陜西省地方電力集團有限公司、西安科技大學(xué)的研究人員雷延齡、雷璽等，在2015年第2期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，雷電波沿線路侵入變電站會在站內(nèi)設(shè)備上產(chǎn)生雷電過電壓，對設(shè)備絕緣造成威脅，因此侵入波是變電站防雷的重點。
本文建立了某煤業(yè)集團西區(qū)變電站的計算模型及參數(shù)，并確定了雷電通道波阻抗、雷電波形等相關(guān)參數(shù)，利用電磁暫態(tài)程序（EMTP）仿真計算了西區(qū)變電站的雷電入侵波過電壓。結(jié)果表明雷擊點距離變電站越遠，在設(shè)備上出現(xiàn)的雷電過電壓越低。因此，為了降低雷電入侵波過電壓，可以延長進線段長度。
變電站的安全運行對電力系統(tǒng)的重要性是不言而喻的，一旦發(fā)生雷害事故，將造成大面積停電。變壓器等主要電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣大都沒有自恢復(fù)性能，一旦雷擊損壞，修復(fù)起來十分困難，勢必延長停電時間，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的供電可靠性。
為了滿足配電網(wǎng)供電可靠性和安全性的要求，必須加強對變電站的雷電侵入波過電壓防護的研究[1-5]。
某煤業(yè)供配電系統(tǒng)曾發(fā)生多起變電站設(shè)備遭雷擊損壞的事故，根據(jù)資料及現(xiàn)場調(diào)研，站內(nèi)電氣設(shè)備均在避雷針保護范圍，部分閃絡(luò)設(shè)備就在門型架下面或者在戶內(nèi)安裝，所以直擊雷引起閃絡(luò)的可能性很小。
地形觀測可知，該公司變電站架空進線所處地形地貌復(fù)雜，35kV線路途經(jīng)許多溝壑，線路到達西區(qū)變電站附近時，從山頂斜下到溝底進入變電站。因此雷擊進線段導(dǎo)線產(chǎn)生的雷電波侵入變電站從而損壞設(shè)備的可能性較大。
因此，利用電磁暫態(tài)程序（EMTP）對西區(qū)變電站的雷電入侵波過電壓仿真計算，期望對后續(xù)的防雷措施制定提供依據(jù)。
1 礦區(qū)西區(qū)變電站主接線
某煤業(yè)集團的生產(chǎn)生活用電由東區(qū)（王村）變電所和西區(qū)變電所承擔(dān)，東、西區(qū)變電所之間由2回35kV架空線路聯(lián)接，其中東區(qū)變電所主要負責(zé)王村煤礦和王村斜井煤礦等單位的生產(chǎn)生活用電，西區(qū)變電所有15回出線，主要負責(zé)局機關(guān)、董家河、權(quán)家河和二礦等單位的生產(chǎn)生活用電。
西區(qū)35kV變電所的主接線見圖1。35kV、6kV母線均采用單母線分段接線方式，母聯(lián)開關(guān)350、600運行。35kV兩路進線，一路供電，另一路熱備用。兩臺主變一臺運行，另一臺熱備用。
董礦（628、615）、南關(guān)（626、620）、二礦（625、611）、堯斜（621、616）、蔡家河（604、617）、一礦（605、610）分別接至6kV母線Ⅰ段和Ⅱ段，權(quán)家河（624）、洛河供水（623）、水泥廠（603）僅接至6kV母線Ⅱ段。
圖1 西區(qū)變電所主接線示意圖
2 雷電過電壓計算模型的建立
2.1 雷電參數(shù)的確定
雷擊線路但不致引起絕緣閃絡(luò)，輸電線能夠承受的最大雷電流幅值稱為耐雷水平[6]。雷電入侵波的最大值是在雷電流值為雷擊塔頂?shù)哪屠姿綍r達到的。故一般認為，在最不利的情況下，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)侵入變電所的雷電波最大幅值為桿塔的50%沖擊放電電壓U50%，這是一種偏嚴(yán)的考慮[7]。
對沖擊絕緣水平比較高的35kV輸電線路（如桿塔采用四片或者耐受能力較高的絕緣子，以及采用木橫桿等），U50%取為500kV。本文主要計算反擊情況的雷電入侵波，西區(qū)變電站進線35kV桿塔采用四片絕緣子，故入侵波的幅值取500kV。
工程計算可以采用斜角平頂波作為雷電入侵波波形。波頭時間取為2.6μs，即－2.6/50μs的斜角平頂波。雷電通道波阻抗不同文獻給出了不同的計算值。我國規(guī)程認為，繞擊時雷電通道波阻抗在300Ω～400Ω范圍內(nèi)，反擊時通常取雷電通道波阻抗為300Ω[6,8]。本文雷電通道波阻抗取為300Ω。
2.2 進線段及變電站的模擬
西區(qū)變35kVⅠ回路進線段每基桿塔高15m，由于高度不高，計算中忽略桿塔上的波過程，采用集中電感來模擬，本文中電感值取為0.42μH/m。桿塔的沖擊接地電阻以實際測量值為準(zhǔn)，如果無實際值則取10Ω。
