PAGEPAGEi中文摘要變電站是電力系統(tǒng)的重中之重，安全可靠運(yùn)行是電網(wǎng)的穩(wěn)定性關(guān)鍵。在現(xiàn)實(shí)中變電站的變壓器容易因故障跳閘，雷電災(zāi)害在變電站故障中的占比很大。一旦變電站因雷擊而發(fā)生故障，往往造成大面積停電。分析變電站雷擊情況，有利于優(yōu)化變電站的防雷措施。因此，本文基于110KV氣體絕緣變電站進(jìn)行雷電過電壓分析。全文主要包括三部分。第一部分是模型構(gòu)建，建立了包括電站設(shè)備、雷電波、輸電線路、塔、絕緣子閃絡(luò)、沖擊接地電阻在內(nèi)的變電站雷電入侵模型；第二部分是分析計(jì)算，計(jì)算了沖擊接地電阻、不同雷擊點(diǎn)、保護(hù)距離、運(yùn)行方式等因素對過電壓值的影響；第三部分介紹了變電站避雷器配置的型式，計(jì)算了在不同措施下雷電過電壓的降低值，找到適用于降低變電站雷電過電壓的避雷器布置方案。基于110KV氣體絕緣變電站的雷電過電壓分析為變電站防雷提供了理論指導(dǎo)，具有一定實(shí)踐意義。關(guān)鍵詞：雷擊；GIS變電站；雷電過電壓PAGEPAGEiiABSTRACTSubstationisthetoppriorityofpowersystem,andsafeandreliableoperationisthekeytothestabilityofpowergrid.Inreality,substationtransformerispronetotripduetofailure,andlightningdisasteraccountsforalargeproportioninsubstationfailure.Oncethesubstationfailureduetolightningstrike,oftencausealargeareaofpowerfailure.Theanalysisoflightningstrikeinsubstationisbeneficialtooptimizethelightningprotectionmeasuresofsubstation.Therefore,thispaperconductslightningovervoltageanalysisbasedon110KVgasinsulatedsubstation.Thefulltextmainlyincludesthreeparts.Thefirstpartisthemodelconstruction,establishingthesubstationlightningintrusionmodel,includingplantequipment,lightningwave,transmissionline,tower,insulatorflashover,andimpactgroundresistance;thesecondpartcalculatestheimpactofdifferentlightningstrikeresistance,protectiondistance,andoperationmodeontheovervoltagevalue;thethirdpartintroducesthetypeofsubstationlightningarresterconfiguration,calculatesthereductionvalueoflightningovervoltageunderdifferentmeasures,andfindsthelightningarresterlayoutschemesuitableforreducingsubstationlightningovervoltage.Thelightningovervoltageanalysisbasedon110KVgasinsulatedsubstationprovidestheoreticalguidanceforlightningprotectioninsubstationandhassomepracticalsignificance.KEYWORDS：Lightningstrike;GISsubstation;lightningovervoltage目錄中文摘要 iABSTRACT ii1緒論 11.1選題背景 11.2選題的目的與意義 11.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 21.3.2國外研究現(xiàn)狀 31.3.3小結(jié) 31.4研究內(nèi)容 42研究思路及計(jì)算模型 52.1雷電侵入方式 52.2雷電擊中位置 52.3雷電流模型 52.4輸電線路模型 62.5桿塔模型 72.6避雷器模型 82.7變電站內(nèi)部電氣設(shè)備模型 92.8絕緣子閃絡(luò)模型 102.9本章小結(jié) 113計(jì)算分析 123.1變電站接線圖 123.2雷擊點(diǎn)的影響 123.3沖擊接地電阻的影響 133.4絕緣子閃絡(luò)時刻的影響 133.5主變側(cè)避雷器保護(hù)距離對主變過電壓的影響 153.6繞擊計(jì)算分析 163.7本章小結(jié) 174防雷保護(hù)方案研究 184.1保護(hù)方案計(jì)算分析 184.2本章小結(jié) 195總結(jié) 205.1結(jié)論 205.2不足之處 20參考文獻(xiàn) 21致謝 23PAGEPAGE121緒論1.1選題背景隨著經(jīng)濟(jì)迅速增長和生活水平持續(xù)提高，人類生活生產(chǎn)對電能的需要大增。