摘要: 随着海拔的升高，绝缘子放电电压随之下降，为了弥补绝缘子放电电压下降引起的线路绝缘水平下降，一般采取增大线路绝缘子爬距的措施，但是变电站和输变电设备的绝缘水平无法调整。针对此种情况，本文以木里500kV GIS变电站及其500kV出线为例，建立了基于ATP程序的仿真计算模型，同时根据DL/T620-1997提供的公式对绝缘子放电电压进行海拔校正，研究当输电线路调爬后，雷电侵入波在变电站电气设备上产生的过电压和过电流，并分析对变电站绝缘配合的影响。研究表明，当在1号杆塔绝缘子片数增至31片，其他各塔绝缘子片数增至40片，不会对该变电站绝缘配合构成威胁。

　　关键词：高海拔;线路调爬;雷电侵入波;绝缘配合

　　高海拔地区空气污染虽然不如平原地区严重，但自然污秽和局部的工业污秽对电气设备外绝缘的影响仍不可忽视。绝缘子在高海拔地区大气参数的作用下，其外绝缘特性将发生显著变化，随着海拔的升高，其放电电压随之下降。

　　近几年来，由于受低气压和污秽等影响，线路的跳闸率居高不下，考虑到绝缘子放电电压的下降，为了保护线路，必然加强线路的绝缘水平。目前普遍采用的措施是调整线路绝缘子的爬距。通常500kV线路中悬垂绝缘子串的绝缘子片数不少于25～28片[1]，而工程中为了提高线路绝缘，往往增加绝缘子片数，有些地区甚至增加到40片。

　　线路绝缘的加强，可以提高线路安全运行的可靠性，但是变电站和输变电设备的绝缘水平无法调整。当雷电侵入波升高后，可能会对变电站内的绝缘配合造成威胁。因此本文以木里500kV GIS变电站为例，通过建立基于ATP的系统模型，同时考虑高海拔地区大气参数对线路绝缘子放电电压的影响，研究了调整线路爬距后，雷电侵入波在变电站电气设备上产生的过电压和过电流，找出过电压的分布和变化规律以及对变电站绝缘配合的影响，对防护雷电过电压、保护电气设备提供有价值的参考依据。

　　1 加强线路绝缘对变电站影响

　　调爬后线路绝缘水平加强，线路反击耐雷水平提高，反击概率随之减小。随着绝缘子片数的增加，串长增大，保护角随之减小，小电流绕击概率可能会下降。这些都有利于系统的安全运行。

　　变电站进行绝缘配合时，要考虑绝缘类型及其特性、性能指标、过电压幅值及其分布特性、大气条件等因素。对于雷电冲击耐受电压，的惯用值为：。变压器为变电站内的关键设备，因此在进行绝缘配合时，都是以变压器为核心进行的，即是指变电站内变压器内、外绝缘的全波额定雷电流冲击耐压与避雷器标称放电电流下残压的比值[2]。

　　雷电过电压下避雷器的配合电流都是考虑当变电站遭受雷电侵入波时流过避雷器的电流，而侵入波的幅值又由线路绝缘子串的冲击强度决定。在线路爬距增大后，侵入变电站的雷电波幅值将会有所增大，流过避雷器的雷电流增加。若流过避雷器的电流未超过其原来的配合电流，绝缘配合系数就仍保持着原有的水平，一旦流过避雷器的雷电流大于其标称放电电流时，将会使原有的绝缘配合系数降低，甚至因为避雷器的通流容量不够而导致避雷器损坏，危及站内设备。

　　2.海拔校正系数

　　高海拔地区大气参数对电气设备外绝缘的影响是一个极其复杂的问题，多年来，世界上许多国家对此一直进行试验研究。

　　IEC的标准校正方法和国标GB311.2-83校正方法中，湿度参数均选择了绝对湿度，但在处理湿度对放电电压的影响上，又与空气密度分开。GB311.1-83的方法校正是以海拔高度1000m为基准，是通过对相对空气密度、绝对空气湿度和温度随海拔高度的变化规律所做的初步统计分析得到，其变量为海拔高度，但是不同地区同一海拔高度的大气参数差异较大，对其电气设备的外绝缘放电电压的影响也不相同[3]。而DL/T620-1997是以大气参数为变量进行校正，更符合高海拔地区放电过程的变化规律。因此本文选择DL/T620-1997推荐的海拔校正公式。

