身份证号码：12010119890521XXXX
摘要：雷电流沿输电线路传输至变电站内，造成站内设备产生雷电过电压，引起设备损坏的现象时有发生。仿真模拟变电站出线回路数对雷电入侵波过电压的影响，可有效了解雷电入侵波过电压发生的峰值时刻，相应加以特殊防治，有效降低电站损失。因此，研究仿真模拟变电站出线回路数对雷电入侵波过电压的影响有重要意义。
关键词：仿真模拟；变电站；电压
前言
50%以上的电力故障都是因绝缘故障引起的，而过电压又是引起绝缘故障的主要原因之一0。过电压可分为操作过电压和雷电过电压，雷电过电压是造成停电事故的主要原因0。因此，研究影响雷电入侵波过电压的因素可有效降低输电线路跳闸事故，提高供电质量的可靠性。因为变电站的出线回路数与实际负荷需求相关，研究其对变电站雷电入侵过电压的影响贴合实际使用情况，对其加以防治可有效减少电站损失。
本文采用ATP-EMTP程序，针对某220 kV气体绝缘变电站的雷电入侵波过电压进行仿真计算。ATP-EMTP广泛用于继电保护模拟、谐波研究、电力系统绝缘配合保护及过电压分析等系统的模拟建模中。ATP-EMTP将分布参数元件进行转化，转化为集中参数元件，通过求解网络微分方程，构建导纳矩阵，在设定的时间步长内进行求解。可将各种参数元件如电压、电流、功率等设为已知或未知进行求解。ATP-EMTP的功能强大，但操作较为复杂，所需参数、设定等较多，不适合于新手。为此，本文选用ATP-DRAW软件。ATP-DRAW基于ATP-EMTP软件，但具有更良好的交互界面。ATP-DRAW以绘图的方式输入，更易于上手，大大简化了对ATP-EMTP编写的困难。ATP-DRAW还采用了稀疏矩阵技术，可简化计算，减少空间，降低计算时间，提升计算效率。
1.变电站接线系统简介
本文采用的变电站接线系统图如图1-1~图1-3所示。其中，变压器容量为100000 kVA，采用YNd11接线。图1为单路进线，单路出线；图2为单路进线，双路出线；图3为单路进线，三路出线。变电站进线方式为架空-GIS直连进线，出线方式为架空-GIS直连出线。选取的雷击方式为单相雷击。根据我国雷电流常用幅值规定，本文选取雷电流幅值为210 kA0。本文采用的输电线路模型为双指数模型，双指数模型公式见下式
图1-1 单路出线系统图 图1-2 双路出线系统图 图1-3 三路出线系统图
以本文选取的雷击杆塔塔顶为例，雷击发生时，雷电流击中杆塔塔顶，经杆塔的接地装置导入大地。杆塔接地装置的工频接地电阻，在雷电流冲击作用下，转换为冲击接地电阻。因为雷电流具有很高的幅值，雷电冲击电流会击穿接地装置部分附近的土壤，从而降低杆塔接地电阻，这一效应也称为火花效应。火花效应击穿接地装置部分附近的土壤，会等效增大杆塔的接地半径，造成雷电冲击电流作用下的冲击接地电阻小于工频电流作用下的工频接地电阻。但同时，雷电冲击电流通过杆塔接地装置接地时，短时间内工频电流转化为极高的雷电流，这一骤升的雷电流变化率又会使杆塔的接地装置的电感压降增大，杆塔接地装置上的电感产生电感效应，起到阻碍雷电流的作用。电感效应会使得杆塔的接地装置在雷电冲击电流的作用下大于工频电流作用下的工频接地电阻。
火花效应和电感效应是影响冲击接地电阻的主要因素，此外还有一些次要因素，因此想要准确地模拟雷电流作用下接地装置电阻的变化十分困难，通常的做法是参照工频接地电阻的阻值，乘以系数进行估算。这一系数称为冲击系数，该系数一般小于10。冲击接地电阻的减少会有利于电站雷电过电压的降低，因此本文从严考虑，冲击系数取为1。结合工频接地电阻取10 Ω，本文杆塔冲击接地电阻取10 Ω。
避雷器模型采用IEEE推荐的快速波前过电压计算模型。杆塔模型本文选用等值多波阻抗模型。代入导线参数得导线波阻抗为510 Ω。因为电压波和电流波沿架空线路进行传输，按照理想情况下的光速考虑，波速取3.0×108 m/s。虽然实际运行时，输电线路会产生电晕放电现象，产生光、化学反应；但光、化学反应是起损耗作用，该损耗实际会降低输电线路雷电入侵波的陡度。因此，仿真中不计冲击电晕的作用反而会有更大的安全裕度。此外，利用ATP仿真程序想要准确模拟冲击电晕十分困难，难以进行有效精确的分析模拟。综上，本文不计输电线路电晕作用。
2.变压器入口电容的经验公式为
.png)