根據(jù)預(yù)測，多年后我國的用電需求將超過10萬億千瓦時[1]。電力輸送技術(shù)的發(fā)展是我國科學(xué)科技進(jìn)步的重要表現(xiàn)。電力輸送的電壓等級和輸送容量不斷提高，目前國內(nèi)500kV及以上的輸電網(wǎng)絡(luò)已漸趨成熟且趨于飽和。但110kV系統(tǒng)仍擁有較大的比重，依舊是我國重要的輸電網(wǎng)絡(luò)[2]。在我國的省會城市中，超過20座城市的雷暴天數(shù)高達(dá)50天以上，有時甚至超過了100天。變電站是電網(wǎng)轉(zhuǎn)換和輸送電能的樞紐，它的作用至關(guān)重要，無可替代。不過，變電站時常發(fā)生各種故障。根據(jù)電網(wǎng)故障統(tǒng)計(jì)，頻繁的雷擊容易導(dǎo)致變電站設(shè)備損壞，甚至引發(fā)重大安全事故。變電站面臨的自然災(zāi)害雷擊，它可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、停電等問題，從而影響生產(chǎn)和生活。為了減少雷擊對變電站的影響，配備完備的防雷保護(hù)設(shè)施是非常必要的。這些防雷保護(hù)設(shè)施可以包括避雷器、避雷線、避雷針等，它們可以有效地引導(dǎo)雷電電流并將其泄放到大地中，保護(hù)變電站設(shè)備免受雷擊損害。同時，定期對防雷保護(hù)設(shè)施進(jìn)行檢測和維護(hù)也是確保其有效性的關(guān)鍵。此外，還可以采取其他措施來提高變電站的抗雷擊能力，例如優(yōu)化變電站的布局和接地系統(tǒng)、加強(qiáng)設(shè)備的絕緣防護(hù)等。綜合采用這些措施可以最大程度地減少雷擊對變電站的影響，有效的保障電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。[3]。1.2選題的目的與意義根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況分析，導(dǎo)致變電站發(fā)生故障的主要原因是雷擊。如果變電站受到雷擊，可能引發(fā)電力系統(tǒng)的大面積停電事故，給經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。不斷優(yōu)化變電站的防雷設(shè)施對變電站的安全很有意義。變電站雷擊分為兩類，一是雷電入侵波，另一類是直接雷擊。安裝避雷針和避雷線可以有效地預(yù)防變電站遭受直擊雷[4]。另一種情況是從變電站的進(jìn)線端串聯(lián)進(jìn)入到站內(nèi)的雷電入侵波，這是變電站雷擊災(zāi)害的典型案例。因此，探究和剖析變電站遭受雷擊引發(fā)的過電壓、設(shè)備上的電壓波形特征以及過電壓分布規(guī)律，計(jì)算變電站設(shè)備上的雷擊過電壓的最高值，為變電站的配置選擇提供數(shù)據(jù)支持，確保絕緣防護(hù)合適。本文的研究對象是110kVGIS（GasInsulatedSubstation）氣體絕緣變電站，將變電站和入口端有機(jī)地考慮在內(nèi)，對雷擊的位置、工頻電壓、感應(yīng)過電壓和雷擊的形式、不同的沖擊接地電阻以及變電站的運(yùn)行方式，對變電站各種設(shè)備上的過電壓值進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算。最后，對幾種常用的雷電過電壓保護(hù)方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算，驗(yàn)證了方案的有效性。沖擊電暈的影響可能會受到多種因素的影響，因此，在進(jìn)行防雷保護(hù)設(shè)計(jì)時，需要綜合考慮這些因素，并采取相應(yīng)的措施來減小沖擊電暈的影響。為提高變電站的防雷性能提供更有力的支持本文沒有考慮輸電線路的電暈，最終值較大，基于防雷措施對變電站的防雷工作留有一定的安全裕度。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國早在40年前就已將防雷作為高壓電網(wǎng)設(shè)施研究的重點(diǎn)。2005年，在國家的支持和各界的努力下，防雷技術(shù)取得了重大發(fā)展，掌握了核心技術(shù)，我國的電網(wǎng)設(shè)備可以自主生產(chǎn)[5-6]。高壓電網(wǎng)防雷示范工程的驗(yàn)收,驗(yàn)證了輸電系統(tǒng)在安全環(huán)保方面的性能，還驗(yàn)證了相關(guān)理論的可行性以及電力元件的可靠性。這一成果對于電力行業(yè)的發(fā)展具有重要的推動作用，為提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供了有力支持。[7-8]。其他國家和地區(qū)可能會采用不同的防雷技術(shù)，例如使用避雷器、改善接地系統(tǒng)、采用避雷線等。