0 引言

近年来，随着电网的快速发展和强对流天气的增多，雷害故障频繁发生。作为电力系统的枢纽，超高压变电站的雷电防护对电力系统的安全稳定运行具有重要意义^[1]。变电站雷害主要表现在两个方面：一是雷电直击变电站内的设备和连线；二是雷击线路，雷电过电压沿线路传入变电站，即雷电侵入波过电压^[2]。目前国内外对变电站直击雷防护主要采用避雷针和屏蔽地线。我国110~1000 kV变电站多年的运行经验表明，正确设计和安装避雷针及避雷线是变电站直击雷防护的必要手段。雷击线路的概率远比雷击变电站大^[1-2]。变电站雷电侵入波过电压的研究主要基于雷电侵入波的条件，对变电站设计提出的保护方案和电气设备绝缘水平进行冲击模拟和计算，分析各电气设备上可能出现的过电压水平，进而确定经济可靠的防护措施。目前限制雷电侵入波过电压的主要措施是在变电站布置金属氧化物避雷器，以提高进线段线路的防雷性能，包括降低最大绕击雷电流幅值和提高反击耐雷水平等。因此，确定变电站避雷器的布置方式和参数，合理选择设备内外绝缘雷电冲击水平，是实现超高压、特高压变电站设计经济合理及运行安全可靠目标的关键。本文以内蒙古电网500 kV丰泉变电站（以下简称丰泉站）为例，基于EMTP/ATP仿真平台建立500 kV典型变电站的雷电侵入波过电压电磁暂态计算模型，对雷电侵入波在电气设备上产生的最大过电压进行仿真计算，校核站内设备的雷电冲击绝缘水平，并进行可靠性评估，为内蒙古电网超高压工程的设计提供参考。

1 变电站雷电过电压计算模型建立 1.1 站内设备模型

雷电过电压计算属于电磁暂态过程中的陡波前过电压领域（10 kHz~3 MHz）。在这个频域范围内对变电站站内的避雷器、变压器、电容式电压互感器（以下简称CVT）、变电站母线及设备连接线、断路器和隔离开关等设备进行建模时，根据不同设备特性采用不同的等值方法。

避雷器采用非线性电阻等值，变压器采用入口电容等值^[1-2]。500 kV电压等级的变压器入口电容可按式（1）估算：

(1)

式中：C_T —变压器入口电容，pF；

S —变压器三相额定容量，MVA。

丰泉站变压器S为750 MVA，则其C_T为4919 pF。

丰泉站在线路入口、主变压器回路、母线上装有CVT，也采用入口电容模拟，取值为其本身的主电容值，这里采用推荐值5000 pF。

变电站内的架空线路、母线、变压器引线和设备连线均采用等值波阻抗，通过式（2）计算^[2]，其中波速为300 m/μs：

(2)

式中：Z —波阻抗，Ω；

h —导线的平均高度，m；

r_d —导线等效半径，m，按式（3）计算。

(3)

式中：d_s —子导线分裂间距，m；

N —子导线分裂数；

r —子导线半径，m。

丰泉站的相关计算结果见表 1。

断路器和隔离开关闭合时，等值为波阻抗；断开时，等值为其入口电容。500 kV电压等级下，断路器入口电容一般取500 pF，隔离开关入口电容取300 pF。

1.2 出线杆塔及线路模型

在仿真计算中，架空线路模拟采用多相耦合J. Marti模型，杆塔采用分段多波阻抗模型，包括细分化模型和四段模型^[3]。

1.3 雷电侵入波模型

变电站雷电侵入波计算仅考虑变电站进线段的近区雷击，主要指进线保护段范围内遭受雷击时，由于发生绕击和反击在导线上产生雷电侵入波，传至变电站后在设备上产生的雷电过电压，雷击电流较大会引起站内设备损坏。计算时考虑采用的进线段的近区雷击长度是2 km。

仿真计算中，雷电侵入波用斜角波电流源（波头时间一般取2.6 μs，波尾取50 μs）和并联的雷电通道波阻抗表示。雷电通道的波阻抗在反击时取300 Ω，绕击时取800 Ω。

反击雷电流可以根据变电站的防雷可靠性要求，选取某一累积概率下的幅值^[4]。我国对雷电流计算值没有明确规定，根据运行经验，反击时最大雷电流幅值可取230 kA。可以根据电气几何模型^[5-6]求出变电站进出线的最大绕击雷电流，经计算，变电站出线杆塔的最大绕击电流小于25 kA，本文取25 kA。

2 雷电侵入波过电压仿真分析

丰泉站为AIS变电站，主接线采用3/2断路器接线方式，共有4台变压器和10回出线，该站可能的最小运行方式为N-2，最苛刻的运行方式为九线（线路）—三变（变压器）运行方式，而大多数情况下为十线—三变、九线—四变和十线—四变的运行方式。本文分别计算十线—三变、九线—四变和九线—三变的部分运行方式。

