摘要：地线直流融冰采用了全线绝缘化设计，而地线绝缘化设计将对变电站雷电过电压产生影响。以500kV融冰绝缘地线为例，介绍了融冰绝缘地线架设方式，采用ATP-EMTP软件建立500kV变电站雷电侵入波过电压模型，分析了融冰绝缘地线架设对500kV变电站雷电过电压的影响，总结了雷击点位置、杆塔接地电阻、避雷器配置方案对变电站设备雷电过电压的影响规律。研究结果表明：融冰绝缘地线架设对变电站设备最大过电压影响很小；雷击杆塔离变电站越近，变电站高压设备产生的过电压越大；母线避雷器对变电站设备保护效果较好，雷电侵入波产生的最大过电压下降较多；杆塔接地电阻越小，变电站设备最大过电压越小。其结论对涉及融冰绝缘地线变电站具有一定的参考价值。
关键词：超高压输电线路；直流融冰；绝缘地线；变电站；雷电过电压；ATP-EMTP
引言
500 kV变电站是电力系统的枢纽站，一旦发生雷害事故，将引起设备损坏、大范围停电等严重后果[1-3]。因此，500 kV变电站的雷电过电压防护措施要求很高。变电站雷击类型可分为直击雷和雷电侵入波2种，因变电站采用避雷针和避雷器进行保护，直击雷害事故较少，雷电侵入波过电压是变电站发生事故的主要原因[4-9]。
云南电网滇东北地区极端冰雪天气造成高压输电线路倒杆、断线事故和导线舞动，严重危害电网的安全运行[10-11]。直流融冰在南方电网取得了较好的效果，得到了广泛的应用[12-13]。一般的地线架设通过杆塔接地，不能施加直流融冰。为利用直流对地线进行融冰，需要对地线进行绝缘架设。地线直流融冰采用了全线绝缘化设计，且绝缘间隙值达到120 mm，有别于常规变电站地线架设方式[14]。为防止出现雷电侵入波可能导致的变电站设备过电压事故，有必要深入开展融冰绝缘地线对500 kV变电站雷电过电压的影响分析。
目前研究结果表明：雷击点位置、杆塔接地电阻、变电站运行方式和避雷器配置方案等对变电站雷电过电压有影响[15-19]。地线绝缘架设方式改变了整个地网的拓扑结构，将会对雷电流的分配产生影响。本文以云南电网公司某供电局的地线绝缘化设计工程为例，采用 ATP-EMTP 软件建立500 kV变电站雷电过电压分析模型，分析了融冰绝缘地线架设对500 kV变电站雷电过电压的影响。
1 融冰绝缘地线工程
1.1 融冰绝缘地线架设方式
某500 kV高压输电线路为满足融冰的需要，对地线进行了绝缘化设计。为降低地线绝缘化带来的不利影响，同时满足融冰的需要，地线绝缘子采用120 mm长的并联间隙[20]。为降低线路损耗和满足防雷的需要，每隔一定的距离杆塔地线设立临时接地点。在每年的11月到次年3月的覆冰季节拆开临时接地点，全线绝缘运行;在每年的4~10月雷雨季节，地线临时接地点接地运行。地线绝缘子临时接地如图1所示。
图 1 地线绝缘子临时接地
Fig. 1 Insulated overhead ground wire
1.2 融冰地线绝缘子电气性能
地线绝缘子采用复合绝缘子，其绝缘距离339 mm，并联间隙之间距离120 mm。在云南电网公司超高压试验基地对地线绝缘子及并联间隙进行了电气性能试验，地线绝缘子闪络电压为183 kV，地线绝缘间隙闪络电压为83.4 kV。
1.3 融冰绝缘地线变电站及进线端参数
现有的研究表明，当变电站在仅有一个间隔和1台主变压器时，地网入地电流最大，雷电过电压也最严重，文中选用这种方式进行仿真研究。500 kV变电站一个间隔1台主变压器接线如图2所示，图中MOA为金属氧化物避雷器，CVT为电容型电压互感器，BUS为母线，G为隔离开关，CT为电流互感器，D为断路器，T为变压器。
图 2 500 kV 变电站等效电路
Fig. 2 Equivalent circuit of 500 kV substation
500 kV线路中导线型号为JL/G1A-400/50-54/7，导线采用4分裂形式，分裂间距400 mm，地线型号为LBGJ-120，直流电阻为0.709 8 Ω/km，光缆型号为OPGW-100，直流电阻为0.632 Ω/km。
2 模型建立及参数选择
2.1 杆塔模型
目前仿真计算中杆塔模型主要为电感模型和波阻抗模型[21]，电感模型根据杆塔的高度来确定杆塔的等值电感，波阻抗模型将塔身视为分布参数，考虑了雷电波在塔身的波过程，更能反映雷击过电压的波过程，因此本文杆塔选用波阻抗模型，其值取为150 Ω[22]。
2.2 雷电流模型
雷电流的波形选择双指数波模型，雷电流幅值概率按DL/T 620—1997中的表达式进行选择[23]，其表达式为
lgP=−I/88lgP=−I/88 (1)
式中：P为雷电流幅值大于I的概率;I为雷电流幅值，kA。
仿真计算时从严考虑，雷电幅值选取250 kA，大于此值的概率小于 1.4‰，雷电流的波形采用2.6/50 μs。
2.3 进线段线路模型
线路的参数随频率变化而变化，而在雷击时频率较高，因此线路模型选择JMARTI频率相关分布参数线路模型来反映雷击时的频率响应[21]。一般变电站进线段保护距离为2 km，因此，本文进线段距离选为2 km，杆塔之间档距选为400 m，选择5基杆塔及导线进行分析[21]。
2.4 绝缘子模型
在仿真过程中，绝缘子和并联间隙的闪络采用相交法来判断，即判断绝缘子两端的电压是否超过绝缘子伏秒特性曲线上的电压，通过压控开关的方式来实现;并联间隙的电压依据试验电压来获得，绝缘子伏秒特性曲线表达式为[23]
2.5 避雷器