這些方法的選擇通常是基于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況進(jìn)行權(quán)衡和決策的[9-11]。我國在高壓輸電線路避雷線的研究和應(yīng)用方面取得了顯著成果。采用混合使用的方法，結(jié)合多種影響因素進(jìn)行模擬計(jì)算，使避雷線的屏蔽性能更加準(zhǔn)確和可靠。這也體現(xiàn)了我國在電力科技領(lǐng)域的創(chuàng)新和實(shí)力[12-13]。預(yù)防變電站雷擊要合理使用避雷裝置，我們國家的變電站均按照設(shè)計(jì)規(guī)范安裝了這些防雷設(shè)施。我們國家變電站遭到直接雷擊而導(dǎo)致事故發(fā)生的概率很低。所以，只要變電站按照設(shè)計(jì)規(guī)飯正卻安裝使用了避雷線或避雷針等防雷裝置，雷擊的防護(hù)效果都非?？煽?，直擊雷導(dǎo)致的事故概率非常低。變電站雷擊事故的主要形式時雷電侵入波從進(jìn)線端串入到變電站。繞擊和反擊是變電站進(jìn)線端遭受雷擊主要形式。這兩種類型雷擊的計(jì)算和研究依賴于模型推理、計(jì)算機(jī)模擬和分析，以及模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場測量等手段[14-15]。雷電繞擊是指當(dāng)雷電發(fā)生時，繞過了安裝的避雷線或避雷針，直接擊中建筑或?qū)Ь€等的現(xiàn)象。雖然避雷線在110kV及以上的輸電線路都有安裝，避雷線對雷電阻隔和屏蔽的作用非常好，但避雷線也無法做到萬無一失，也有雷電避開避雷線直接擊中輸電導(dǎo)線的可能。盡管繞擊概率很低，但繞擊容易有非常大的危害和后果。上世紀(jì)六十年代，輸電線路雷電繞擊逐漸引起關(guān)注及重視，由此衍生了經(jīng)典的電氣幾何模型等方法去分析繞擊原理[16]。假如被雷擊擊中后，雷電繞擊導(dǎo)線的概率很低。有時候雷電擊中避雷線或者桿塔的上端，不管擊中的是避雷線或者是導(dǎo)線，因避雷線連在輸電線路桿塔的上端，所以避雷線和大地的電位相同為零。在將雷電電流引入大地時，會產(chǎn)生巨大的電位差，從而使得絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)的現(xiàn)象，也稱為放電現(xiàn)象，此現(xiàn)象就是反擊。我國研究人員從桿塔模型、最大雷電流計(jì)算值、接地電阻值、絕緣子伏秒特點(diǎn)、輸電線路沖擊電暈、工頻電壓和雷電感應(yīng)過電壓等參數(shù)進(jìn)行分析，得到許多減小雷反擊傷害的措施[17]。1.3.2國外研究現(xiàn)狀在高壓輸電線路防雷方面，不同國家和地區(qū)可能采用不同的方法和技術(shù)。日本和一些西歐國家采用屏蔽地線的方式是一種常見的防雷措施。[18]。日本用的是鋁包鋼絞線帶光纖電纜的避雷針，直徑為600毫米，保護(hù)角設(shè)置為-13°。蘇聯(lián)用的避雷電纜是雙分裂型LGJ，保護(hù)角通常設(shè)置在18°左右。日本和前蘇聯(lián)采用的避雷針和避雷電纜在材料和尺寸上有所不同，保護(hù)角的設(shè)置也有所差異。[19-20]。由于導(dǎo)線周圍張拉角塔附近的雷電導(dǎo)致跳閘，蘇聯(lián)研究人員提出，為了提高高壓架空輸電線路的防雷特性，應(yīng)將防雷設(shè)置在較小的角度[21]。日本東西部1000kV特高壓輸電線路沿線多年平均雷暴日數(shù)達(dá)25天，發(fā)現(xiàn)雷擊跳閘的主要原因是塔架太高而不能雷擊導(dǎo)體引起的絕緣子閃絡(luò)[22]。盡管國外一些學(xué)者認(rèn)為110kV輸電線路具有較強(qiáng)的抗雷擊能力，但在實(shí)際運(yùn)行階段，由于直接雷擊導(dǎo)體而導(dǎo)致的跳閘事故時有發(fā)生。因此，認(rèn)真總結(jié)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，提高防雷水平是110kV輸電研究的主要內(nèi)容[23-24]。1.3.3小結(jié)目前，國內(nèi)學(xué)者對雷電過電壓的研究已經(jīng)足夠深入，所用的理論也比較經(jīng)典，該模型也適合中國國情，但隨著GIS變電站的大規(guī)模應(yīng)用，這些研究存在許多新問題，主要表現(xiàn)在以下方面：一是GIS以SF6為絕緣材料，這導(dǎo)致了其斷裂裝置與傳統(tǒng)變電站的運(yùn)行條件有所不同；二是GIS變電站設(shè)備由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，電磁兼容性差、容易互相干擾；第三，GIS變電站設(shè)備全封閉在套管內(nèi)，需在現(xiàn)場安裝后才能調(diào)試，事故維修困難。因此，GIS變電站內(nèi)部組件的絕緣要求比AIS變電站嚴(yán)格得多。因此，本文的研究對象是GIS變電站，主要研究和分析我國110kV氣體絕緣變電站的雷電過電壓情況。1.4研究內(nèi)容本文研究110kVGIS變電站雷擊后的過電壓特性，并計(jì)算幾種過電壓降低措施的效果，為該變電站的防雷保護(hù)提供選擇依據(jù)。