雷击过电压影响下变电站避雷器配置优化研究

王越

摘要：变电站供电线出现雷击会给供电系统的稳定性带来显著影响，同时主要的电气设备绝缘能力无法自动修复。就变电站而言，若避雷器配置数量过少则无法有效应对雷击影响。为此，对变电站雷电侵入波过电压进行分析对避雷器配置方案合理布置及优化具有重要意义。文中以变电站为研究对象，对避雷器配置进行优化，在一定程度上提高了变电站运行安全保证能力。

关键词：雷击;过电压;避雷器;配置优化

引言

雷电活动频繁，架空线路易遭受雷击，雷电波会沿着导线进入变电站。按照交流电气装置的过电压保护和绝缘配合规定设置进线保护段，即采用双避雷线，并尽可能降低杆塔接地电阻，使进线保护段具有较高的耐雷水平;并在变电所母线上装设无间隙金属氧化物避雷器（MOA），MOA与电气设备间的最大距离不超过规定的数值，是可以满足110kV和220kV敞开式变电站的耐受雷电侵入波过电压要求的。但电网有时会存在进线断路器出现暂时性分闸状态，其与雷电侵入波两种情况的叠加就可能在断路器末端反射产生很高的过电压，引起敞开式变电站内进线断路器及CT等设备事故。

1变电站主要设备模型

杆塔是雷击入侵的重要元件，杆塔选用多波阻抗模型，可较为准确地反应杆塔布置形状给雷电侵入波在畸变、折发射等方面造成的影响。绝缘子闪络过程模拟采用长冈非线性电感模型;输电线路导体建模使用马蒂模型。避雷器使用呈现出非线性U-I特征，文中用非线性电阻模型（type99）表征避雷器。变电站内的其他电器设备模型构建则采用入口电容简化处理。分析使用双指数雷电波模型，雷电波波头、波尾时间为2.6、50μs;反击雷电流、绕击雷电流波阻抗，幅值分别为300Ω、800Ω，240kA、30kA。

2仿真分析

2.1第一次雷击计算

由雷击记录可知无法造成反击闪络，此处仅对绕击做仿真。仿真中考虑到雷击时刻220kV线路工频电压影响，在一个工频周期内每隔60°计算一次，其中相角以A相电压余弦表达式为基准，计算雷电绕击C相的耐雷水平，计算结果为：相角分别为0/60/120/180/240/300°时，绕击C相分别为8.9/8.0/8.9/10.2/10.9/10.2kA，均值为9.5kA。当-20kA超过C相绕击闪络耐雷水平（约9.5kA，具体与工频相角有关），可造成C相绕击闪络。

2.2反击过电压

雷击点选择在2号杆塔反击导线处并结合一线一变情况，杆塔自身接地电阻为10Ω，构建仿真模型，对不同接线运行方式下反击过电压影响情况进行分析，从仿真结果看出，各位置的过电压值均未超过允许值且均有一定的绝缘裕度;反击过电压对母线、断路器及主变电站等位置产生的过电压趋势与绕击过电压一致。

2.3第二次雷击计算

在线路第一次遭雷击时平地站220kV线路保护动作，线路开关跳闸。由于线路开关重合闸的设置为1s，在315ms后线路遭第二次雷击时线路开关未动，开关为断开状态。220kVC相第二次接地故障时，雷电波沿着线向平地站方向传播，此时线路C相开关处于分闸状态，雷电波在开关端口位置发生波反射，避雷器距离开关断口较远（79m），开关断口处的电压将大幅提高。对此进行仿真，将变电站等效为带内阻的电压源，电阻按容量折算。终端塔三相均安装线路避雷器。在-12kA雷电流绕击C相情况下，C相导线电位达到约1518kV，传播至终端塔，避雷器尽管吸收一部分能量，断口电压达1437kV超过开关冲击耐受电压1050kV，即断路器断口和CT端部的雷电过电压均明显超过其绝缘的雷电冲击耐受电压，造成断路器断口击穿和CT主绝缘击穿。

