雷電波在電力系統傳播過程的響應特性范文

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摘要：雷電波是電力設備遭受的主要過電壓之一，雷電波以雷電流的形式在輸電線路中傳播，幅值較大的雷電流會對相鄰變電站的絕緣配合電磁兼容穩定帶來很大影響。統計表明，雷電過電壓是導致電力設備絕緣發生故障的主要因素之一，已成為電網安全運行不可忽視的重大威脅。研究雷電波在傳播過程中的響應特性對配置絕緣起著十分關鍵的作用。本文利用ATPEMTP軟件對變電站內的雷電波進行仿真，模擬了不同類型的原始雷電波作用、雷擊點不同、采集位置不同幾種情況下的雷電波形，分析了它們的波形特征。進而得到雷電波在電力系統傳播中的響應特性。

關鍵詞：雷電波；響應特性；ATPEMTP

0引言

隨著國民經濟的快速發展，電網建設也隨之加快，但我國幅員遼闊，能源分布極不均勻，2／3以上的水和煤資源都集中在西部地區，而負荷中心大多都覆蓋在相對發達的中東部地區，東西部距離太遠，發展長距離、大容量的特高壓輸電技術勢在必行。總結國內外的特高壓輸電運行經驗，雷擊引起的線路跳閘一直是影響特高壓電網發展的主要原因之一，從而影響了電網的安全穩定運行，給國民經濟和人民生活造成損害。在確定高電壓等級架空線路耐雷水平時，線路參數的頻變特性、沖擊電暈以及雷電波的實際波過程對于雷擊引起的電磁暫態過程的影響較大。因此，在配置電力系統各項的絕緣水平時，較為精確地掌握入侵電力系統內部的雷電過電壓水平及波形對合理選擇設備的絕緣配合十分關鍵。IEC規定的12／50μs標準雷電波是在不考慮波過程受變電站及電氣設備影響的情況下雷電引起暫態過電壓的代表波形，而實際工況下，有各種形狀的雷電波形存在，使用標準雷電波代替非標準波來評價、測試電力設備的絕緣特性存在種種問題。本文利用ATPEMTP電磁暫態軟件對侵入變電站的雷電過電壓進行仿真，研究不同類型的原始雷電波作用、雷擊點不同、采集位置不同幾種情況下的雷電波形，分析它們的響應特性。

1變電站雷電侵入波仿真模型

本文基于電磁暫態仿真軟件ATPEMTP對變電站雷電侵入波進行仿真，對輸電線路上發生反擊、繞擊的情況進行仿真，輸電線路采用JMARTI頻率特性架空線模型。全長10km，全線架設一回避雷線。模擬雷電波采用12／50μs雙指數波形，雷電通道波阻抗為300Ω，采樣頻率為200MHz。11桿塔及線路模型圖1為ATP環境下建立的輸電線路上的仿真模型，分別表示出了雷擊桿塔頂、雷擊輸電線路的情況，圖2為普通桿塔波阻抗模型。

12變電站仿真模型交流變電站的模型如圖3所示，變電站模型中，PT采用05nF的電容模擬其對暫態行波的作用，變壓器采用3nF的電容模擬變壓器入口電容。站內的母線及其它連線用分布參數模型模擬。

13絕緣子閃絡判據通過比較絕緣子串所加電壓和標準波形下的伏秒特性值對絕緣子閃絡進行判斷。如圖4所示，當絕緣子串上的過電壓波與伏秒特性曲線相交即可發生閃絡，當絕緣子串上的過電壓波與伏秒特性曲線不相交即不閃絡。