全文研究包括三部分：第一部分是搭建模型，建立變電站雷電入侵模型，包括沖擊接地電阻、雷電波、輸電線路、桿塔、絕緣子閃絡(luò)模型，重點(diǎn)分析了絕緣子閃絡(luò)；第二部分是分析和計(jì)算，計(jì)算不同雷擊點(diǎn)、沖擊接地電阻、運(yùn)行方式和保護(hù)距離等因素對過電壓值的影響。著重計(jì)算電站設(shè)備最壞運(yùn)行方式下過電壓值的大小；第三部分是探索降低異常雷電過電壓的措施，選出適合的避雷設(shè)施減小變電站的雷電過電壓配置方法。2研究思路及計(jì)算模型2.1雷電入侵方式變電站可以通過使用避雷針和避雷針等措施大大減少其遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。通過使用避雷針和避雷針，變電站可以大大降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)。變電站被雷電破壞雷電侵入波占比很大。變電站入口距離輸電線路2km以內(nèi)，一般情況下，大于2km的輸電線路受到雷擊，對變電站設(shè)備不會造成損壞，因本文只對變電站入口段輸電線路進(jìn)行分析。進(jìn)線區(qū)段受到雷擊分為旁路雷擊和反雷擊兩種情況。110kVGIS變電站在進(jìn)線段，假設(shè)鐵塔的間距有400米，在2km距離就有5級鐵塔，計(jì)算出6號桿鐵塔為雷擊的偏遠(yuǎn)地區(qū)的位置。在電氣建模過程中，只有很小幅度的閃電可能會擊中電線，一旦雷電流的幅度達(dá)到一定值，閃電通常會擊中雷線、塔或地面，電線周圍很少發(fā)生雷電。本文需要分析塔周圍的雷電，尤其是1號塔。2.2雷電擊中位置實(shí)驗(yàn)假設(shè)變電站及1號至6號塔為一整體來進(jìn)行分析。1號塔距變電站最近，依次排列6號塔最遠(yuǎn)。假設(shè)當(dāng)繞線雷擊時，假設(shè)雷擊位置依次為1號塔至5號塔；當(dāng)線路反擊時，雷擊位置為塔，近區(qū)雷擊位置為1號至5號塔，遠(yuǎn)區(qū)雷擊位置為6號塔。如果雷擊位置較遠(yuǎn)，輸電線路會把雷電波傳變電站，受電暈、阻尼電阻等影響，雷電電流會大大減少。事實(shí)上，雷電可能襲擊任何位置，模擬實(shí)驗(yàn)需要分析雷擊到塔1-6的任何位置。2.3雷電流模型先導(dǎo)放電與主放電是雷雨地面閃的兩個組成。通常雷云會伴隨著絲狀放電，這些放電會向地球發(fā)展并持續(xù)地向下延伸，稱為先導(dǎo)放電。先導(dǎo)放電一般發(fā)生在主放電前。雙指數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鲊蒲腥藛T普遍采用的，公式如下：(2-1)上式2-1中，I0表示雷電流的最大值，α和β表示時間值，η表示校正參數(shù)，表示雷電電流減小階段，表示雷電電流增長階段。本文采用的雷電電流波形如圖2-1所示：圖2-1雷電電流波形圖從圖2-1分析，T1表示波頭時間，T2表示波頭和波尾時間。我國所采用的雷電電流的計(jì)算公式為：(2-2)其中I表示雷電流最大值；P表示出現(xiàn)最大值的可能幾率。在反擊情況下的雷電電流幅值一般取200kA，有3%的概率超過該值。本文以210kA為雷電流幅值。具有不規(guī)則的刷狀形狀特征是雷電先導(dǎo)過程里最典型的形狀特征，在雷電的先導(dǎo)階段，用彼得遜電路圖如圖2-2所示。其中Z0代表雷電形成的波阻抗，Z代表雷電擊中物體的波阻抗。 圖2-2雷電流彼得遜等值電路2.4輸電線路模型本文對變電站及其進(jìn)線區(qū)段進(jìn)行了整體研究，并對架空線路、避雷線、母線和設(shè)備之間的連接線進(jìn)行了建模。由于110kV電壓等級較高，線路單相雷擊的概率比三相雷擊的概率高，兩次雷擊對過電壓的計(jì)算影響較小，本文以單相雷擊進(jìn)行計(jì)算。2.5桿塔模型塔架的波阻抗直接影響雷電電流在塔架中的傳播過程和塔架內(nèi)部的電位分布，塔架頂部的電勢與塔架內(nèi)部的雷電電流的比是塔架波阻抗的值。我國和其他國家研究出不同的塔架模型，其中多波阻抗模型和單波阻抗模型使用的比較多，如下所示：（1）單一阻抗模型與集中式電感模型相比，它簡化了計(jì)算，但這種方法只對簡單結(jié)構(gòu)的塔架適用，當(dāng)塔架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度增加時，塔架不同部分的波阻抗并不相同，與單個波阻抗等效的誤差會相對較大。（2）多波阻抗模型多波阻抗模型，更加準(zhǔn)確的模擬了在塔中傳播的復(fù)雜波動的雷電波過程。更適合復(fù)雜線路大跨度、多塔的塔架模型。（3）本課題中桿塔的計(jì)算模型110kV雙回輸電線路的桿塔結(jié)構(gòu)如下圖2-3所示：圖2-3110kV雙回路輸電桿塔該桿塔的等值多阻抗模型如圖2-4所示：圖2-4桿塔等值波阻抗模型ZTK為主架部分波阻抗，其中k=1，2，3，4，其計(jì)算公式如式2-3所示：(2-3)hk為橫擔(dān)部分分離地面的高度，rek的計(jì)算公式如下2-4所示：(2-4)支架波阻抗ZLK如下2-5所示：(2-5)因?yàn)樗U左右兩邊結(jié)構(gòu)相同，采用分布參數(shù)進(jìn)行模擬，計(jì)算公式如式2-6所示：(2-6)塔架被雷電擊中，雷電電流沿各通道分流，傳播到達(dá)最近的塔架時會形成負(fù)反射，這種反射波進(jìn)入地面的作用類似于波的作用，也會降低塔架頂部的電壓。