某煤业集团西区变电站雷电入侵波过电压分析
陕西省地方电力集团有限公司、西安科技大学的研究人员雷延龄、雷玺等，在2015年第2期《电气技术》杂志上撰文，雷电波沿线路侵入变电站会在站内设备上产生雷电过电压，对设备绝缘造成威胁，因此侵入波是变电站防雷的重点。
本文建立了某煤业集团西区变电站的计算模型及参数，并确定了雷电通道波阻抗、雷电波形等相关参数，利用电磁暂态程序（EMTP）仿真计算了西区变电站的雷电入侵波过电压。结果表明雷击点距离变电站越远，在设备上出现的雷电过电压越低。因此，为了降低雷电入侵波过电压，可以延长进线段长度。
变电站的安全运行对电力系统的重要性是不言而喻的，一旦发生雷害事故，将造成大面积停电。变压器等主要电气设备的内绝缘大都没有自恢复性能，一旦雷击损坏，修复起来十分困难，势必延长停电时间，严重影响电力系统的供电可靠性。
为了满足配电网供电可靠性和安全性的要求，必须加强对变电站的雷电侵入波过电压防护的研究[1-5]。
某煤业供配电系统曾发生多起变电站设备遭雷击损坏的事故，根据资料及现场调研，站内电气设备均在避雷针保护范围，部分闪络设备就在门型架下面或者在户内安装，所以直击雷引起闪络的可能性很小。
地形观测可知，该公司变电站架空进线所处地形地貌复杂，35kV线路途经许多沟壑，线路到达西区变电站附近时，从山顶斜下到沟底进入变电站。因此雷击进线段导线产生的雷电波侵入变电站从而损坏设备的可能性较大。
因此，利用电磁暂态程序（EMTP）对西区变电站的雷电入侵波过电压仿真计算，期望对后续的防雷措施制定提供依据。
1 矿区西区变电站主接线
某煤业集团的生产生活用电由东区（王村）变电所和西区变电所承担，东、西区变电所之间由2回35kV架空线路联接，其中东区变电所主要负责王村煤矿和王村斜井煤矿等单位的生产生活用电，西区变电所有15回出线，主要负责局机关、董家河、权家河和二矿等单位的生产生活用电。
西区35kV变电所的主接线见图1。35kV、6kV母线均采用单母线分段接线方式，母联开关350、600运行。35kV两路进线，一路供电，另一路热备用。两台主变一台运行，另一台热备用。
董矿（628、615）、南关（626、620）、二矿（625、611）、尧斜（621、616）、蔡家河（604、617）、一矿（605、610）分别接至6kV母线Ⅰ段和Ⅱ段，权家河（624）、洛河供水（623）、水泥厂（603）仅接至6kV母线Ⅱ段。
图1 西区变电所主接线示意图
2 雷电过电压计算模型的建立
2.1 雷电参数的确定
雷击线路但不致引起绝缘闪络，输电线能够承受的最大雷电流幅值称为耐雷水平[6]。雷电入侵波的最大值是在雷电流值为雷击塔顶的耐雷水平时达到的。故一般认为，在最不利的情况下，绝缘子串发生闪络侵入变电所的雷电波最大幅值为杆塔的50%冲击放电电压U50%，这是一种偏严的考虑[7]。
对冲击绝缘水平比较高的35kV输电线路（如杆塔采用四片或者耐受能力较高的绝缘子，以及采用木横杆等），U50%取为500kV。本文主要计算反击情况的雷电入侵波，西区变电站进线35kV杆塔采用四片绝缘子，故入侵波的幅值取500kV。
工程计算可以采用斜角平顶波作为雷电入侵波波形。波头时间取为2.6μs，即－2.6/50μs的斜角平顶波。雷电通道波阻抗不同文献给出了不同的计算值。我国规程认为，绕击时雷电通道波阻抗在300Ω～400Ω范围内，反击时通常取雷电通道波阻抗为300Ω[6,8]。本文雷电通道波阻抗取为300Ω。
2.2 进线段及变电站的模拟
西区变35kVⅠ回路进线段每基杆塔高15m，由于高度不高，计算中忽略杆塔上的波过程，采用集中电感来模拟，本文中电感值取为0.42μH/m。杆塔的冲击接地电阻以实际测量值为准，如果无实际值则取10Ω。