2.1 反击侵入波过电压

反击侵入波过电压计算条件（偏严）取：

（1）雷击时刻的系统工作电压处于峰值且与雷电流极性相反；

（2）反击雷电流的幅值为230 kA；

（3）雷电反击点在终端塔处。

计算结果见表 2。由表 2可见，对于以上运行方式，丰泉站变压器、断路器、隔离开关、CVT、高压电抗器（以下简称高抗）上的最大雷电反击侵入波过电压最大值分别为1180 kV、1282 kV、1343 kV、1337 kV、1172 kV。

2.2 绕击侵入波过电压

绕击侵入波过电压计算条件（偏严）取：

（1）雷击时刻的系统工作电压处于峰值且与雷电流极性相反；

（2）绕击雷电流的幅值为25 kA；

（3）雷电绕击到终端塔导线处。

计算结果见表 3。由表 3可见，对于以上运行方式，丰泉站变压器、断路器、隔离开关、CVT、高抗上的最大雷电绕击侵入波过电压最大值分别为1148 kV、1118 kV、1054 kV、1081 kV、1027 kV。

2.3 最大雷电侵入波过电压

丰泉站典型运行方式下，在出线和变压器处安装避雷器而母线不安装避雷器时，变压器、断路器、隔离开关、CVT、高抗上的雷电侵入波过电压最大值如表 4所示。

3 设备雷电冲击绝缘水平校核

丰泉站500 kV侧主设备的内绝缘雷电冲击耐受电压均为1550 kV。考虑到设备运行老化等因素，取一定的裕度系数作为设备绝缘保证强度的判据。绝缘裕度系数通常取1.15，则设备绝缘保证强度的判据为1348 kV^[7-10]。

500 kV侧主设备的外绝缘雷电冲击耐受电压均为1700 kV。变电站设备外绝缘的额定雷电冲击绝缘配合系数取1.05。当海拔超过1000 m时，采用公式（4）进行校正：

(4)

式中：k_n—海拔校正系数；

k_m—海拔校正因数，对于雷电过电压k_m=1.0；

H—海拔，m。

丰泉站的海拔为1286 m，海拔校正系数为1.04。海拔校正后的绝缘裕度系数为1.09，则设备外绝缘保证强度均为1560 kV。

由表 4可知，在典型运行方式下，丰泉站变压器、断路器、隔离开关、CVT、高抗上的最大雷电过电压均小于内绝缘保证强度和外绝缘保证强度。

从防雷角度出发，丰泉站在变压器端和每回线路入口处安装避雷器、在母线上不安装避雷器的防雷保护布置方案，可满足变电站的防雷保护要求^[11-13]。

4 变电站可靠性评估 4.1 反击雷电流和反击故障率

首先求出造成站内设备损坏的最小雷电流，再根据雷击跳闸率（即线路每公里每年因反击造成的跳闸次数）的公式求出反击故障率。线路每百公里每年落雷次数N_S为：

(5)

式中：N_g —大地每平方公里每年的雷击次数；

T_d —年平均雷电日；

h —避雷线的平均高度；

b —两避雷线间距。

绝缘子雷击闪络后是否跳闸，取决于能否建弧，建弧概率η计算方法见式（6）：

(6)

式中：U_n —系统标称电压，kV；

L_d —绝缘子串的绝缘距离，m。

则线路每公里每年因反击造成的跳闸次数N_bf为：

式中：g —击杆率，对于双避雷线线路，平原击杆率为1/6，山丘击杆率为1/4；

P₁ —反击故障率，lgP₁=-I/88，I为最小雷电流，kA。

经计算，丰泉站由雷击造成站内设备损坏的反击最小雷电流为234 kA，反击故障率为6.87×10^-4次/a。

4.2 绕击雷电流和反击故障率

先求出造成站内危害的最小雷电流，并考虑线路能绕击的最大雷电流，再通过电气几何方法求出绕击故障率。经计算，丰泉站由雷击造成站内设备损坏的绕击最小雷电流为35 kA，绕击故障率为0次/a。

4.3 雷电安全运行年

丰泉站站内设备总故障率为6.87×10^-4次/a，则雷电安全运行年为1455 a，大于GB/T 50064—2014 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中规定的800 a^[4]，满足标准要求。

5 结束语

本文建立了变电站雷电过电压计算电磁暂态模型，对丰泉站进行了反击和绕击雷电侵入波过电压仿真计算与防雷校核，评估了变电站的防雷可靠性。研究所建立的变电站雷电过电压计算模型具有普适性和推广性，适用于任何电压等级，可推广应用于超高压输变电工程的雷电防护，指导变电站关键设备选型及防雷设计，有效防止雷害事故发生，对电网的安全可靠运行具有积极意义。