电力系统雷电过电压防护综述1

1雷电过电压研究及防护摘要：雷电过电压对电力系统破坏是非常严重的，雷电放电的危害形式主要有直接雷击、感应雷击、雷电过电压侵入、反击。对于输电线路的防护我们通过安装避雷器、避雷线、降低接地电阻、架设耦合地线的方法降低雷击概率；对于变电站我们可以通过采取进线段保护和侵入波保护的方法减小雷击对电站带来的危害；目前一般采用电磁仿真软件ATP-EMTP和PSCAD/EMTDC对输电线路和变电站进行防雷性能的分析，并给出合理的建议。关键词：雷电过电压；雷电保护；电磁仿真软件0引言雷电是大气中集声、光、电、热极为壮观的自然现象，它对人们的生活、生产有着重大影响作用。但是，在现代生活中，雷电也给人类各行各业带来巨大的危害。据美国的保守估计，主要由于雷电冲击导致计算机网络系统失效或损坏，平均每年约占全部故障的。据我国一些省市统计，因雷害作用，电子设备的直接损失约占雷电灾害总损失的80%。输电线路的电压等级越高，遭受自然雷害的几率也随着增加。雷云放电一般经过三个过程先导放电阶段、主放电阶段、余光放电阶段。主放电阶段存在时间极短，电流极大，可达数十乃至数百千安，这个时间造成的危害是巨大的。雷电的危害一般分为直击雷和雷电感应。直击雷击中人体、建筑物、设备时，会产生巨大的光和热，强大的雷电流转变为热能。雷电流在闪击中直接进入金属管道或导线时，它们沿着金属管道或导线可以传送到很远的地方。除了沿管道或导线产生的电或热效应，破坏其机械和电气连接之外，当它侵入与此相连的金属设施或用电设备时，还会对金属设施或用电设备的机械结构产生破坏作用，并危及有关操作和使用人员的安全。直击雷或感应雷都可能使导线或金属管道产生过电压。这种过电压沿着导线或金属管道从远处雷区或防雷保护区域之外传来，侵入建筑物内部或设备内部，而使建筑物结构、设备部件损坏或人员的伤亡。同时，当雷电击中到建筑物时，雷电流幅值大，波头陡度高，雷电流流过时也会使接地引下线和接地装置的电位骤升到上百千伏，有可能会将工作接地引入反击电流，造成人身和设备雷击事故。因此，如何切实有效地制定及改善输电线路和变电站的防雷措施，已经成为确保电力系统安全、可靠、稳定运行的重要工作之一。本文分别从输电线路防雷和变电站防雷的方法进行了简单的介绍，希望对输电线路和变电站防雷设计提供参考。1输电线路的防雷措施目前在防雷工作方面，人们主要是通过架设避雷器、架设避雷线、降低杆塔接地电阻，提高绝缘水平、安装一系列的其他保护装置以及选择适合中线点的接地运行方式等。1.1安装避雷器输电线路是通过采用架设避雷器的办法，可以在当雷电击中线路时将一部分雷电电流通过雷电杆塔将其引入大地，从而达到对输电线路保护的效果。而且如果线路中有较大的雷电电流流过时，通过采用架设避雷器的办法，还可以达到对雷电电流进行分流的效果，大量的雷电电流被引入到地下。考虑经济因素的影响，在确保一定耐雷水平的前提下，往往没有必要在所有相都安装避雷器，对于文献[1]中根据220KV同塔双回路的建模分析得出，考虑单相、两相、三相和四相的耐雷水平，两相安装时均应选取在中层安装这种形式。1.2降低接地电阻对于不同的电压等级，输电线路杆塔的接地电阻大小都有严格规定。在高电阻率地区，我们还需要通过接地电阻降阻剂、爆破接地技术、多支外引式接地装置、伸长水平接地体的方法来降低接地电阻；通过降低接地电阻可以提高线路耐雷水平、降低雷击跳2闸率。目前的大部分文章都忽略土壤电参数随频率变化的规律，假定土壤电阻率和相对介电常数保持不变。在文献[2]中计及土壤电导率和相对介电常数的真实变化，会使计算得到的冲击接地电阻值降低到10%到30%。1.3架设避雷线架空送电线着雷时，可能打在导线上，也可能打在杆塔上。雷击导线时，在导线上将产生远高于线路额定电压的所谓“过电压”，有时达几百万伏。它超过线路绝缘子串的抗电强度时，绝缘子将会出现闪络，这时往往会引起线路的跳闸，甚至造成停电事故，避雷线可以遮住导线，使雷尽置落在避雷线本身上，并通过杆塔上的金属部分和埋设在地下的接地装置，使雷电电流流入大地。