2.6避雷器模型氧化鋅避雷器最早起源于日本，因其重量輕、體積小，非線性伏安特性優(yōu)良，對電氣設(shè)備有很好的防護(hù)能力，被廣泛應(yīng)用于各種電壓等級的防雷中。建立模型，分析氧化鋅避雷器伏安特性。將避雷器的伏安特性的數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行對比，獲得伏安特性曲線。氧化鋅避雷器特性曲線如圖2-5所示。圖2-5氧化鋅非線性電阻片伏安特性2.7變電站內(nèi)部電氣設(shè)備模型（1）GIS計(jì)算模型110kVGIS變電站的變壓器與空氣接觸，充滿SF6的金屬外殼內(nèi)封閉了其余設(shè)備，內(nèi)部氣體的壓力是大氣壓的3倍多，使設(shè)備的絕緣性大大增強(qiáng)，并顯著減少占地面積。目前，GIS變電站由于占地面積小、故障率低，從而得到更多的應(yīng)用機(jī)會。110kVGIS變電站里面的母線封閉在充滿SF6氣體的金屬外殼內(nèi)，GIS外殼波阻抗可通過式2-7給出：(2-7)其中，r1和r2分別為內(nèi)導(dǎo)體的外徑和外殼的內(nèi)徑。εr為SF6氣體的相對介電常數(shù)，其值約等于1。（2）站內(nèi)電氣設(shè)備計(jì)算模型微觀來看，雷電波作用于設(shè)備時，就像雷電電流再給不同容量的電容器充電。我們可以使用等效沖擊電容來模擬主要設(shè)備雷電沖擊電流，不僅等效精確，還簡化計(jì)算。變壓器等值沖擊入口電容經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如式2-8所示：(2-8)其中，S表示變壓器容量，對于110k及以上電壓等級n=4。主要電氣設(shè)備沖擊入口電容如下表2-1所示：表2-1主要電氣設(shè)備沖擊入口電容設(shè)備名稱等值電容（pF）主變壓器5000斷路器800電流互感器400電壓互感器5000電纜終端500GIS出線套管1000（3）設(shè)備雷電沖擊絕緣水平變電站絕緣水平與設(shè)備過電壓水平有關(guān)，計(jì)算變電站雷電過電壓水平前，應(yīng)分析變電站的電流絕緣水平，110kVGIS變電站設(shè)備的雷電耐受水平如下表2-2所示：表2-2主要電氣設(shè)備雷電沖擊絕緣水平設(shè)備名稱雷電沖擊絕緣水平/kV（pF）主變壓器850CTV900GIS出線套管900電纜終端9002.8絕緣子閃絡(luò)模型（1）絕緣子串伏秒特性曲線XP-70陶瓷絕緣子常用于變電站進(jìn)線段。本文以該型號絕緣子伏秒特性參考式如式2-9所示：(2-9)（2）絕緣子閃絡(luò)判據(jù)絕緣子串的閃絡(luò)在不同施加波形下電壓也不同，一般使用沖擊伏秒特性表象絕緣子擊穿。常用三種的絕緣子閃絡(luò)判斷方法。首先是表壓法，這種方法在我國的工程應(yīng)用中經(jīng)常使用，通過將絕緣子的耐壓值與50%擊穿電壓進(jìn)行比較，當(dāng)耐壓值高于50%擊穿電壓時，絕緣子可能會發(fā)生閃絡(luò)。反之，如果耐壓值低于或等于50%擊穿電壓，通常情況下不會發(fā)生閃絡(luò)。二是基于引燃擊穿準(zhǔn)則，整個氣隙被放電通過時擊穿完成。第三種是絕緣子端電壓波形與伏秒特性曲線交叉，會發(fā)生擊穿，如果不交叉，就不會擊穿，將這種方法稱交叉法，它的局限性是忽略了雷電波尾。測量法和交叉法判斷絕緣子閃絡(luò)的原理圖如下圖2-6所示：圖2-6絕緣子閃絡(luò)判據(jù)圖上圖2-6中，利用測量法做為判據(jù)時，絕緣子閃絡(luò)為t1，判據(jù)為相交法時，絕緣子閃絡(luò)時刻為t2，很明顯它們是不相同的。上述方法有各具特點(diǎn)與不足，經(jīng)比較模型復(fù)雜度、精確度以及計(jì)算量等方面，最后使用交叉法。（3）絕緣子串上的過電壓在主雷電放電發(fā)生前，輸電線路確實(shí)處于地球和雷云之間的電場環(huán)境中。大多數(shù)雷電確實(shí)是負(fù)極性的，這意味著雷云中的電荷主要是負(fù)的。因此在負(fù)雷電的情況下，靜電感應(yīng)效應(yīng)會在距離頭部最近的一段電線上產(chǎn)生正極性感應(yīng)。主放電發(fā)生后，感應(yīng)產(chǎn)生的正電荷會迅速從結(jié)合狀態(tài)中釋放到末端。由于主放電過程非常短暫，快速釋放的結(jié)合電荷會產(chǎn)生較大的電流值，從而形成感應(yīng)雷電過電壓。雷擊電壓值可以取峰值之間的任意一點(diǎn)。綜上所述，絕緣子串過電壓包含雷電、感應(yīng)和頻率過電壓，是電壓在一起的疊加的綜合作用，公式如2-10所示：(2-10)Vtop(t)為雷擊過電壓，Vi(t)為感應(yīng)過電壓，Vf(t)為工頻過電壓。2.9本章小結(jié)本章著重分析和研究了模型各組成部分的構(gòu)建過程，包括饋線段、接地電阻、塔架、車站設(shè)備等。搭建了絕緣子閃絡(luò)模型，分析了絕緣子串過電壓情況，為后面章節(jié)的順利進(jìn)行做了前期準(zhǔn)備。