（国核电力规划设计研究院）
摘要：本文阐述了研究500kV超高压变电站输电与绝缘配合的意义，肯定了高压输电在现代社会电力系统运行中的重要性，介绍了雷电波入侵变电站的相关情况，以期使得过电压与绝缘达到良好的配合。
关键词：500kV；超高压变电站；过电压；绝缘配合
在建设超高压变电站过程中，由于受到一次性能源所处位置的限制，加之现代社会环境污染较严重，所以一般在距离负荷中心较远的地方建设变电站，使得国家的电力系统逐渐向大容量、远路程、超高压的方向发展。与此同时，输电技术也在朝着这个方向发展。目前，300～750kV的超高压线路已经在我国的主干电网与国际互联网中被广泛利用。
一、探究500kV超高压变电站输电与绝缘配合的意义
500kV变电站是目前电网系统中的关键枢纽，在整个电力系统中占据着非常重要的地位。如果变电站的某一种设备受到外界电压波的破坏，就会对主网系统的平稳、安全运行产生严重的不良影响，与此同时，对社会经济的正常运行带来一定的损失。一般情况下，在超高压变电站系统中，变压器以及电抗器等重要的设备价格都很高，并且这些设备的内部绝缘功能都没有自动恢复效用，在受到外界电压波的破坏以后，很难进行修复，因此，需要变电站的工作人员采用安全、可靠的措施限制雷电过电压。变电站的雷击危害的途径主要有：①直接击中了变电站，此时可以在超高压变电站中安装避雷针、接地网络等各种先进的避雷设施避免遭遇雷击。由于变电站的建筑物和相关设备都位于保护范围之内，故变电站发生直接被外界电压击中的概率很小。②外界电波沿着输电线路传播雷电波，其实变电站在运行过程中，过电压侵入变电站的现象会经常发生，这对变电站的多项电气设备都带来了不良的影响。为了让超高压变电站中装设的防雷装备充分发挥其保护功能，在变电站必须配备有良好的接地系统。
500kV变电站的输电线路以及各项电气设备的电压等级都很高，在工作过程中会产生很强的电流，且超高压变电站中电气设备自身的尺寸较大，和它并联的电抗器套管产生的对接距离约为（8～10）米，断路设备和隔离开关的高度长约7米左右。变电站电气设备绝缘材料部分造价较高，因此必须处理好过电压和绝缘配合。另一方面，所谓绝缘配合是指从宏观角度思考电气设备在整个电压系统中能够承担的电压设备绝缘对各种电压的耐受特性以后，要合理确定设备达到的绝缘水平，以让电气设备的造价和因为设备的绝缘故障引发的事故损失达到经济上的最优化。最后，500kV的超高压电力系统在正常的情况下，都选用的是中性点直接接地方法，可以把长期工作的电压限制在确定范围内，此时并联的电抗器会自动限制由于远距离输电而发生的电容效应。使得变电站中的雷电过电压总体水平比内部过电压高，选用性能好的避雷器。对雷电侵入波的过电压进行计算研究，找到电压的分布规律，保证雷电侵入时，变电站设备的过电压水平比其绝缘性低。
二、过电压和绝缘配合探究
变电站雷电入侵电波主要有以下三种形式：近距离反击、远距离反击以及循环绕击等。从沿线出现避雷线角度分析，当外界电压进入变电站约有1.5千米路线时，可以把这段线路称作进线段，并且该段线路避雷线的长度主要是为防雷做准备的，在进线段非常需要装置避雷线，以方便防雷线路利用，采用这种方法，可以避免出现雷电波直接进入变电站的不良情形。
2.1超高压变电站输电线路的参数计算
在本次研究中，导线采用的是四分裂，半径为1.197cm，而分裂之间距离为45cm，四分裂的导线等值半径为19.82cm，导线的悬挂高度h=3300cm，驰度f=1500cm，而平均高度=2300cm。地线采用的是单根LBGJ-120-40AC，其接地之间距离为2140cm，半径为0.7125cm，地线悬挂高度h=4200cm，驰度f=1050cm，而平均高度=3500cm。三根导线均呈水平排列，之间的距离为1250cm，且平均档距离为50000cm。导线和地线的布置如图1所示。
根据计算能够得到输电线路中导线和地线以及镜像之间的距离：d12=2150cm，d13=903cm，d23=2300cm，d12’=7320cm，d13’=5800cm，d23’=6120cm。由此可知，两条避雷线路的相反一边导线之间的耦合系数和中相耦合系数相比较小，避雷线与边相之间的导线产生的电位差很大，在绝缘子串发生闪络以后，非常有必要更换边相的导线。其中各条输电线路中计算的电气参数如下：
在上述公式中m代表导线表面的系数，其数值为0.82，经过进一步计算最终可以得到导线自波阻抗Z33=327（Ω），地线自波阻抗Z11=552（Ω），导线、地线的互相电波阻抗Z12=73.8（Ω）。
2.2过电压和绝缘匹配的原则
