雷电波在电力系统传播过程中的响应特性研究

刘雨晴

（眉山市彭山供电分公司）

0 引言

随着国民经济的快速发展，电网建设也随之加快，但我国幅员辽阔，能源分布极不均匀，2／3以上的水和煤资源都集中在西部地区，而负荷中心大多都覆盖在相对发达的中东部地区，东西部距离太远，发展长距离、大容量的特高压输电技术势在必行。总结国内外的特高压输电运行经验，雷击引起的线路跳闸一直是影响特高压电网发展的主要原因之一，从而影响了电网的安全稳定运行，给国民经济和人民生活造成损害。在确定高电压等级架空线路耐雷水平时，线路参数的频变特性、冲击电晕以及雷电波的实际波过程对于雷击引起的电磁暂态过程的影响较大。因此，在配置电力系统各项的绝缘水平时，较为精确地掌握入侵电力系统内部的雷电过电压水平及波形对合理选择设备的绝缘配合十分关键。

IEC规定的1.2／50μs标准雷电波是在不考虑波过程受变电站及电气设备影响的情况下雷电引起暂态过电压的代表波形，而实际工况下，有各种形状的雷电波形存在，使用标准雷电波代替非标准波来评价、测试电力设备的绝缘特性存在种种问题。本文利用ATP-EMTP电磁暂态软件对侵入变电站的雷电过电压进行仿真，研究不同类型的原始雷电波作用、雷击点不同、采集位置不同几种情况下的雷电波形，分析它们的响应特性。

1 变电站雷电侵入波仿真模型

本文基于电磁暂态仿真软件ATP-EMTP对变电站雷电侵入波进行仿真，对输电线路上发生反击、绕击的情况进行仿真，输电线路采用JMARTI频率特性架空线模型。全长10km，全线架设一回避雷线。模拟雷电波采用1.2／50μs双指数波形，雷电通道波阻抗为300Ω，采样频率为200MHz。

1.1 杆塔及线路模型

图1为ATP环境下建立的输电线路上的仿真模型，分别表示出了雷击杆塔顶、雷击输电线路的情况，图2为普通杆塔波阻抗模型。

1.2 变电站仿真模型

交流变电站的模型如图3所示，变电站模型中，PT采用0.5nF的电容模拟其对暂态行波的作用，变压器采用3nF的电容模拟变压器入口电容。站内的母线及其它连线用分布参数模型模拟。

图1 ATP环境下建立的输电线路仿真模型

图2 杆塔波阻抗模型

图3 ATP环境下建立的变电站雷电侵入波仿真模型

1.3 绝缘子闪络判据

通过比较绝缘子串所加电压和标准波形下的伏秒特性值对绝缘子闪络进行判断。如图4所示，当绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线相交即可发生闪络，当绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线不相交即不闪络。

图4 绝缘子闪络判据

2 变电站雷电侵入波的影响因素研究

2.1 雷击类型对侵入波形的影响

雷电有多种方式在输电线路上产生过电压波形。根据雷电击中输电线路本体还是击中输电线路旁边的大地，分为感应雷和直击雷。其中，直击雷又可以根据雷击部位及绝缘子是否闪络分为四种：反击导线未闪络，反击导线闪络，绕击导线未闪络，绕击导线闪络。

（1）反击导线未闪络

在雷击杆塔未闪络的情况下，施加雷电流幅值为－60KA，位置为杆塔顶部，取A相为故障相。图5为在变电站进站处、母线、变压器上测得的雷电波形。

从图中可以看出进站处的电压幅值最大达到－570kV，到了变电站母线上有些衰减，最大值衰减为－410KV，到变压器处时，变压器上的幅值进一步衰减为－345KV，这是由于波在输电线路传播过程中由于导线电阻、大地、电晕等因素所产生的损耗引起波的衰减和畸变，使得侵入波幅值和陡度都有所下降。

图5 反击导线未闪络时变电站进站处、母线、变压器上测得的雷电波形

（2）反击导线闪络

施加雷电流幅值为－75kA，位置为杆塔顶部，取A相为故障相。计算表明A相绝缘子在0.45μs左右被击穿，绝缘子闪络后，闪络前通过避雷线和杆塔注入大地的雷云电荷一部分通过绝缘子注入导线，使得闪络相的电位抬升，电流增加。图6为在变电站进站处、母线、变压器上测得的雷电波形。