3原因分析

避雷器选型错误.变电站用避雷器是根据站内电气设备的绝缘水平选择的，一般考虑操作过电压、雷电过电压和冲击过电压等因素，要综合考虑这些因素确定避雷器的动作电压和残压。由于出线设备与其它变电设备的耐雷水平相同，变电站出线避雷器的选择原则应与变电站母线避雷同样[4]。即当线路遭受雷击过电压、雷击过电压侵入变电站时出线避雷器动作，消除雷击过电压。特别是出线开关因检修、试验或其它原因处于分闸状态时，只有出线间隔避雷器保护出线间隔设备。线路用避雷器是专门用于消除安装杆塔在遭受雷击后出现的过电压。不考虑操作过电压，即要求在操作过电压下间隙不击穿，避雷器不动作，以免避雷器频繁动作影响线路正常运行。线路避雷器是由一个间隙和一个氧化锌避雷器串联组成。当线路遭到雷击时，雷电过电压击穿空气间隙，然后使避雷器导通泄露雷电能量。雷电过电压消失后，氧化锌电阻片又恢复绝缘状态。因此它的动作电压为U50%放电电压，要比站用避雷器动作电压高得多[2]，不同避雷器型号的起始动作电压（kV）与残压（kV）分别为：YH10W-200/496W为304、496;Y（H）10W-204/532为304、532;YH10CX-204/592为862/1004、592。

4避雷器安装

不同避雷器的外形与尺寸差别较大，外表面的材质也不尽相同，既有坚硬的瓷套保护壳，也有一定变形量的硅胶保护层，因此有必要研究适应不同种类避雷器的自动化更换技术和自动化更换工具。以环形电极外串联间隙避雷器为例，避雷器与绝缘子通过金属支架连接，安装在杆塔横担上，环形电极与被保护的绝缘子同轴心。不考虑前期防护步骤，一般性的人工操作安装步骤为：松开绝缘子与横担连接处的螺母;扶住并向上抬起绝缘子，与横担上部形成间隙;从环形电极开口处将避雷器插入绝缘子;将避雷器金属支架插入绝缘子与横担的间隙，调整避雷器与绝缘子的距离，保证环形电极与绝缘子同心，以及保证串联间隙;放下绝缘子，压住金属支架;重新上紧紧固螺母，完成安装。由以上步骤可见，人工操作繁琐，操作需细致准确，工人的双手需时刻扶住操作對象，没有中途停歇机会。

结束语

1）按照相关规程、规范要求，将主变压器允许过电压值1348kV，电流互感器及电压互感器允许过电压值1523kV，对雷击影响下主变压器、母线及断路器等位置过电压进行监测，发现各位置过电压值均未超过允许时且有一定绝缘裕度;当避雷器与主变电站间距超过30m时，若母线侧未配备避雷器则雷击过电压可能会击穿主变电侧绝缘;2）根据模拟仿真结果，变电站避雷器配置建议采取下述方案：500kV入口位置布置一组444/1106避雷器（放电电流20kA）、母线位置无需布置避雷器、主变电侧距离25m内布置一组444/1106避雷器（放电电流20kA）。采取上述避雷器配置方案可有效避免雷击给变电站运行带来的影响。

参考文献：

[1]谭永杰.雷击过电压影响下发电厂变电站避雷器配置优化研究[J].机械管理开发，2021，36（03）：100-101+119.

[2]魏欣欣，安新慧.避雷器在线监测装置在变电站的应用与研究[J].机电信息，2019（29）：44-45.

[3]宋晓星，全琴，贾凤，许子宽.变电站输电系统雷击与故障的识别方法[J].通信电源技术，2019，36（06）：125-126.

[4]张熙.变电站避雷器在线监测系统的研究与设计[J].通讯世界，2019，26（06）：230-231.

[5]王祯.雷电过电压作用下的发电厂及变电站避雷器配置优化研究[D].山东大学，2019.