雷击杆塔或避雷线时，在杆塔和导线间的电压超过绝缘子串的抗电强度时，绝缘子串也1.4架设耦合地线配电线路防雷主要针对感应雷过电压，而架设耦合地线不仅能适当分流直击线路时的雷电流，还能耦合感应雷电流，明显降低线路上的感应雷过电压，提高配电网的防雷能力。对于配电线路中常见的单回三角排列线路，架设单耦合地线可降低线路上的感应雷过电压20%～30%，架设双耦合地线时可降低线路上的感应雷过电压30%～40%。对于220KV同塔双回输电线路耦合地线的最佳架设位置为下层横担与塔身交点处。1.5加强线路绝缘输电线路中个别大跨越的高杆塔地段（如跨越大江）落雷机会增多；塔高等值电感大，塔顶电位高；感应过电压高和绕击率高等因素增大了线路雷击跳闸率。为了降低跳闸率，可采用在特高杆塔上增加绝缘子片数（塔高超过40m)、增大跨越档导线与地线间的距离和改用大爬距悬式绝缘子等措施加强线路绝缘。1.6采用不平衡绝缘方式不平衡绝缘方式主要用于现代高压和超高压线路中日益增多的双回线路，此类线路如果采用通常的防雷措施不能满足要求，则可以采用不平衡绝缘方式来降低双回路雷击同时跳闸率。原则就是使两个回路的绝缘子片数有差异，当有雷击时，绝缘子片数少的回路先闪络，闪络后的导线相当于地线，增加了对另一回路导线的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平使之不发生闪络，以保证另一回路继续供电。但是当雷电流很大时，该方法仍不能完全保证两回路不同时跳闸，不能消除两回路同时跳闸造成停电的故障。2变电站防雷变电站遭受的雷击主要有两个方面：一是雷直击在变电站的电气设备上；二是架空线路的感应雷过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。变电站按照绝缘方式分为三种：敞开式（AIS）、SF6绝缘式（GIS）和混合绝缘式（HGIS）。GIS变电站具有占地面积小、运行可靠性高、不收环境干扰等优点，500KV的变电站一般广泛采用GIS绝缘方式，三者的保护方法基本一致。2.1变电站的直击雷防护对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。避雷针（线）比被保护物高，能将雷电从被保护物上方吸引到自身并安全泄入大地，从而保护设备；35KV及以下配电装置的绝缘较弱，所以其构架或房顶上不宜装设避雷针，需要架设独立避雷针，并满足不反击的要求。及以上配电装置，由于电气设备的绝缘水平较高，在土壤电阻率不高的地区不易发生反击，因此一般允许将避雷针装设在配电装置的构架上；为了防止当雷击避雷针或避雷线时，对被保护3设备的反击。对于110～500kV变电站，相应构架与导线之间的空气间隙应与构架上悬挂的绝缘子串的长度相当。2.2变电站侵入雷电流波的保护变电所中限制雷电侵入波过电压的主要措施是装设避雷器，在避雷器动作后，可意将侵入波的幅值加以限制，使变压器受到保护。如果三台避雷器分别直接连接在变压器的三个出线套管端部，只要避雷器的冲击放电电压和残压低于变压器的冲击绝缘水平，变压器就得到可靠的保护。对避雷器的要求有以下两点在一切电压波形下，避雷器的伏秒特性均在被保护绝缘的伏秒特性下它的伏安特性应保证其残压均低于保护绝缘的冲击绝缘强度。如果被保护设备就挂在与避雷器连接线路一点上，并且避雷器只要满足以上两个要求，就能有效地发挥它的保护作用。2.3变电站进线段保护变电站的进线段保护是对雷电侵入波保护的一个重要辅助措施，就是在临近变电所一的一段线路上加强防护。进线段保护的作用在于限制流经避雷器的雷电流幅值和侵入波的陡度。变电所进线段的耐雷水平值和保护角角度（小于20°，最大不能超过30°），分别用来减少反击和绕击的概率。变电站进线段保护的作用是将雷击点推到远处，也就是雷击过电压波从进线段以外传过来，流经进线段时，会因冲击电晕发生变形和衰减，使波前陡度和幅值降低，同时流经避雷器的冲击电流幅值也得到了限制。3.电磁仿真软件EMTP模型搭建3.1雷电模型雷电流模型主要包括雷电流的极性、雷电流波形、雷电流幅值、雷电通道波阻抗。