上式中，S为变压器的三相容量，单位为MVA；n和K为常数，取值与变压器的电压等级有关（以220 kV电压等级计，n=4，K=940）；CT为变压器入口电容，电位为pF0。
本文涉及到的其它主要电气设备可根据《IEC/TR 60071-4》给出的冲击入口电容范围值及GIS厂家提供的电气设备资料汇总如下：断路器（CB）取值130 pF、隔离开关（DS/ES/FDS）取值120 pF、电流互感器（CT）取值550 pF、GIS出线套管（NS）取值75 pF、电压式电压互感器（PT）取值6500 pF。GIS的波阻抗约为65 Ω，本文GIS波速取光速，取为3×108 m/s。
本文绝缘子串闪络模型采用相交法进行建模。虽然雷电过电压数值通常高达上兆伏，本文研究220 kV输电网络系统，相比雷电过电压所占比例较少，但若因此便直接将工频电压忽略不计，会使绝缘子闪络时刻及站内设备雷电过电压幅值发生偏差，影响仿真结果的精确性0。综上，本文计入工频电压，并采用AC3PH程序进行仿真模拟。工频电压幅值取220 kV，频率取50 Hz。因为雷击杆塔塔顶产生反击而引起闪络的概率远大于雷绕击导线所引起闪络的概率，本文仿真模拟以雷击杆塔塔顶发生反击的情况作为本次仿真的雷电入侵波。
仿真模拟
采用的雷电流击中杆塔塔顶后，经输电线入侵变电站。经由变电站母线输入各设备及接地装置和其他出线。而变电站在实际投运时存在设备检修和线路停运、故障维护等实际情形，所以考虑不同电站实际投运方式下的雷电波入侵情况是具有实际意义的。现考察不同出线回路数目的情况下，母线和变压器位置雷电过电压峰值的变化规律，仿真模拟计算的结果值统计如下：
表2-1 不同出线回路数时母线和变压器雷电过电压峰值
由表2-1可知，变电站母线雷电过电压出线由单路增加到双路时，峰值过电压减少1.63 kV，由双路增加到三路时，值过电压减少2.51kV。变电站变压器雷电过电压出线由单路增加到双路时，峰值过电压减少6.87 kV，由双路增加到三路时，值过电压减少0.03kV。单路出线、双路出线、三路出线情况下，母线雷电过电压峰值均高于变压器雷电过电压峰值。
综上，变电站出线回路越多，越有利于母线及变压器雷电压峰值的降低。出线回路数增加，雷电流分流途径增加，分流作用增强，站内设备雷电过电压因此降低。
结论
本文结合某220 kV GIS变电站的实际运行特点，搭建了相应的ATP-DRAW仿真程序模型，对原变压器防雷系统进行仿真验证。仿真模拟计算出线回路数对母线和变压器雷电过电压峰值的影响，得出了以下结论：
在架空-GIS进线、架空-GIS出线，雷电流幅值选为210 kA雷电流，单相雷击，接地电阻取10 Ω的情况下，对变电站系统进行了仿真模拟。单路出线时，母线过电压峰值约为497.64 kV，变压器过电压峰值约为493.27 kV；双路出线时，母线过电压峰值约为496.01 kV，变压器过电压峰值约为486.40 kV；三路出线时，母线过电压峰值约为493.50 kV，变压器过电压峰值约为486.37 kV。参照《工业与民用供配电设计手册》相关规定，母线及变压器的雷电过电压峰值数值均满足该设备的绝缘强度要求。
综上所述，对比三种出线情况，采用三路出线时，母线及变压器雷电过电压峰值最低。因为随着出线回路的增多，分流分压设备相应增多，相应施加在设备上的雷电过电压减小。实际工作中，应特别注意检修时出线回路的暂时切离，尽量避免在雷雨季节对线路进行检修。应减少在出线回路较少时发生雷电入侵的可能性，从而尽量避免在最不利的情况下雷电入侵现象的发生。
参考文献
[1]唐炬. 高电压工程基础[M]. 北京：中国电力出版社，2018：123，172-173.
[2]亓超. 基于ATP-Draw的220 kV户外变电站雷电入侵波计算分析[D]. 山东：山东大学，2013.
[3]史彦楠. 220 kV GIS变电站雷入侵过电压分析[D]. 山东：山东大学，2017.
[4]李洪涛. 500 kV变电站雷电入侵波保护研究[D]. 重庆：重庆大学，2006.
[5]中华人民共和国电力工业部. 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL/T620-1997[S]. 北京：机械科学研究院，2001.