压器安装避雷器前后变电站110 kV母线与主变压器的最大过电压幅值。图4、图5分别给出终端杆塔受100 kA雷电流反击作用时，变电站110 kV母线与主变压器在安装避雷器前后所承受的最大雷电侵入波过电压波形对比图（设定避雷器与主变压器的电气距离为10 m）。

图4 110 kV线路终端杆塔受雷电反击作用时110 kV母线雷电侵入波过电压波形对比图

图5 110 kV线路终端杆塔受雷电反击作用时主变压器雷电侵入波过电压波形对比图

根据仿真结果得到的波形图即可计算出110 kV母线、主变压器承受的最大过电压值。由三者波形图可以看出，在主变压器附近安装避雷器可以有效地降低其承受的最大过电压值。为验证其正确性，可仿真计算110 kV终端杆塔受不同幅值雷电流反击时，该变电站110 kV母线、主变压器最大雷电侵入波过电压值，雷电流幅值为 50~250 kA的仿真结果如表2所示。

表2 110 kV线路终端杆塔受雷电反击时110 kV母线及主变压器最大过电压值

由该110 kV变电站基本情况可知，该变电站110 kV有2条进线，全线架设避雷线且长度均超过2 km，母线避雷器距离变压器入口164 m，查阅DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》表12规定可知母线避雷器距离变压器入口小于170 m，未在主变压器附近设置避雷器，仅用母线避雷器保护。若在该变电站主变压器高压侧附近增设1组氧化锌避雷器时，主变压器高压侧雷电侵入波过电压下降率可达40%左右，并且同步降低了母线承受的雷电侵入波过电压，因此从保护主变压器角度出发，该变电站在主变压器高压侧附近增设1组氧化锌避雷器十分必要。

4 结束语

依据某110 kV变电站的实际情况，建立了110 kV线路及变电站雷电侵入波过电压仿真模型；在此基础上分别仿真分析了线路遭受雷击时，变电站受雷电侵入波过电压的影响，确定终端杆塔遭受雷击是变电站雷电侵入波过电压最严酷情况；依据最严酷情况对该变电站主变压器高低压侧附近增设氧化锌避雷器进行仿真分析。仿真结果表明该变电站在主变压器高低压侧附近分别增设1组氧化锌避雷器将有效降低主变压器承受的最大雷电侵入波过电压幅值，并同步降低母线电气设备承受的雷电侵入波过电压，虽然按标准规定该变电站变压器附近可不专设避雷器，但从保护主变压器角度出发，增设主变压器附近的避雷器十分必要，也是防治变电站雷电侵入波的有效措施。