2變電站雷電侵入波的影響因素研究

21雷擊類型對侵入波形的影響雷電有多種方式在輸電線路上產生過電壓波形。根據雷電擊中輸電線路本體還是擊中輸電線路旁邊的大地，分為感應雷和直擊雷。其中，直擊雷又可以根據雷擊部位及絕緣子是否閃絡分為四種：反擊導線未閃絡，反擊導線閃絡，繞擊導線未閃絡，繞擊導線閃絡。（1）反擊導線未閃絡在雷擊桿塔未閃絡的情況下，施加雷電流幅值為－60KA，位置為桿塔頂部，取A相為故障相。圖5為在變電站進站處、母線、變壓器上測得的雷電波形。從圖中可以看出進站處的電壓幅值最大達到－570kV，到了變電站母線上有些衰減，最大值衰減為－410KV，到變壓器處時，變壓器上的幅值進一步衰減為－345KV，這是由于波在輸電線路傳播過程中由于導線電阻、大地、電暈等因素所產生的損耗引起波的衰減和畸變，使得侵入波幅值和陡度都有所下降。（2）反擊導線閃絡施加雷電流幅值為－75kA，位置為桿塔頂部，取A相為故障相。計算表明A相絕緣子在045μs左右被擊穿，絕緣子閃絡后，閃絡前通過避雷線和桿塔注入大地的雷云電荷一部分通過絕緣子注入導線，使得閃絡相的電位抬升，電流增加。圖6為在變電站進站處、母線、變壓器上測得的雷電波形。從圖中計算可得，進站處的電壓波形在13μs左右大幅增加，相比絕緣子串的閃絡時間有所延遲，因為波形在進線段傳播有所衰減，幅值變化相對緩慢。同樣的，從進站處到母線再到變壓器入口處，電壓最大幅值從－2000kV衰減到－900kV再到－380kV。但總的來說，幅值在波頭都有所抬升。圖6反擊導線閃絡時變電站進站處、母線、變壓器上測得的雷電波形（3）繞擊導線未閃絡直接繞擊導線的情況下，雷云電荷直接注入導線，大量負極性電荷注入，使得導線上形成與雷電流波形相似的過電壓波形。模擬繞擊導線絕緣子未閃絡，施加雷電流幅值為－9kA，擊中A相，在進站處采集電壓波形如圖7所示，計算可得波頭時間為01μs，比標準波小。（4）繞擊導線閃絡施加雷電流幅值為－20kA，擊中A相，模擬繞擊導線閃絡，圖8為進站處電壓波頭展開圖。計算得到25μS時，絕緣子串閃絡，行波電壓幅值迅速降低，這也是與未閃絡不同的地方。這是由于絕緣子閃電氣技術與經濟?研究與開發絡后，導線上電荷主要經過絕緣子電弧通道流入大地，因此導線上的電壓降低了。波頭時間為01μS，比標準波小。

22雷擊地點對侵入波的影響（1）近區反擊雷和遠區反擊雷的波形對比分別取距離變電站300m和2km處為落雷點，模擬近區雷和遠區雷。

23行波在輸電線路上的傳播對侵入波的影響電壓行波在輸電線路上傳播會發生損耗，導致行波衰減，為闡述電壓行波在輸電線路傳播過程中的衰減和畸變過程，對該過程進行了仿真。當A相遭受－20kA雷電繞擊后，距雷擊點600m，1km及進站處的電壓行波仿真結果如圖11所示，分別以紅色、綠色、藍色波形表示。計算表明，電壓行波傳輸到變電站入口處時，行波幅值衰減為將近原始行波的一半，波頭時間增加，波尾變緩。進一步驗證了行波在輸電線路中傳播有較大的衰減和畸變，與標準雷電波差異較大。研究表明，由于進線段衰減、站內折反射、變壓器繞組諧振以及站內存在LC振蕩回路等原因，電力設備上遭受的真實雷電侵入波并不是12／50μS的標準雷電波形，而呈現振蕩波形，這對變電站設備的絕緣擊穿是有很大影響的，遠遠超過了標準雷電波的影響。

3結束語

本文通過ATPEMTP暫態仿真軟件對變電站內的雷電波進行仿真，模擬了不同類型的原始雷電波作用、雷擊點不同、采集位置不同幾種情況下的雷電波形，分析了它們的波形特征。得出如下結論：（1）影響變電站侵入波波形的因素主要有雷擊類型、雷擊地點、行波在輸電線路上的傳播。（2）在雷擊類型方面，雷電繞擊（包括絕緣子閃絡和未閃絡）和雷電反擊造成絕緣子閃絡都會在導線上產生幅值較高的過電壓行波。反擊波形幅值大于繞擊波形幅值。（3）雷電過電壓行波在輸電線路的傳播過程中，幅值會發生衰減，且由于高頻分量衰減速度高于低頻分量，導致雷電過電壓波形變緩，即波頭、波尾時間增長。（4）仿真波形與實測波形對比波形近似，這就為雷電過電壓研究分析提供了依據。

作者：劉雨晴 單位：眉山市彭山供電分公司