变电站工程为电网建设中的关键工程之一，这一工程的规划建设对于整个的电网发展具有较为重要的理论以及现实意义。对于规划之中的变电站枢纽等也是会成为现在乃至于未来电力系统发展的枢纽所在，对于提升输电以及配电的可靠性以及连续性等具有较为重要的意义，同时也是保证整个系统安全稳定的运行具有重要的帮助，在遭遇到雷击受损的时候，会直接的影响整个的系统安全稳定运行，造成的后果也是较为严重的。针对于变电站雷击的过电压、绝缘配合的分析计算与研究为目前输变电规划之中的面临的重要课题之一。对于输变电工程的具体规划设计中，需要具有较为可靠的防雷与保护的措施，而目前我国对于输变电工程的大气过电压以及防雷保护、绝缘配合等尚未颁布相关的技术标准以及实际的规范，在实际的工程开展规划设计阶段，必须对于不同的各个变电站工程的具体情况开展较为详细的计算与分析研究，提出防雷的实际方案，并对于绝缘水平开展系统的分析，得到具体的结果可以指导实际工程的设计与使用。本文首先依赖于实际的工程北京与相关环境，分析论述了变电站的雷害具体来源，主要是含有雷直击变电站，其次为沿线路传过来的雷电波。因为雷击线路的机会远远的比雷直击变电站多，为此沿线路入侵变电站的雷电过电压行波是较为常见的，是对于变电站电气设备构成主要威胁的模式，也是开展雷击过电压进行分析的关键内容。为此对于雷电侵入波在变电站的电子设备上行所出现的过电压进行仿真与分析计算，得到过电压分布与实际变化的规律，对于防护雷电过电压、保护电器设备提供具有价值的参考依据，可以进一步的优化变电站的工程设计，在尽可能减少建设投资的同时，还可以提升运行的安全可靠性。

本文重点论述了某220kv变电站雷击过电压以及具有的绝缘配合，分析了大气过电压计算的重要性以及雷击过电压计算的现状与未来的发展趋势等，在这一基础上分析了过电压计算具有的基本理论与方法。同时在建立输电线路、电感以及电容、电阻等原件具有的等效模型，将分布参数线路以及电容、电感用集中参数的阻抗与等效电流源并联电路来表示，使得三相输电电路的等值电路两端的电量在拓扑关系上没有任何的联系，仅仅需要采用等值电流源的表征雷电的特性，简化了计算与后期的编程操作。在构建数学计算模型的基础上，基于Matlab编制仿真计算的程序，同时将变电站与进线段结合起来，雷击点分为近区的雷击与远区的雷击，对于某220KV变电站雷击侵入波过电压进行系统的计算以及分析研究，分别论述六种不同的运行模式之下具有的大气过电压，为这一变电站防雷保护设计提供有效的依据，并对于该站在不同防雷模式下具有的绝缘水平开展系统的研究，提出这一站过电压保护的建议方案，为保证变电站具有的绝缘水平，为实际的工程设计等提供有效的支撑。

关键词：雷击过电压；雷电入侵；绝缘配合；防雷保护

Analysis and Prevention of Lightning Overvoltage in Substation

Software Engineering

Graduate Student： Guan Ji Adviser: Li ZhiShu　Tang KaiQuan

Substation project is one of the key projects in power grid construction. The planning and construction of this project has important theoretical and practical significance for the development of the whole power grid. For the planned substation hub and so on, it will become the hub of power system development now and even in the future. It is of great significance to enhance the reliability and continuity of transmission and distribution. It is also of great help to ensure the safe and stable operation of the whole system. When lightning strikes are damaged, it will directly affect the security of the whole system. Fully stable operation, the consequences are more serious. The analysis, calculation and research of lightning overvoltage and insulation coordination in substation is one of the important issues in current transmission and transformation planning. For the specific planning and design of power transmission and transformation projects, there is a need for more reliable lightning protection and protection measures. At present, China has not promulgated relevant technical standards and practical specifications for atmospheric overvoltage, lightning protection and insulation coordination of power transmission and transformation projects. In the planning and design stage of actual projects, the specific conditions of different substation projects must be considered. The detailed calculation and analysis are carried out, and the practical scheme of lightning protection is put forward. The insulation level is analyzed systematically. The concrete results can guide the design and use of practical projects. Firstly, depending on the actual project in Beijing and related environment, this paper analyses and discusses the specific sources of lightning hazards in substations, mainly including direct lightning strike substations, followed by lightning waves passing along the lines. Because there are more opportunities for lightning striking lines than direct lightning striking substations, the lightning overvoltage traveling wave invading substations along the lines is more common, which is the main threat mode to substation electrical equipment and the key content of lightning overvoltage analysis. For this reason, the over-voltage of lightning intrusion wave on the electronic equipment of substation is simulated and calculated, and the law of over-voltage distribution and actual change is obtained. It can provide valuable reference for protecting lightning over-voltage and protective electrical equipment. It can further optimize the engineering design of substation, reduce construction investment as much as possible, and can also be mentioned. Safety and reliability of lifting operation.