3計(jì)算分析3.1變電站接線圖圖3-1為110kVGIS變電站接線示意圖3-1：圖3-1110kV變電站接線示意圖3.2雷擊點(diǎn)的影響變電站設(shè)備遭到的雷電波的大小和陡度與雷擊點(diǎn)的位置有很大關(guān)系。有些人認(rèn)為，最壞的情況是雷擊#1塔線路進(jìn)線端被反擊[23]，因雷擊點(diǎn)靠近變電站，雷電大部分傳播到了變電站，極易出現(xiàn)過電壓峰值，但這與中國變電站情況不同[24]。本研究對1#～6#塔雷擊進(jìn)行了綜合分析。為了簡化分析過程，在研究雷擊點(diǎn)對系統(tǒng)的影響時，我們只考慮了單線單變量這一種最為嚴(yán)重的情況，選擇仙木線-母線1-主變PT1運(yùn)行模式，根據(jù)公式（3-1），計(jì)算數(shù)據(jù)如表3-1所示：（3-1）表3-1雷擊點(diǎn)變化時過電壓計(jì)算數(shù)據(jù)（電壓/kV，電流/kA，下同）運(yùn)行方式落雷桿塔NS主變壓器避雷器電流CVTA1#1#2116064412.61310#3109662911.21222#4100158210.71160#59505569.41099#68905318.31019從表3-1中可以看出，1號塔遭到雷擊，塔桿離變電站越遠(yuǎn)，變電站設(shè)備的雷電過電壓就越小。3.3沖擊接地電阻的影響由于沖擊接地電阻影響過電壓值。通常電力行業(yè)沖擊接地電阻在5Ω到20Ω之間。本節(jié)研究探討接地電阻的影響，分別取6Ω、7Ω、8Ω、9Ω和10Ω，門塔接地電阻5Ω，雷擊點(diǎn)為#3塔，根據(jù)公式（3-2）所示：（3-2）：表示接地電阻：表示土壤電阻率計(jì)算結(jié)果如下表3-2所示：表3-2不同沖擊接地電阻情況下計(jì)算結(jié)果接地電阻CVT避雷器電流主變壓器NS69859.95437557109811.25788398120211.66059449127512.2622107510131112.76431161從上表的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，變電站設(shè)備上的過電壓隨塔架接地電阻的增大并呈現(xiàn)出增長的趨勢，同時流過避雷器的雷電沖擊電流也減小。接地電阻是雷電進(jìn)入地面后的所有通道，當(dāng)數(shù)值越小，進(jìn)入地面的分路元件越大，從而注入導(dǎo)線的元件越小，因此產(chǎn)生的過電壓就越低。3.4絕緣子閃絡(luò)時刻的影響由交叉法閃絡(luò)原理可知，絕緣子閃絡(luò)與時間有關(guān)，延遲時間與雷電波分量程正比例關(guān)系，時間延長過電壓就越大，嚴(yán)重危害變電站設(shè)備安全。對于110kV線路，考慮到線路上的實(shí)時電壓，其最大電壓波動幅度為15%，如下公式3-3所示：(3-3)從上式可以看出，絕緣子承受的中頻電壓分量的變化范圍為-207kV至207kV。考慮到計(jì)算數(shù)據(jù)量的大小，本研究僅考慮-207kV、0和207kV。（1）當(dāng)工頻電壓正峰值為v(t)=207kV時，絕緣子串閃絡(luò)時刻，如圖3-2中，圖3-2工頻電壓為正峰值時絕緣子串閃絡(luò)過程圖3-2中，橫坐標(biāo)表示時刻；縱坐標(biāo)表示過電壓。兩曲線相交的點(diǎn)是閃絡(luò)時刻點(diǎn)，對應(yīng)的時刻是t2=0.93μs。（2）當(dāng)工頻電壓零值為v(t)=0kV時，絕緣子串閃絡(luò)時刻，如圖3-3所示：圖3-3工頻電壓為零時絕緣子串閃絡(luò)過程圖3-3中，橫坐標(biāo)表示時刻；縱坐標(biāo)表示過電壓。兩曲線相交的點(diǎn)是閃絡(luò)時刻點(diǎn)，對應(yīng)的時刻是t2=0.97μs。（3）當(dāng)工頻電壓負(fù)峰值為v(t)=-207kV時，絕緣子串閃絡(luò)時刻，如圖3-4所示：圖3-4工頻電壓為負(fù)峰值時絕緣子串閃絡(luò)過程圖3-4中，橫坐標(biāo)表示時刻；縱坐標(biāo)表示過電壓。兩曲線相交的點(diǎn)是閃絡(luò)時刻點(diǎn)，對應(yīng)的時刻是t2=1.13μs。通過比較圖3-2、圖3-4，除了閃絡(luò)力矩點(diǎn)不同，波形幾乎一樣。說明，在波形峰值附近容易發(fā)生擊穿，閃絡(luò)時刻還受中頻電壓的影響。下面分析工頻電壓在v(t)=207kv、v(t)=0kv、v(t)=-207kv時設(shè)備的過電壓情況，根據(jù)公式（3-4），計(jì)算結(jié)果如表3-3所示。（3-4）表3-3工頻電壓對絕緣子串閃絡(luò)時刻及設(shè)備過電壓的影響工頻電壓NS主變壓器CVT避雷器電流2071188656132813.801161643131113.5-2071141633127513.1從計(jì)算結(jié)果得知，閃絡(luò)力矩被頻率電壓影響，但影響程度小于10%。因考慮雷電電流為計(jì)算值，沒有考慮工頻電壓為變電站雷電損傷的分析保留裕度，從而使計(jì)算變得簡潔。3.5主變側(cè)避雷器保護(hù)距離對主變過電壓的影響主變壓器與避雷器的距離為0在現(xiàn)實(shí)中并不常見，只用做數(shù)據(jù)對比。