　　根据DL/T620-1997中规定,外绝缘所在地区气象条件异于标准气象条件时,放电电压可按式1校正[1]:

　　(1)

　　式中：—标准气象条件下绝缘放电电压,kV;

　　—实际放电电压,kV;

　　—相对空气密度,标准气象条件下为1;

　　—空气湿度校正系数;

　　—指数,与绝缘长度有关。

　　通过计算，木里变电站进线段平均高度约为2700m，海拔校正系数约为1.382。

　　3 仿真模型的建立

　　3.1电气概况

　　木里500kV GIS变电站采用3/2接线方式，本期工程有2台主变，2回出线，总共四个非完整串。主变采用敞开式氧化锌避雷器，出线采用敞开式氧化锌避雷器。

　　变电站投运的进线越多，主变、断路器越多，即投入电容越大，则雷电过电压越低。考虑最严重的情况，本文仅考虑单线单变运行方式。

　　3.2雷电侵入波模型

　　由于雷电侵入波的幅值受线路绝缘水平的限制，其幅值不会超过绝缘子串的50%冲击放电电压。国内外实测表明：75%～90%的雷电流是负极性的，并且负极性的冲击过电压沿线路传播的衰减小,因此电气设备的防雷保护中一般均按负极性分析研究[4]。绝缘子串湿闪电压小于干闪电压，从严考虑，雷电侵入波幅值取绝缘子串的负极性雷电冲击干闪电压。

　　本次计算选取的绝缘子型号为XWP2-160，其单片长度为155mm，两端的连接金具长度按335mm考虑。绝缘子串负极性雷电冲击干闪电压与绝缘子串长的关系,基本上呈线性增长的关系[5]，如式2所示：

　　(2)

　　雷电波采用ATP中的Heidler type，IEC1312-1中推荐采用此雷电解析表达式，波形为2.6/50μs，模拟表达式为：

　　(3)

　　在ATP仿真时，可直接输入波头时间、波尾时间和峰值。

　　3.3输电线路模型

　　在高压输电线上单相雷击占大多数，故仅考虑单相负极性雷击。

　　站外的架空线采用ATP中的LCC模型，站内母线和连线较短，可忽略其相互之间的耦合，采用单相Clarke模型。

　　3.4避雷器模型

　　金属氧化物或氧化锌避雷器是一种高度非线性的

　　图1 系统仿真模型图

　　电阻，在陡波电流下，其阀片相当于一个极高阻值的非线性电阻与电容器的并联，当加于阀片的电压低于某一临界值时，阀片相当于极高阻值的电阻，即在正常电压范围内它的斜率几乎为无限大。而在较高电压时，阀片在过电压保护范围内的斜率几乎是零。避雷器的这种非线性特性可以用指数函数描述，其电流电压之间的关系服从下述规律：

　　(4)

　　式中的p、q和uref是常数;uref为参考电压，通常取额定电压的两倍或接近于二倍的值;q的典型值为20～30[6]。一般难以用一个指数函数来描述整个范围内的特性，因此，ATP中将电压范围分成几段，每一段有其自己的指数函数，即采用分段指数模型来模拟。

　　3.5变压器、断路器、互感器、隔离开关等电气设备的模型

　　因为雷电侵入波等值频率较高，维持时间很短，通常10μs左右即可算出最大过电压幅值。变压器绕组的入口电容等于绕组每单位长度的对地自电容和每单位长度的纵向互电容的几何平均值。一般随变压器容量增大而增大，约在500～5000pF的范围内。

　　其他电气设备，例如断路器，隔离开关，电磁式和电容式互感器等，在雷电波作用下，均可等值成冲击入口电容[6]，它们之间采用Clarke模型的分布参数线段相连。

　　根据以上模型建立的系统仿真图如图1所示。

　　4仿真计算及分析

　　实际工程中若在变电站2km外线路上落雷，由于进线段的作用，雷电波侵入到变电站后幅值和陡度都会大大减小，一般不会对变电站内绝缘配合构成威胁。因此，计算雷电过电压时，一般仅考虑距变电站2km以内进线段的落雷情况。本站500kV出线进线段有6基杆塔，所以本文仅考虑1～6号杆塔的落雷情况。

　　因为本期有两变两线，故分别计算了四种单线单变运行方式，此时1～6号杆塔绝缘子片数为30片，雷击在1号杆塔，计算结果如表1所示。

　　表1 各种运行方式下，各设备上的过电压

　　和避雷器上的电压、电流及吸收能量

　　运行

　　方式

　　电气设备上最大过电压(MV)