This paper focuses on the lightning overvoltage of a 220 kV substation and its insulation coordination, analyses the importance of atmospheric overvoltage calculation, the current situation and future development trend of lightning overvoltage calculation, and on this basis, analyses the basic theory and method of overvoltage calculation. At the same time, the equivalent models of transmission lines, inductances, capacitors and resistors are established. The distributed parameter lines, capacitors and inductances are represented by the impedance of the lumped parameters and the parallel circuit of the equivalent current source, so that there is no connection between the two ends of the equivalent circuit of the three-phase transmission circuit in the topological relationship. It is only necessary to use the equivalent current source to characterize the characteristics of lightning. It simplifies the calculation and later programming operation. Based on the construction of mathematical calculation model, the program of simulation calculation is compiled on the basis of matlab. At the same time, the substation and the incoming line are combined. The lightning strike points are divided into near-zone lightning strike and far-zone lightning strike. The overvoltage of lightning strike intrusion wave in a 220 KV substation is calculated and analyzed systematically. The atmospheric overvoltage under six different operation modes is discussed respectively. A substation lightning protection design provides an effective basis, and conducts a systematic study on the insulation level of the substation under different lightning protection modes. Proposals for over-voltage protection of the substation are put forward to ensure the insulation level of the substation and provide effective support for the actual engineering design.

Key words: lightning overvoltage; lightning intrusion; insulation coordination; lightning protection

1绪论

1.1 选题背景及意义

伴随着我国社会与经济的飞速发展与进步，电力行业逐渐的成为有关于国家经济安全的重要基础产业之一。特别是最近几年来，我国对于电力需求的总量急剧攀升，对于电能质量的要求也越来越高。对于未来电力系统的搭建必然是向着大电网、高电压等级以及智能化控制方面所发展。对于目前我国的电力系统建设之中，含有的基本建设等级为220kV、330kV以及500kV作为主要结构的网络模式，开展交流的输电网络搭建。除了我国较为偏远的西北地区之外都是采用的是220KV作为主要框架的供电网络。现如今我国220KV的变电站超过近千个，同时其作为电网内部的枢纽以及实际的交汇点，在电力系统的发展之中占据较为关键的位置。

雷击过电压为电力系统模块开展过电压研究的关键模块，其主要是因为雷电情况对于电力系统产生比较大的干扰。同时因为电力系统外部力量的实际作用结果，为此雷击过电压又是被叫做为外过电压。又依据电压产生的原理不同等，又是可以划分为雷击感应过电压以及雷直击过电压两种。雷击感应过电压主要是因为雷电击中建筑物附近具有的实际物体，或者是建筑物附近的大地的时候，就会产生较为强烈的电磁场，影响到建筑物内部导线进而会产生过电压。对于直击雷过电压则是指的为雷电直接的集中建筑物的某一部分导体模块进而产生较为强烈的过电压，比如杆塔与架空地线上受雷击等，或者是线路导线直接的接受雷击。对于线路上产生雷电入侵波。我国的面积较为广大，各个地方的气候差异比较大，但是雷电情况确实全国大多数地区都是会出现的自然情况，预防不当的话很有可能会导致较为严重的生命以及公共财产损失。尤其是在电力行业之内，在雷击灾害出现的时候，会产生比较大的过电压，严重的时候可能会是出现兆伏级别的，对于如此巨大的电压会导致很多的重要电气设备丧失其原有的功能，导致较为严重的停电情况，为此很有必要对其输电的线路、发电厂以及变电所等雷电的暂态过程开展系统的分析，以便于可以保证电气设备的安全性能。

本文将系统的分析雷击对于变电站的影响与具体的防护措施，为此很有必要关注雷击过电压对于变电站的影响模式。经过大量的研究分析我们可以看出，雷电主要是通过直击雷或者是沿线侵入波的模式对于智能变电站造成较大的危害。其中后者指的为雷电通过计重杆塔、壁垒线或者是输电线路等模式产生的过电压波沿着输电线路传递到变电站进而造成较大的危害，如图1.1所示。同直击雷相比较，沿线侵入波的危害性更加的大，这是由于同输电线路走廊比较，变电站占地面积小很多，同时经过的地区也远远的没有输电线线路复杂，为此明显雷击中变电站外的线路概率远远的大于直击变电站的概率，为此沿线雷电侵入波的形式将会更具有现实的价值，同时也是雷电现象对变电站最为主要的威胁之一，对于电力系统的正常运行具有较为重要的意义。