目前氧化锌避雷器在电力系统得到了广泛应用，500 kV避雷器典型的伏安特性如表1所示。
2.6 变电站电气设备
在仿真计算中，变电站内的变压器可采用电容等效，其值可由式(3)计算得到，其他高压设备的电容采用额定值，结果如表2所示。
表 2 设备代号及入口电容
Table 2 Device code and its entry capacity
3 计算结果及分析
地线正常架设时OPGW和普通地线通过杆塔接地，地线绝缘架设时OPGW和普通地线均全线绝缘架设，绝缘地线临时接地点每隔一定距离接地，线路终端杆塔均设置接地点。仿真计算条件为：雷电幅值为250 kA，波形为2.6/50 μs;一般计算条件是接地电阻为10 Ω，避雷器在进线电压互感器和变压器位置架设;同时考虑变电站电气设备过电压裕度，变压器冲击绝缘水平为1 600 kV，电容式电压互感器选为1 650 kV。
3.1 雷击点的影响
雷击点分别在进线端不同杆塔上，仿真得到变电站设备的最大过电压，结果如图3所示。
图 3 雷击杆塔电气设备最大过电压
Fig. 3 Largest overvoltage of electrical equipment for tower struck by lightning
由图3可见，变压器最大过电压出现在雷击第1基杆塔时，其最大过电压达到1 675 kV;随着雷击点远离变电站，设备最大过电压值减小。雷击地线正常架设和绝缘架设下设备最大过电压差别很小。即融冰绝缘地线架设对雷电侵入波在变电站高压设备上产生的过电压几乎没有影响。这主要是因为雷电流幅值达到250 kA，地线上融冰绝缘间隙都已经被击穿，2种情况下超高压输电线路绝缘子闪络规律相同。通过上述研究，可以发现地线绝缘架设对变电站附近雷击引起的设备过电压没有明显的影响，因此从限制雷电过电压的角度，变电站附近的地线在夏季不需要退出运行。但绝缘间隙频繁击穿将影响其使用寿命，因此重雷区变电站应根据实际情况决定绝缘地线是否退出运行。
3.2 避雷器配置的影响
结合前面的研究发现，变电站设备最大过电压出现在雷击第1基杆塔时，其最大过电压已经超过变压器绝缘裕度。因此考虑在母线上安装一组避雷器，研究其对变压器过电压的影响效果。在融冰绝缘地线改造后，雷击第1基杆塔，变电站设备过电压如图4所示，其中电气设备过电压的最大值如表3所示。由表3和图4可见，未架设避雷器前，变压器最大过电压为1 675 kV;架设避雷器后，变压器最大过电压下降为1 530 kV，小于其绝缘裕度，达到了保护变压器的效果。同时，变电站其他设备过电压也有下降，达到保护变电站设备的效果，并且效果比较显著。
图 4 地线绝缘架设情况下雷击杆塔电气设备过电压
Fig. 4 Overvoltage of electrical equipment for tower struck by lightning in way of insulated ground wire
3.3 杆塔接地电阻的影响
为了分析杆塔接地电阻对变电站电气设备的雷电过电压水平的影响，在仿真时杆塔接地电阻范围为5~30 Ω，雷击点位于第1基杆塔，得到不同接地电阻下电气设备最大过电压随接地电阻变化的趋势如图5所示。由图5可见，在接地电阻为5 Ω，变压器最大过电压为1 663 kV;在接地电阻为30 Ω，变压器最大过电压为1 719 kV;随着杆塔接地电阻增大，设备最大过电压值增大。雷击地线正常架设和绝缘架设下设备最大过电压随接地电阻变化规律相似。因此，接地电阻的减小将会导致变电站设备最大过电压减小。尽量减小变电站附近杆塔的接地电阻，对限制过电压水平和节约成本有重大的意义。
表 3 地线绝缘架设情况下雷击杆塔电气设备最大过电压
Table 3 Largest overvoltage of electrical equipment for tower struck by lightning in way of insulated ground wire
图 5 电气设备最大过电压随接地电阻变化的趋势图
Fig. 5 Largest overvoltage of electrical equipment with grounding resistance
4 结论
本文利用ATP-EMTP 软件建立500 kV变电站雷电过电压分析模型，研究了融冰绝缘地线架设对500 kV变电站雷电过电压的影响，总结雷击点位置、避雷器配置方案和杆塔接地电阻对变电站设备雷电过电压的影响规律，得出如下结论。
(1)雷击变电站附近杆塔，地线正常架设和绝缘架设2种情况下变电站设备最大过电压差别很小，融冰绝缘地线架设对500 kV变电站雷电过电压的影响很小。
(2)随着雷击点远离变电站，地线正常架设和绝缘架设2种情况下变电站最大过电压都减少，且变化规律相似。
(3)母线架设避雷器后，变压器最大过电压下降到安全裕度以内，同时对其他变电站设备也起到了保护作用。
(4)变电站附近杆塔接地电阻对变电站设备最大过电压影响较大。减小杆塔接地电阻，对限制变电站设备过电压水平有着重要的作用。
融冰绝缘地线采用120 mm的长间隙，对500 kV变电站设备最大过电压影响很小，可在地线直流融冰工程中推广应用。
作者：
马御棠 , 马仪 , 曹晓斌 , 黄然 , 陈奎 , 周仿荣
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原标题：融冰绝缘地线对变电站雷电过电压的影响
