摘要：地線直流融冰采用了全線絕緣化設計，而地線絕緣化設計將對變電站雷電過電壓產生影響。以500kV融冰絕緣地線為例，介紹了融冰絕緣地線架設方式，采用ATP-EMTP軟件建立500kV變電站雷電侵入波過電壓模型，分析了融冰絕緣地線架設對500kV變電站雷電過電壓的影響，總結了雷擊點位置、桿塔接地電阻、避雷器配置方案對變電站設備雷電過電壓的影響規律。研究結果表明：融冰絕緣地線架設對變電站設備最大過電壓影響很小；雷擊桿塔離變電站越近，變電站高壓設備產生的過電壓越大；母線避雷器對變電站設備保護效果較好，雷電侵入波產生的最大過電壓下降較多；桿塔接地電阻越小，變電站設備最大過電壓越小。其結論對涉及融冰絕緣地線變電站具有一定的參考價值。

關鍵詞：超高壓輸電線路；直流融冰；絕緣地線；變電站；雷電過電壓；ATP-EMTP

引言

500 kV變電站是電力系統的樞紐站，一旦發生雷害事故，將引起設備損壞、大范圍停電等嚴重后果[1-3]。因此，500 kV變電站的雷電過電壓防護措施要求很高。變電站雷擊類型可分為直擊雷和雷電侵入波2種，因變電站采用避雷針和避雷器進行保護，直擊雷害事故較少，雷電侵入波過電壓是變電站發生事故的主要原因[4-9]。

云南電網滇東北地區極端冰雪天氣造成高壓輸電線路倒桿、斷線事故和導線舞動，嚴重危害電網的安全運行[10-11]。直流融冰在南方電網取得了較好的效果，得到了廣泛的應用[12-13]。一般的地線架設通過桿塔接地，不能施加直流融冰。為利用直流對地線進行融冰，需要對地線進行絕緣架設。地線直流融冰采用了全線絕緣化設計，且絕緣間隙值達到120 mm，有別于常規變電站地線架設方式[14]。為防止出現雷電侵入波可能導致的變電站設備過電壓事故，有必要深入開展融冰絕緣地線對500 kV變電站雷電過電壓的影響分析。

目前研究結果表明：雷擊點位置、桿塔接地電阻、變電站運行方式和避雷器配置方案等對變電站雷電過電壓有影響[15-19]。地線絕緣架設方式改變了整個地網的拓撲結構，將會對雷電流的分配產生影響。本文以云南電網公司某供電局的地線絕緣化設計工程為例，采用 ATP-EMTP 軟件建立500 kV變電站雷電過電壓分析模型，分析了融冰絕緣地線架設對500 kV變電站雷電過電壓的影響。

1 融冰絕緣地線工程

1.1 融冰絕緣地線架設方式

某500 kV高壓輸電線路為滿足融冰的需要，對地線進行了絕緣化設計。為降低地線絕緣化帶來的不利影響，同時滿足融冰的需要，地線絕緣子采用120 mm長的并聯間隙[20]。為降低線路損耗和滿足防雷的需要，每隔一定的距離桿塔地線設立臨時接地點。在每年的11月到次年3月的覆冰季節拆開臨時接地點，全線絕緣運行;在每年的4~10月雷雨季節，地線臨時接地點接地運行。地線絕緣子臨時接地如圖1所示。

圖 1 地線絕緣子臨時接地

Fig. 1 Insulated overhead ground wire

1.2 融冰地線絕緣子電氣性能

地線絕緣子采用復合絕緣子，其絕緣距離339 mm，并聯間隙之間距離120 mm。在云南電網公司超高壓試驗基地對地線絕緣子及并聯間隙進行了電氣性能試驗，地線絕緣子閃絡電壓為183 kV，地線絕緣間隙閃絡電壓為83.4 kV。

1.3 融冰絕緣地線變電站及進線端參數

現有的研究表明，當變電站在僅有一個間隔和1臺主變壓器時，地網入地電流最大，雷電過電壓也最嚴重，文中選用這種方式進行仿真研究。500 kV變電站一個間隔1臺主變壓器接線如圖2所示，圖中MOA為金屬氧化物避雷器，CVT為電容型電壓互感器，BUS為母線，G為隔離開關，CT為電流互感器，D為斷路器，T為變壓器。