　　避雷器

　　T

　　PT

　　CVT

　　BG

　　M

　　U(MV)

　　I(kA)

　　W(kJ)

　　T1+L1

　　1.2055

　　1.1273

　　1.1065

　　1.1303

　　1.1324

　　0.998

　　18.261

　　1034.1

　　T1+L2

　　1.2041

　　1.1242

　　1.1103

　　1.1259

　　1.1292

　　0.99776

　　18.208

　　1032.9

　　T2+L1

　　1.2082

　　1.1344

　　1.0831

　　1.1303

　　1.1357

　　0.99837

　　18.34

　　1034.8

　　T2+L2

　　1.2098

　　1.1297

　　1.1229

　　1.1357

　　1.1382

　　1.008

　　18.383

　　1036

　　由表1中数据可以看出，2号主变和出线Ⅱ投运时，流过避雷器上的过电流最大，各设备上过电压最严重。因此，以下计算均以此种运行方式为例。

　　表2 增加绝缘子片数后，各设备上的过电压

　　和避雷器上的电压、电流及吸收能量

　　雷击杆塔

　　电气设备上最大过电压(MV)

　　避雷器

　　T

　　PT

　　CVT

　　BG

　　M

　　U(MV)

　　I(kA)

　　W(kJ)

　　T2+L2，绝缘子30片，雷电侵入波幅值2.042MV

　　1

　　1.2098

　　1.1297

　　1.1229

　　1.1357

　　1.1382

　　1.008

　　18.383

　　1036

　　2

　　1.0605

　　1.0265

　　1.0228

　　1.0148

　　1.0275

　　0.9623

　　10.491

　　589.16

　　3

　　0.96121

　　0.92737

　　0.9143

　　0.91665

　　0.92803

　　0.8736

　　7.812

　　444.39

　　6

　　0.85639

　　0.84182

　　0.84635

　　0.84778

　　0.8424

　　0.8163

　　6.3624

　　304.48

　　T2+L2，绝缘子31片，雷电侵入波幅值2.104MV

　　1

　　1.2293

　　1.1366

　　1.115

　　1.1487

　　1.1388

　　1.0032

　　19.394

　　1141.2

　　2

　　1.0676

　　1.0441

　　1.0416

　　1.0319

　　1.0451

　　0.96563

　　11.224

　　635.47

　　3

　　0.97326

　　0.94204

　　0.92914

　　0.93149

　　0.94264

　　0.88581

　　8.1217

　　444.39

　　6

　　0.86768

　　0.85164

　　0.85633

　　0.85835

　　0.85225

　　0.82496

　　6.581

　　325.49

　　T2+L2，绝缘子32片，雷电侵入波幅值2.165MV

　　1

　　1.2448

　　1.1477

　　1.1242

　　1.1583

　　1.149

　　1.0087

　　20.598

　　1250.6

　　2

　　1.0698

　　1.0645

　　1.0576

　　1.053

　　1.0655

　　0.96855

　　11.858

　　683.77

　　3

　　0.98482

　　0.95647

　　0.94373

　　0.94615

　　0.95712

　　0.89787

　　8.4269

　　511.31

　　6

　　0.87907

　　0.86152

　　0.86592

　　0.86854

　　0.8621

　　0.83339

　　6.7946

　　346.45

　　表2为当1～6号杆塔绝缘子片数调整为30、31、32片时电气设备上的过电压避雷器上电压、电流及吸收能量，从表可知：

　　(1)雷击点越靠近变电站，雷电过电压、过电流幅值越大。这是由于雷电侵入波在沿输电线路入侵的过程中，幅值和陡度都会不断衰减，雷击点越远衰减越大。

　　(2)随着绝缘子片数的增加，变电站内各设备的过电压和流过避雷器的过电流也随之增大。

　　(3)主变采用氧化锌避雷器，额定电压420kV，标称放电电流20kA，2ms方波电流2000A，通流实验单次吸收能量为3718.3kJ。出线采用氧化锌避雷器，额定电压444kV，标称放电电流20kA，其2ms方波电流2000A，通流实验单次实验吸收的能量约为3928.8kJ。