雷电流负极性所占的比例一般到75%~90%之间，所以一般模型都是选取负极性进行仿真分析；波形都采用双指数波形进行判断，我国防雷设计标准按照取2.6/50us，波阻抗一般都在300Ω到500Ω之间。3.2绝缘子串的闪络模型一般闪络模型.采用的是将绝缘子串间隙50%冲击放电电压（%50U）作为标准，雷击时，通过绝缘子承受的电压与%50U进行比较；这种弊端是绝缘子串间隙50%冲击放电电压一般是固定值，实际的闪络电压是受绝缘子串两端电压以及绝缘子串的U-t特性曲线共同影响的，所以应该采用后者。3.3杆塔及线路模型EMTP程序中输电线路的模型主要有结构模型、Bergeron模型及频率相关的分布参数线路J.Marti模型。由于输电线路的雷击响应为微秒级别的暂态过程，该过程涉及输电线路在频域内的响应，故在EMTP中采用J.Marti模型模拟架空输电线路。杆塔模型采用多波阻抗模型，它能够更为准确地反映行波在杆塔内以及杆塔接地点处的折反射过程，且被现场试验所验证。3.4避雷器的计算模型以前都使用碳化硅避雷器，但由于它的放电电压分散性大，安全性能较差，使用寿命短等缺点已经被氧化锌避雷器代替。氧化锌避雷器实质是一种非线性电阻阀片，对氧化巧避雷器的伏安特性描述效果最好的方法是分段指数化法。分段指数化法将避雷器的伏安特性分成若干段，每段分别用指数函数来模拟。每段电压电流关系式如下：qrefuupi4P、q是常数；q一般取20~30；refu为雷器的参考电压，通常取额定电压的两倍或接近于两倍的值。3.5变电站内电气设备的计算模型及其雷电冲击绝缘水平在对雷电侵入波的仿真计算和绝缘配合研究中，通常不需要考虑变压器上的过电压传递，只需用入口电容来模拟变压器。对于隔离开关、断路器、互感器等其它站内电气设备都可用冲击入口电容标准值来代替。设备的雷电冲击绝缘水平是一个很重要的参数，在确定变电站雷电冲击绝缘水平的时候通常以电力变压器的绝缘水平为标准。然后，参照变压器再确定其他设备的绝缘水平。另外，在确定设备绝缘水平时必须4模型的仿真分析4.1雷击点对过电压水平的影响变电站的进线段指离变电站2km内的输电线路，对500kV变电站，一般有6基杆塔，雷击点距变电站越远，产生的过电压就越小。一般认为雷击杆塔#2杆塔塔顶时，设备上的过电压水平最高。4.2变电站运行方式对过电压水平的影响正常运行的变电站一般有多台变压器，多条母线和多条输出线路。当运行出现故障或者检修时，变电站的运行方式会发生改变，进而会改变站内的电气特性，电气特性的改变会对站内设备上的过电压产生影响。一般选择过电压最严重的运行方式——单线单母单变来进行仿真分析。4.3主变侧避雷器的保护距离研究变压器作为变电站最重要的电气设备，必须对其进行很好的保护。对GIS变电站，变压器与GIS若经架空线连接，其上过电压水平偏高。研究主变与避雷器的电气距离对主变雷电过电压水平的影响，以便确定主变上避雷器的最佳安装地点。在实际工程中，要尽量靠近主变安装避雷器。4.4杆塔接地电阻对过电压水平的影响杆塔接地电阻能很灵敏地反映出站内设备上过电压的变化。本节主要考察杆塔接地电阻不同时，设备上雷电过电压的变化规律。巧塔的接地电阻值一般为6－25Ω，终端口型构架的接地电阻比较小，一般不大于7Ω。随杆塔冲击接地电阻增加，主变压器过电压增加，若无法降低杆塔的冲击接地电阻，可通过其他方法比如增加一个MOA来保护主变。4.5工频过电压对过电压水平的影响对于某一相进行仿真时，工频电压都是以余弦的方式线性发生变化的，在不同的工频相角下，变电站内各个设备上的过电压幅值是不同的。各设备上出现的过电压最大值并不一定发生在工频电压处于负半周时，因为过电压幅值还与绝缘子串闪络的时刻有关。5结论雷电流过电压对输电线路和变电站的安全运行造成了很大的威胁，我们可以通过安装保护装置加强对设备的保护，并通过电磁仿真软件来更加精确、经济、安全对保护装置进行安装与运行。参考文献[1]李景丽．耦合地线、避雷器对输电线路耐雷水平的影响分析[J]．电