圖 2 500 kV 變電站等效電路

Fig. 2 Equivalent circuit of 500 kV substation

500 kV線路中導線型號為JL/G1A-400/50-54/7，導線采用4分裂形式，分裂間距400 mm，地線型號為LBGJ-120，直流電阻為0.709 8 Ω/km，光纜型號為OPGW-100，直流電阻為0.632 Ω/km。

2 模型建立及參數選擇

2.1 桿塔模型

目前仿真計算中桿塔模型主要為電感模型和波阻抗模型[21]，電感模型根據桿塔的高度來確定桿塔的等值電感，波阻抗模型將塔身視為分布參數，考慮了雷電波在塔身的波過程，更能反映雷擊過電壓的波過程，因此本文桿塔選用波阻抗模型，其值取為150 Ω[22]。

2.2 雷電流模型

雷電流的波形選擇雙指數波模型，雷電流幅值概率按DL/T 620—1997中的表達式進行選擇[23]，其表達式為

lgP=−I/88lg?P=−I/88 (1)

式中：P為雷電流幅值大于I的概率;I為雷電流幅值，kA。

仿真計算時從嚴考慮，雷電幅值選取250 kA，大于此值的概率小于 1.4‰，雷電流的波形采用2.6/50 μs。

2.3 進線段線路模型

線路的參數隨頻率變化而變化，而在雷擊時頻率較高，因此線路模型選擇JMARTI頻率相關分布參數線路模型來反映雷擊時的頻率響應[21]。一般變電站進線段保護距離為2 km，因此，本文進線段距離選為2 km，桿塔之間檔距選為400 m，選擇5基桿塔及導線進行分析[21]。

2.4 絕緣子模型

在仿真過程中，絕緣子和并聯間隙的閃絡采用相交法來判斷，即判斷絕緣子兩端的電壓是否超過絕緣子伏秒特性曲線上的電壓，通過壓控開關的方式來實現;并聯間隙的電壓依據試驗電壓來獲得，絕緣子伏秒特性曲線表達式為[23]

2.5 避雷器

目前氧化鋅避雷器在電力系統得到了廣泛應用，500 kV避雷器典型的伏安特性如表1所示。

2.6 變電站電氣設備

在仿真計算中，變電站內的變壓器可采用電容等效，其值可由式(3)計算得到，其他高壓設備的電容采用額定值，結果如表2所示。

表 2 設備代號及入口電容

Table 2 Device code and its entry capacity

3 計算結果及分析

地線正常架設時OPGW和普通地線通過桿塔接地，地線絕緣架設時OPGW和普通地線均全線絕緣架設，絕緣地線臨時接地點每隔一定距離接地，線路終端桿塔均設置接地點。仿真計算條件為：雷電幅值為250 kA，波形為2.6/50 μs;一般計算條件是接地電阻為10 Ω，避雷器在進線電壓互感器和變壓器位置架設;同時考慮變電站電氣設備過電壓裕度，變壓器沖擊絕緣水平為1 600 kV，電容式電壓互感器選為1 650 kV。

3.1 雷擊點的影響

雷擊點分別在進線端不同桿塔上，仿真得到變電站設備的最大過電壓，結果如圖3所示。

圖 3 雷擊桿塔電氣設備最大過電壓

Fig. 3 Largest overvoltage of electrical equipment for tower struck by lightning

由圖3可見，變壓器最大過電壓出現在雷擊第1基桿塔時，其最大過電壓達到1 675 kV;隨著雷擊點遠離變電站，設備最大過電壓值減小。雷擊地線正常架設和絕緣架設下設備最大過電壓差別很小。即融冰絕緣地線架設對雷電侵入波在變電站高壓設備上產生的過電壓幾乎沒有影響。這主要是因為雷電流幅值達到250 kA，地線上融冰絕緣間隙都已經被擊穿，2種情況下超高壓輸電線路絕緣子閃絡規律相同。通過上述研究，可以發現地線絕緣架設對變電站附近雷擊引起的設備過電壓沒有明顯的影響，因此從限制雷電過電壓的角度，變電站附近的地線在夏季不需要退出運行。但絕緣間隙頻繁擊穿將影響其使用壽命，因此重雷區變電站應根據實際情況決定絕緣地線是否退出運行。