根據(jù)公式（3-5）分析不同距離避雷器中的電流和主變壓器過電壓。（3-5）如下表3-4所示：表3-4避雷器與主變電氣距離對主變過電壓的影響距離/m避雷器電流主變壓器012.5645511.16711010.8743159.78233011.89525011.51077709.611581008.81256無保護(hù)/1272表3-4數(shù)據(jù)顯示，隨著變壓器與避雷器之間距離的減小，避雷器對變壓器雷電過電壓的保護(hù)效果越好。當(dāng)變壓器與避雷器的距離太遠(yuǎn)時，無法取得保護(hù)電氣設(shè)備的作用。因此，選擇合適的安裝距離對變電站的安全運(yùn)行十分重要。3.6繞擊計(jì)算分析雖然線路安由避雷針，仍有極小概率發(fā)生雷擊繞行，繞行帶來的危害和后果非常大，輸電線路繞行的分析是非常必要的。rs是雷擊距離，其大小與雷電引燃電荷的分布、電位等值有關(guān)，但電荷分布對雷擊電流幅值大小的大小有決定性影響，因此雷擊電流幅值IL決定了雷擊距離的大小。打擊距離計(jì)算方法如公式3-6所示：(3-6)式中，hs為避雷器平均高度（m），hc為導(dǎo)線平均高度（m），θ為保護(hù)角。計(jì)算最大擊距rsm后，再根據(jù)前面3-2求出繞擊電流的臨界值。本文僅分析單線單變運(yùn)行方式，繞擊點(diǎn)則選取為#3、#4以及#6線路導(dǎo)線，接地電阻均為10Ω，根據(jù)公式3-7所示：（3-7）計(jì)算結(jié)果如表3-5所示：表3-5繞擊過電壓以及避雷器電流落雷導(dǎo)線主變壓器NS避雷器電流CVT#3625109910.81211#460210079.31103#65287027.2870通過對上述表的對比分析得知，繞擊發(fā)生時設(shè)備的雷電過電壓與反擊大致處于同一水平，繞擊比反擊略低，很容易因反擊而損壞，尤其是套管、CT和CVT等。因此，在設(shè)計(jì)變電站絕緣時，有必要包括輸電線路的反擊，并有針對性的選擇適合的避雷器配置方案。3.7本章小結(jié)本章以110kV變電站為主，將變電站及進(jìn)線段視為一體，在第二章所搭建模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算雷擊站內(nèi)設(shè)備過電壓的分布，為下一章制定防雷措施奠定基礎(chǔ)。本文圍繞避雷器與主變的距離、桿塔沖擊接地電阻、變電站的運(yùn)行方式等方面進(jìn)行了研究，雷電侵入變電站，得到雷擊過電壓幅值以及避雷裝置在變電站的不同位置的幅值。分析了繞擊，雖然繞擊事故在變電站出現(xiàn)的概率不大，但是繞擊一旦發(fā)生會給設(shè)備帶來很大的過電壓。研究了感應(yīng)過電壓，分析出了工頻電壓有正峰值、零值、負(fù)峰值的三種狀態(tài)，假如閃絡(luò)時刻越早出現(xiàn)，電壓在絕緣子串上產(chǎn)生的就越大，變電站的絕緣設(shè)計(jì)要考慮到絕緣子串出現(xiàn)閃絡(luò)過早現(xiàn)象，已達(dá)到預(yù)防雷擊事故的發(fā)生的目的。4防雷保護(hù)方案研究4.1保護(hù)方案計(jì)算分析避雷器的選置是變電站防雷的重要措施。選置避雷器的原則是安全裕度、經(jīng)濟(jì)性、減少浪費(fèi)、和降低過電壓。綜合考慮這些原則，可以合理選擇和配置避雷器，提高變電站的防雷能力。同時，避雷器的定期檢測和維護(hù)也是確保其有效工作的重要環(huán)節(jié)。對于GIS變電站，建議采用下列配置選項(xiàng)：（1）如果母線長度大于50m，建議避雷器加裝在變壓器旁；（2）如果母線長度小于等于50m，則將避雷器配置在GIS入口處；（3）如果母線距離超長，可在中間再增設(shè)避雷器。根據(jù)上面過電壓的計(jì)算和分析，結(jié)合變電站接線特點(diǎn)，擬定下列備選保護(hù)方案，如下所示：保護(hù)方案一：當(dāng)在主變壓器旁配置避雷器，其他設(shè)備特殊無防護(hù)。主變壓器作為最重要被優(yōu)先保護(hù)的設(shè)備，然后再考慮鄰近性的布局。根據(jù)公式4-1所示：（4-1）：表示導(dǎo)線高度:表示雷電電流幅值S：表示雷擊點(diǎn)距離經(jīng)計(jì)算，在這種情況下，部分設(shè)備過電壓大小計(jì)算如下表4-1所示：表4-1保護(hù)方案（1）設(shè)備過電壓結(jié)果運(yùn)行方式CVT避雷器電流主變壓器A0131112.5645A1134613.0658從表4-1可以看出，避雷器有效保護(hù)了主變壓器，其過電壓值在安全范圍。CVT等設(shè)備由于離避雷器較遠(yuǎn)，設(shè)備上的過電壓超出設(shè)計(jì)的安全范圍，就有可能被雷電損壞。保護(hù)方案二：在主變壓器和所有進(jìn)線入口處都安裝避雷器。根據(jù)公式4-2所示：（4-2）：表示導(dǎo)線高度:表示雷電電流幅值S：表示雷擊點(diǎn)距離經(jīng)計(jì)算，此方案的過電壓計(jì)算數(shù)據(jù)如表4-2所示。