图1.1雷电侵入波的产生方式

1.2 国内外研究现状

1.2.1 杆塔上的雷击过电压计算

雷电直接的击中输电线线路杆塔的几率相比于电力系统模块的其他部分受到雷击的几率大很多，在系统的研究中通常认为雷云是带有负电，雷电击中杆塔的塔顶前，就是会在雷云同塔顶之间形成雷电的通道，雷电通道内部积聚大量的负电荷就会同杆塔以及架空线路产生较大的感应，这个时候杆塔等位置就会产生比较大的正电荷。随后雷击发生的时候，两种电荷迅速发生中和反应，得到较为强烈的负雷电流。负雷电流一部分会沿着杆塔的方向向着大地的方向流动，另一模块则是会沿着避雷线向着雷击杆塔的两侧流动。对于塔顶位置初选的一个正的大电流，其大小为前面两股负雷电流的代数和。就是在这个几个雷电流的实际影响下，线路上就会出现较大的雷击过电压。

对于我国建国初期的工程计算之中，因为杆塔的高度不是很好，一般采用的是集中电感来等效的模拟杆塔的实际功能。同时等值阻抗比较低，为此通常是会忽略雷击通道具有的阻抗，如图1.2所示：

图1.2杆塔的等值电感模型

例如上图L1表示的杆塔的等值电感，R1表示的为被击杆塔的冲击接地的电阻；Lg与Lt是并联的，进而模拟雷击位置两侧的避雷线的作用，其取值与线路的档距长度具有较为密切的关系。依赖于之前的论述可以得到，it是雷击的时候从杆塔向下流过的雷电流，iR为雷击杆塔的时候沿着避雷线向两侧传递内部具有的雷电流。

将雷击的时候从杆塔向下流过的雷电流的占据总雷电流i的比例设置成为分流系数，为此含有：

依据图1,1之中的杆塔的等效模型，我们可以将分流的系数表示成为：

上面的公式中，为雷电流波的前时间，取值为2.6us。

同时还可以利用分流系数来表示雷电流沿着杆塔流向大地的一部分的雷电流，也就是，为此可以得到塔顶的电位是：

假设取值为：

这个时候塔顶的电位公式为：

在雷击杆塔的时候横担位置的电位可以表示成为：

上式之中，Ua是雷击杆塔的时候横担部分的电位，kV；La为横担以下塔身的电感，；ha是横担对地的高度为m。

依据前文的分析，在雷击杆塔顶部的时候，在塔顶就会产生过电压，也就是Utop，在塔顶上的避雷线电位自然也是Utop。避雷线对于输电线路具有的实际影响，相互的耦合之后输电线路上也会产生与雷电流同极性的耦合电压，也就是kUtop。依赖于电磁感应的基本原理，输电导线之上会产生负的感应电压：

对于另一层面，输电线路作用的时候，自身也是会随着工频的电压而变化，为此三电压之和就是输电线路层面的真实的过电压的大小，幅度数值为：

上面的公式内部，k为导线与避雷线的耦合系数，k=k0+k1；k1电晕效应校正系数为；Uphm作为导线上的工作电压峰值为kV。对于实际变电站的建设内部，在输电线路的电压等级为220KV及其以下的时候，同耦合的电压为kUtop与感应的电压为：

互相的比较，导线自身的工频的电压是比较小的，对于总的过电压的实际影响是可以忽略不计的。为此对于绝缘子层面遭受的过电压为杆塔横担电位Ua与输电线路的电位Ui之间的差值，计算的方法依据的下面的公式开展：

为此同上面的公式合并的话可以得到的为：

伴随着绝缘子上面的电压Uii不断的提升，在达到某一数值的时候自身就会出现闪络的情况，对于雷击过电压研究的时候将这一情况叫做为反击。实际工程应用的时候，通常会采用绝缘子的U50%放电的电压作为判断的依据，取值为Uii=U50%，反击的时候线路模块的耐雷电水平Ii可以通过下式来表示：

为此在忽略杆塔、横担以及避雷线、导线的平均高度差异的时候，雷击杆塔顶部的时候具有的耐雷水平Ii可以简化成为：

对于雷击情况出现的时候发生的雷电流I大于上面公式的耐雷水平Ii，就可以认为绝缘子已经是闪络，造成反击的情况。反击这一理念是较为关键的，由于原本被认为接了地的杆塔却带有高电位，反过来对于输电线路却是放电的，为此将雷电压施加在线路之上，并且侵入变电所。为此为降低反击所造成的实际危害，需要对于输电线路模块制定相关的防雷措施。对于输电线路电压的等级较高时，比如某一些高压或者是超高压的情况下设计的输电网络结构，投入使用的时候自身所有的工频电压会对于避雷线的正常工作产生较大的阻碍，为此对于这种情况下的工频电压就是不能忽略不计的。对于工频的电压瞬时数值与极性难以预料的情况，还有其余相上下工频的电压也是会对于结果造成较大的影响，为此在分析反击是否发生的时候，需要对于工作的电压开展统计计算分析，以概率的模式来分析判断反击是否发生。