从图中计算可得，进站处的电压波形在1.3μs左右大幅增加，相比绝缘子串的闪络时间有所延迟，因为波形在进线段传播有所衰减，幅值变化相对缓慢。同样的，从进站处到母线再到变压器入口处，电压最大幅值从－2000kV衰减到－900kV再到－380kV。但总的来说，幅值在波头都有所抬升。

图6 反击导线闪络时变电站进站处、母线、变压器上测得的雷电波形

（3）绕击导线未闪络

直接绕击导线的情况下，雷云电荷直接注入导线，大量负极性电荷注入，使得导线上形成与雷电流波形相似的过电压波形。模拟绕击导线绝缘子未闪络，施加雷电流幅值为－9kA，击中A相，在进站处采集电压波形如图7所示，计算可得波头时间为0.1μs，比标准波小。

（4）绕击导线闪络

施加雷电流幅值为－20kA，击中A相，模拟绕击导线闪络，图8为进站处电压波头展开图。计算得到2.5μS时，绝缘子串闪络，行波电压幅值迅速降低，这也是与未闪络不同的地方。这是由于绝缘子闪络后，导线上电荷主要经过绝缘子电弧通道流入大地，因此导线上的电压降低了。波头时间为0.1μS，比标准波小。

图7 绕击导线未闪络进站处的电压波形

图8 绕击导线闪络进站处电压波头展开图

2.2 雷击地点对侵入波的影响

（1）近区反击雷和远区反击雷的波形对比

分别取距离变电站300m和2km处为落雷点，模拟近区雷和远区雷。测得近区反击雷作用下变电站入口处电压如图9所示。

图9 近区反击雷作用下的电压波形

近区反击雷和远区反击雷两者波形走势相同，但幅值和闪络时间有所区别。近区雷的电压最大幅值为－0.5mV，远区雷作用下电压幅值最大达－0.3mV左右，远低于近区雷。在1.3μS时，近区雷作用下的绝缘子串闪络，电压幅值急剧增加；而远区雷作用下，6.5μs时行波电压才陡增。波头时间由近区雷作用下的0.6μs变短到0.3μs。

（2）近区绕击雷和远区绕击雷的波形对比

跟 （1）的取点情况一致，测得近区绕击雷作用下变电站入口处电压如图10所示。

图10 近区绕击雷作用下的电压波形

同反击情况相似，近区绕击雷和远区绕击雷两者波形走势相同，不同的是最大值幅值和绝缘子闪络时间。近区雷的电压最大幅值为－1.8mV，远区雷作用下电压幅值最大达－1.5mV，远低于近区雷。在2.5μS时，近区雷作用下的绝缘子串闪络，电压幅值急剧下降；而远区雷作用下，5.5μS时行波电压才陡降。近区雷的波头时间也大于远区雷的波头时间。

2.3 行波在输电线路上的传播对侵入波的影响

电压行波在输电线路上传播会发生损耗，导致行波衰减，为阐述电压行波在输电线路传播过程中的衰减和畸变过程，对该过程进行了仿真。当A相遭受－20kA雷电绕击后，距雷击点600m，1km及进站处的电压行波仿真结果如图11所示，分别以红色、绿色、蓝色波形表示。

计算表明，电压行波传输到变电站入口处时，行波幅值衰减为将近原始行波的一半，波头时间增加，波尾变缓。进一步验证了行波在输电线路中传播有较大的衰减和畸变，与标准雷电波差异较大。

研究表明，由于进线段衰减、站内折反射、变压器绕组谐振以及站内存在LC振荡回路等原因，电力设备上遭受的真实雷电侵入波并不是1.2／50μS的标准雷电波形，而呈现振荡波形，这对变电站设备的绝缘击穿是有很大影响的，远远超过了标准雷电波的影响。

图11 绕击闪络时的沿线电压

3 结束语

本文通过ATP-EMTP暂态仿真软件对变电站内的雷电波进行仿真，模拟了不同类型的原始雷电波作用、雷击点不同、采集位置不同几种情况下的雷电波形，分析了它们的波形特征。得出如下结论：

（1）影响变电站侵入波波形的因素主要有雷击类型、雷击地点、行波在输电线路上的传播。

（2）在雷击类型方面，雷电绕击 （包括绝缘子闪络和未闪络）和雷电反击造成绝缘子闪络都会在导线上产生幅值较高的过电压行波。反击波形幅值大于绕击波形幅值。

（3）雷电过电压行波在输电线路的传播过程中，幅值会发生衰减，且由于高频分量衰减速度高于低频分量，导致雷电过电压波形变缓，即波头、波尾时间增长。

（4）仿真波形与实测波形对比波形近似，这就为雷电过电压研究分析提供了依据。