表4-2保護(hù)方案（2）設(shè)備過電壓結(jié)果運(yùn)行方式CVT主變壓器NSA1887612855A2895623861與保護(hù)方案一對比，增加避雷器后，母線上分布的所有設(shè)備的過電壓值都降低到了設(shè)計(jì)的安全范圍，此方案優(yōu)于方案一，可有效保護(hù)站內(nèi)設(shè)備。保護(hù)方案三：對保護(hù)方案二繼續(xù)優(yōu)化，在#3桿塔上、兩條母線交匯處加避雷器。根據(jù)公式4-1所示：（4-3）：表示導(dǎo)線高度:表示雷電電流幅值S：表示雷擊點(diǎn)距離經(jīng)計(jì)算，此方案設(shè)備過電壓情況如表4-3所示：表4-3保護(hù)方案（3）設(shè)備過電壓結(jié)果運(yùn)行方式CVT主變壓器NSA2793576668A3785578658相對于第二種保護(hù)方案，優(yōu)化后的措施設(shè)備的過電壓水平進(jìn)一步降低了，靠近母線中部的設(shè)備，如套管和電流互感器，過電壓水平顯著降低。該方案減小了雷擊損壞設(shè)備的可能性，但由于增加了避雷器的數(shù)量，投入的費(fèi)用和占用變電站的空間增加。4.2本章小結(jié)本章分析了變電站雷電過電壓保護(hù)方案，提出了三種防雷通過安裝避雷器的措施，經(jīng)過了計(jì)算對比。經(jīng)分析，方案一中避雷器僅有效保護(hù)了主變壓器，其他設(shè)備由于距離遠(yuǎn)，設(shè)備上的過電壓超出設(shè)計(jì)的安全范圍，有被雷電損壞的可能。方案二和方案三都可以有效保證設(shè)備安全，很明顯方案三的效果最好，但由于增加了防雷設(shè)備，工程造價(jià)成本比第二種方案高。如即要保證變電站安全，有受到造價(jià)成本制約的情況，選用方案二。如果不考慮成本，只為達(dá)到最安全的運(yùn)行方式，則采用第三種方案。5總結(jié)5.1結(jié)論本文以110kV變電站饋線段和變電站作為研究主體，詳細(xì)計(jì)算了雷電侵入波過電壓，對不同影響因素做了重點(diǎn)分析以及對保護(hù)方案的利弊對比，得出以下基本結(jié)論：（1）在最簡單的操作模式下，即當(dāng)進(jìn)線向變電站的一個主變壓器供電時，主變壓器和其他設(shè)備上的過電壓，復(fù)雜的布線比簡單的布線的過壓值小，適當(dāng)?shù)倪x用復(fù)雜線路，對設(shè)備安全有利。（2）當(dāng)塔架接地電阻的降低時變電站設(shè)備上的過電壓也隨之降低，避雷器的雷電沖擊電流隨之減少。雷電波進(jìn)入地面的分量較大，注入導(dǎo)體的分量較小，車站設(shè)備過電壓較低。因此可通過降低#2塔和#1塔的接地阻抗減小過電壓值。（3）110kV線路有較高的電壓等級，進(jìn)線段繞擊變電站損壞的比例較高。雖然繞雷電電流很小，但是電站設(shè)備過電壓值可能超過安全范圍，被損壞概率很大。在變電站防雷工程中，雷電侵入波對周圍的危害也在考慮范疇。最后，通過對本文的研究分析，為變電站防雷設(shè)計(jì)提出了保護(hù)方案，并分析了個方案的利弊，為變電站的防雷設(shè)備選型提供依據(jù)。5.2不足之處110kVGIS變電站的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相較于本文的計(jì)算模型要復(fù)雜許多。為了提升分析的便利性，我們在建模時做了許多簡化處理，如輸電線路沖擊電暈未納入考慮范圍。此外，變電站的運(yùn)行模式復(fù)雜且多變，無法對所有可能的運(yùn)行情況展開分析。最后，本文所提出的避雷器配置方案數(shù)量有限，在創(chuàng)新性方面還有待加強(qiáng)。PAGEPAGE12參考文獻(xiàn)[1]陳珩,電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M],北京,中國電力出版社,1995.[2]張緯鈸,過電壓防護(hù)及絕緣配合[M],北京,清華大學(xué)出版社,2022.[3]李景祿.高電壓技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2008,179-191.[4]張永記,司馬文霞,張志勁.防雷分析中桿塔模型的研究現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù),2006,32(7):93-97.[5]解廣潤.電力系統(tǒng)過電壓[M].北京:水利電力出版社,2021:120-152.[6]IEEEWorkingGrouponEstimatingLightningPerformanceofTrans-missionLines[J].ASimplifiedMethodforEstimatingPerformanceofTransmissionLines.IEEETran.2019,pas104(4):1254-1267.[7]IEEEGuideforImprovingtheLightningPerformanceofTransmissionLines[J].IEEEStd243-1997,2020.[8]HaraT,YamamotoO.Modelingofatransmissiontowerforlightning-surgeanalysis[J].IEEPGTD,2019,1