进线导线型号LGJ-120，避雷线型号GJ-35；相线水平排列，间距3.5m，弧垂对地高度7.5m。根据线路参数计算得到波阻抗Z≈340Ω，波速v≈2.7×108m/s。
众所周知，雷电现象的最大特征是大电流和高频率，其幅值可达上百千安，频率范围约在10kHz~1MHz之间。在雷电波的冲击下，线路的电气参数与工频下的参数相比将发生很大的变化，呈现出较强的电容特性。
故可将变压器、断路器、隔离开关、电压互感器等模拟成对地电容，通过以往的计算表明，这样处理不会失去准确性[7,8]。因为原始资料未提供对地电容值，根据一般35kV设备的参数范围确定取值。主变、断路器、隔离开关、电压互感器和避雷器对地电容分别为3000pF、100pF、70pF、90pF和80pF。
计算中，金属氧化物避雷器采用非线性电阻模拟。35kV母线避雷器型号为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母线避雷器型号YH5WZ-10/27，标称电流5kA下残压27kV，直流1mA参考电压为14.4kV，伏安特性如表2。
表2 YH5WZ-10/27避雷器的伏安特性
3 计算结果及分析
由于地形的特殊，35kV进线侧距变电所4km附近的3基杆塔（由近至远分别为1#、2#、3#杆塔）较易受到雷击；另外，靠近西区变电所的35kV进线1km段架设了避雷线，进线段首端有可能受到雷击。因此计算中雷击点选择为1#、2#、3#杆塔以及进线段首端杆塔（记为4#杆塔）。计算结果如表3所示。
表3不同杆塔落雷时设备的雷电过电压（kV）
可见，雷击不同杆塔时，各个设备上出现的过电压略有不同，这主要是因为波的多次折反射造成的。当雷击点比较远时，各设备上的雷电过电压不高，比起设备的冲击耐压值有一定的裕度。当进线段首端落雷时，某些设备上的雷电过电压超出了设备的雷电冲击耐受电压（一般为185kV）。
可见，由于线路对雷电波的衰减作用，雷击点距离变电站越远，在设备上出现的雷电过电压越低。因此，为了降低雷电入侵波过电压，可以延长进线段长度。
图2为雷击1＃杆塔时，主变上的过电压波形。经频谱分析可知主变上过电压主要频率为几十kHz，最高频率不超过450kHz。
值得注意的是，对于变压器这类有绕组的设备，即使变压器上的电压低于其绝缘水平，也不意味着就是安全的。因为雷击多次折反射会使变压器绕组内出现较高的谐振过电压导致匝间绝缘击穿。
图2 雷击1＃杆塔时主变上的过电压波形
由于变电站6kV出线较多，因此有必要计算6kV出线架空线受到雷击在设备上出现的雷电过电压。选取雷击二矿出线距变电站1km处进行计算，计算结果如表4所示。一般6kV变压器及开关设备雷电冲击耐受水平约为60kV，因此6kV出线受到雷击在设备上出现的过电压不严重，没有超过设备的雷电冲击耐受水平。
表4 雷击二矿6kV出线时的过电压
图3 6kV侧断路器上的过电压波形
4 结论
本文利用ATP计算了西区变电站35kV进线侧受到雷击时，在变电站内设备上产生的雷电入侵波过电压。
结果表明，当落雷点距离变电站4km左右时，由于线路对雷电过电压的衰减，以及变电所母线金属氧化物避雷器的限压作用，出现在所内各个设备的过电压并不严重。当进线段首端落雷时，个别设备上出现的过电压超过了设备的雷电冲击耐受电压。
因此，可以延长进线保护段长度，使雷击点远离变电站从而降低设备上的雷电入侵波过电压。6kV出线侧受到雷击时，设备上出现的过电压不严重。
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