進線導(dǎo)線型號LGJ-120，避雷線型號GJ-35；相線水平排列，間距3.5m，弧垂對地高度7.5m。根據(jù)線路參數(shù)計算得到波阻抗Z≈340Ω，波速v≈2.7×108m/s。
眾所周知，雷電現(xiàn)象的最大特征是大電流和高頻率，其幅值可達上百千安，頻率范圍約在10kHz~1MHz之間。在雷電波的沖擊下，線路的電氣參數(shù)與工頻下的參數(shù)相比將發(fā)生很大的變化，呈現(xiàn)出較強的電容特性。
故可將變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器等模擬成對地電容，通過以往的計算表明，這樣處理不會失去準(zhǔn)確性[7,8]。因為原始資料未提供對地電容值，根據(jù)一般35kV設(shè)備的參數(shù)范圍確定取值。主變、斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器和避雷器對地電容分別為3000pF、100pF、70pF、90pF和80pF。
計算中，金屬氧化物避雷器采用非線性電阻模擬。35kV母線避雷器型號為YH5WZ-51/134，伏安特性如表1所示。
表1 YH5WZ-51/134避雷器的伏安特性
6kV母線避雷器型號YH5WZ-10/27，標(biāo)稱電流5kA下殘壓27kV，直流1mA參考電壓為14.4kV，伏安特性如表2。
表2 YH5WZ-10/27避雷器的伏安特性
3 計算結(jié)果及分析
由于地形的特殊，35kV進線側(cè)距變電所4km附近的3基桿塔（由近至遠分別為1#、2#、3#桿塔）較易受到雷擊；另外，靠近西區(qū)變電所的35kV進線1km段架設(shè)了避雷線，進線段首端有可能受到雷擊。因此計算中雷擊點選擇為1#、2#、3#桿塔以及進線段首端桿塔（記為4#桿塔）。計算結(jié)果如表3所示。
表3不同桿塔落雷時設(shè)備的雷電過電壓（kV）
可見，雷擊不同桿塔時，各個設(shè)備上出現(xiàn)的過電壓略有不同，這主要是因為波的多次折反射造成的。當(dāng)雷擊點比較遠時，各設(shè)備上的雷電過電壓不高，比起設(shè)備的沖擊耐壓值有一定的裕度。當(dāng)進線段首端落雷時，某些設(shè)備上的雷電過電壓超出了設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓（一般為185kV）。
可見，由于線路對雷電波的衰減作用，雷擊點距離變電站越遠，在設(shè)備上出現(xiàn)的雷電過電壓越低。因此，為了降低雷電入侵波過電壓，可以延長進線段長度。
圖2為雷擊1＃桿塔時，主變上的過電壓波形。經(jīng)頻譜分析可知主變上過電壓主要頻率為幾十kHz，最高頻率不超過450kHz。
值得注意的是，對于變壓器這類有繞組的設(shè)備，即使變壓器上的電壓低于其絕緣水平，也不意味著就是安全的。因為雷擊多次折反射會使變壓器繞組內(nèi)出現(xiàn)較高的諧振過電壓導(dǎo)致匝間絕緣擊穿。
圖2 雷擊1＃桿塔時主變上的過電壓波形
由于變電站6kV出線較多，因此有必要計算6kV出線架空線受到雷擊在設(shè)備上出現(xiàn)的雷電過電壓。選取雷擊二礦出線距變電站1km處進行計算，計算結(jié)果如表4所示。一般6kV變壓器及開關(guān)設(shè)備雷電沖擊耐受水平約為60kV，因此6kV出線受到雷擊在設(shè)備上出現(xiàn)的過電壓不嚴(yán)重，沒有超過設(shè)備的雷電沖擊耐受水平。
表4 雷擊二礦6kV出線時的過電壓
圖3 6kV側(cè)斷路器上的過電壓波形
4 結(jié)論
本文利用ATP計算了西區(qū)變電站35kV進線側(cè)受到雷擊時，在變電站內(nèi)設(shè)備上產(chǎn)生的雷電入侵波過電壓。
結(jié)果表明，當(dāng)落雷點距離變電站4km左右時，由于線路對雷電過電壓的衰減，以及變電所母線金屬氧化物避雷器的限壓作用，出現(xiàn)在所內(nèi)各個設(shè)備的過電壓并不嚴(yán)重。當(dāng)進線段首端落雷時，個別設(shè)備上出現(xiàn)的過電壓超過了設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓。
因此，可以延長進線保護段長度，使雷擊點遠離變電站從而降低設(shè)備上的雷電入侵波過電壓。6kV出線側(cè)受到雷擊時，設(shè)備上出現(xiàn)的過電壓不嚴(yán)重。
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