　　雷击1号杆塔时，当绝缘子片数为31片，避雷器吸收的最大能量为1141.2kJ，小于避雷器2ms方波的极限通流能力，避雷器上的过电流未超过20kA的标称放电电流;当绝缘子片数增至32片，避雷器吸收的最大能量为1250.6kJ，小于避雷器2ms方波的极限通流能力，但是避雷器上的过电流超过了20kA的标称放电电流。

　　雷击2～6号杆塔时，当绝缘子增至32片，避雷器吸收的最大能量为683.77kJ，小于避雷器2ms方波的极限通流能力，避雷器上的最大过电流为11.858kA，未超过20kA的标称放电电流。

　　综合考虑，当1号杆塔上的绝缘子超过31片时，原有绝缘配合系数降低，变电站内设备安全受到威胁，但2～6号杆塔增加绝缘子后，产生的过电压和过电流还比较低，可适当再增加绝缘子，因此后面的计算仅考虑增加2～6号杆塔上的绝缘子。

　　表3增加绝缘子片数后，各设备上的过电压

　　和避雷器上的电压、电流及吸收能量

　　雷击杆塔

　　电气设备上最大过电压(MV)

　　避雷器

　　T

　　PT

　　CVT

　　BG

　　M

　　U(MV)

　　I(kA)

　　W(kJ)

　　T2+L2，绝缘子39片，雷电侵入波幅值2.597MV

　　2

　　1.1123

　　1.1895

　　1.0993

　　1.1831

　　1.1908

　　0.99339

　　17.26

　　1140.3

　　3

　　1.0741

　　1.0532

　　1.0395

　　1.0376

　　1.0539

　　0.96507

　　11.101

　　789.98

　　6

　　0.95322

　　0.93318

　　0.93316

　　0.93823

　　0.93402

　　0.8931

　　8.3063

　　518.49

　　T2+L2，绝缘子40片，雷电侵入波幅值2.659MV

　　2

　　1.1303

　　1.2058

　　1.1092

　　1.1922

　　1.207

　　0.99702

　　18.048

　　1223.4

　　3

　　1.0919

　　1.0595

　　1.0467

　　1.0441

　　1.0604

　　0.96749

　　11.628

　　835.62

　　6

　　0.96695

　　0.9427

　　0.93899

　　0.94692

　　0.94362

　　0.9123

　　8.5121

　　545.42

　　从表3可以看出，雷击2～6号杆塔时，当2～6号杆塔上绝缘子增至40片，避雷器吸收的最大能量为1223.4kJ，小于避雷器2ms方波的极限通流能力，避雷器上的最大过电流为18.048kA，未超过20kA的标称放电电流，不会威胁变电站内设备的绝缘。

　　雷击1号杆塔和雷击2～6号杆塔的雷电侵入波过电压和过电流相差很大，主要原因是本站500kV出线门型架距离1号杆塔60m，而1号杆塔距离2号杆塔750m，雷击点的距离是影响过电压、过电流幅值的一个重要因素。因此，在加强输电线路绝缘的同时，应进一步加强进线段线路的防雷保护，尤其是从1号杆塔到门型架之间的线路。

　　5 结语

　　(1)本站进线段海拔2700m，在进行绝缘配合计算时，本文采用DL/T 620-1997推荐的公式进行海拔校正。

　　(2)调爬后输电线路的防污特性得到提高，但是站内主要设备上的过电压和流过避雷器的电流均较之前有所增加，线路绝缘水平的提高将导致避雷器承受能量的增加和站内主要设备绝缘配合系数降低。

　　(3)从仿真计算的结果看出，2～6号杆塔上的绝缘子片数增至40片，雷击2～6号杆塔时，避雷器吸收的最大能量小于避雷器2ms方波的极限通流能力，流过避雷器的电流未超过标称放电电流，不会对变电站内设备的绝缘造成威胁。但是，当1号杆塔上绝缘子片数超过31片时，雷击在1号杆塔上，虽然避雷器吸收的最大能量小于避雷器2ms方波的极限通流能力，但是流过避雷器的电流超过了标称放电电流，站内主要设备原有的绝缘配合系数降低，对设备的安全运行不利。因此，建议1号杆塔绝缘子可增至31片，其他杆塔绝缘子可增至40片。

　　参考文献：

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　　[5] 周卫华，蒋毅j加强线路绝缘对变电站绝缘配合的

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　　[6]江日洪.张兵.罗小宇. 发、变电站防雷保护及应用实例[M]. 北京: 中国电力出版社,2005: 134，94，95.