绝缘匹配主要依据变电站设备上面可能出现的过电压水平，与此同时，也要了解与之相关的避雷器保护水准，确定电气设备的绝缘水平，绝缘匹配的一般方法是让电气设备中可能出现的加大过电压和雷电冲击电压之间保留一定的电压读数。且高压直流换流站针对雷电过电压能够分成三个方面：
①换流站的交流，从交流入口流向换流变压器的双侧。②换流区域，从换流的变压器阀侧端口直至直流平波电抗器的端口。③换流电站直流开关区域，需要从直流线路的端口到电抗器的线路口之间进行换流，在此过程中，导线产生雷电过压的主要原因是由于变电站安装了很多交流滤波器以及电容器。
这些组件对雷电过电压会产生一定的阻抗作用，让变电站设备中的雷电过电压和绝缘配合冲击绝缘水平，也就是交流母线和变压器的电网两侧的雷击绝缘水平必须按照550kV来选择换流范围内的设备，变电站的变压器和平波电抗器具有一定的屏蔽作用，当交流、直流两侧的雷击波传递到这个区域范围之后，需要考虑使冲击波与之配合。
在外界雷电的冲击作用下，变电站空隙正中击穿了电压，其负极性的击穿电压很低，在大多素情况下，雷电的冲击产生的电压都是负极性的。当雷电过电线塔塔顶，其绝缘子串上面梁端的电压数值会随着时间的变化而变化，当它比绝缘子串上面的正极性高50%时，就非常有可能发生闪络，而闪络持续的时间是由曲线、绝缘子串二者产生的正极性伏秒特性曲线确定的。绝缘子串伏秒特性曲线主要是指在绝缘子串上面出现的最大电压数值与放电时间之间互相制约的关系曲线，在标准、规范的冲击电压下面具有一定的绝缘属性。其实质是雷电引起绝缘子串冲击波不是标准的冲击波，与标准冲击波下面的绝缘子串其结果有所偏差。而通过大量实验得出了雷电冲击对550kV绝缘子串的伏秒特性为：u50%（t）=U50%，在这个公式中，U50%是绝缘子串中部分放电电压数，T是一个常量，在计算过程中，出现的误差较大，而冲击放电电压数据主要决定着T值变化。而且绝缘子的类型单一，并不能覆盖全部绝缘子。
变电站的开关场所设备中的雷电过电压是通过直流电路的雷电波侵入的，需要用避雷器DB进行控制，在直流母线上面的雷电冲击绝缘水平主要是由雷电冲击的保护水平决定的。当直流母线避雷器在20kA雷电流经过下，其雷电冲击保护额度达到166kV。因为雷云向电塔顶部输送的是都负极性雷电波，这就会引起空间电磁场的变化，进一步使得导线上出现带有正极性的感应电波。出现在绝缘子串上面的电压主要是根据高处的杆塔电压位置与导线电位之间的差别产生的。这种电压的数值一旦超过了绝缘子伏秒变化曲线上面的电压值，就造成反击波。组后，沿着输电线路流过的雷电波，毫无阻挡地侵入变电站，这种过电压对变电站的电气设备会产生不良影响。故为了发挥变电站中各种防雷设施的作用，在超高压变电站中必须安装性能良好的接地系统。其中杆塔分流系数法的计算模型如图2所示。
2.3绝缘子串的闪络模型
当雷击中电线杆塔时，被击中的杆塔导线和地线之间会形成雷电波进而向相邻的杆塔进行传播。随后电压下降，相邻杆塔之间的电压数值为0。在这种情况下，假如地线中的电压波传播方向没有发生改变，其上波传播会有所改变。通过临近电压杆塔的导线进行等值波阻，而导线上面产生的波抗数值也会有所不同，会产生不同的折射以及反射现象。其中反射波在回转以后对电压杆塔的分流数产生不良影响。正常情况下，雷电冲击电波数值都很高，在特殊情况下会出现激烈的冲击电晕，但是形成冲击电晕的时间很短，只需要0.05us，且负冲击所用时间更短，大约只需用0.01us，其速度和电压的陡度没有太大的关系。
结语
总而言之，电力工业是关系着国计民生发展的重要基础产业。优化社会电力资源的配置，为社会经济的发展提供优质、可靠的电力支持，是电力工业发展的主要任务。在现阶段，我国经济快速发展，这就要求电力系统向着超高压、远程、超大容量的方向发展。鉴于目前电力系统中频频发生雷击事故，在建设设计500kV超高压变电站时，必须利用现代先进技术计算准确过电压数值，并制定出科学的防雷措施，尽可能地减低雷击损害，确保国民经济的正常、健康运行。
参考文献：
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作者简介：
卢伟（1985.10-），男，山东莱芜人，山东大学电气及其自动化专业本科，工程师，单位：国核电力规划设计研究院
苏光（1979.8-），男，山东济宁人，山东大学电气及其自动化专业本科，高级工程师，单位：国核电力规划设计研究院
论文作者:卢伟,苏光
论文发表刊物:《电力设备》2015年第10期供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：变电站论文; 过电压论文; 雷电论文; 电压论文; 导线论文; 绝缘子论文; 杆塔论文; 《电力设备》2015年第10期供稿论文;