对于实际的工程应用模块，如果计算得到的反击概率比较大的情况，为了有效的防止反击的产生，加大耐雷的水平，通常需要想办法减低输电线路杆塔的接地电阻R以及增加耦合系数的取值K作为主要的建设模式。虽然从前面的分析我们可以看出耐雷水平与绝缘子的串放电的电压U50%，分流系数为，输电线路与避雷线的耦合系数值为k、杆塔的等效电感为Lt、杆塔的接地电阻Ri以及各个部分的高度相关，不过在实际操作的时候，降低钢塔的接地电阻是可以直接的使得塔顶的电位开始下降，提升线路的耐雷水平的效果是最为显著的。而对于增大耦合系数k的数值是可以通过将单避雷线换做为双避雷线，或者是增加架空线路将的地线进而使得耦合的情况会变成为更加显著的模式展示出来，方法也是较为简单可行的。

1.2.2 线路上的直击雷过电压计算

对于输电线路内部没有架设避雷线的时候，如果雷电击中的线路，产生的雷电流波从雷击位置向两侧开始传播，这种情况的出现就被叫做“绕击”。假设对于A点，等值电路如图1.3所示：

图1.3雷直击线路时的等值电路模型

依据上图内部的电路模型，可以计算得到电流的幅值：

上面的公式中，Z为导线的波阻抗，Ω；Uphm为导线上的工作电压峰值，kV。假设雷击输电线路的时候，忽略导线工作的时候自身具有电压的作用，雷电通道的等值波阻抗为Z0=300Ω，雷击点两侧导线的阻抗Z设置为400Ω，暂时不考线上的工作电压，在绕击的电流I=35KA，为此绕击模块所产生的过电压幅值为Ua=120I=4200kV。

对于不用考虑雷电流波的反射以及折射的情况，近似的计算之中我们可以假设的为，为此可以将上式简化的操作，参考的公式如下所示：

上文就是将雷击点两侧的导线阻抗Z设置成为400欧姆，这个时候绕击处过电压的数值为：Ua=100I

绕击的时候输电线路的耐雷水平设置为I2，为此可以近似的求得：

为此在雷电绕击得到输电线路的时候，会导致绝缘子出现闪络的情况，产生的雷击过电压也是比较高的，为此需要采取相关的预防措施抑制过电压的数值大小。为此在多数的情况增设避雷线就可以比较有效的预防绕击过电压具有的实际危害，虽然假设避雷线之后仍旧无法阻止绕击情况的出现，但与不装壁垒线相互比较，绕击出现的概率具有大幅度减小的趋势。

1.2.3 线路上的感应雷过电压计算

对于雷电情况出现的时候，雷电通过通道内部的电荷快速的发生中和反应，产生的雷电流频率比较大，变化也是较为显著的，在空间内部形成较大的电磁场，可能会对于周围的导体上产生感应的过电压，尤其是对于线路较多的变电站，更加的容易受到感应雷过电压的作用。对于雷击变电站附近大地前的先到过程的时候，在雷电通道内部产生的大量负电荷，而对于变电站内部导线之上就会产生静电感应的电荷。这些电荷与雷电通道内部的电荷极性相反，会聚集在雷击点的附近，而导线之上的负电荷向远离雷击点的方向而运动。因为在雷电的时候先到放电时间比较长，导线之上的负电荷远离雷击点的速度比较慢，为此导线上的电流并不是很大，同时因为输电线路内部对地电导的作用，线路之上各个位置的电位基本是一致的。为此在导过程结束后，主放电的过程开始后，雷电通道内部的电荷与到线上的电荷中和会产生雷电流，同时沿线路向雷击点两侧来流动，等效静电感应的过电压大小为线路上的电流i与线路等值波阻抗Z的乘积。与此同时，电荷发生的中和还是会产生变化的电磁场，通过电磁感应使得输电线路上具有感应的电流存在。为此雷电通道是垂直向下的，正好同输电线路行程90度角，两者之间的互感是比较小的，为此感应雷过电压主要还是考虑静电感应的实际功能。

对于实际的工程应用模块，我们先假设输电线路上没有避雷线，在雷击大地的位置与线路的距离相差为65米以上的时候，感应的过电压幅值可以通过下式表示：

对于上式之中，Ui表示的为感应雷过电压幅值，kV；I为雷电流的幅值，kA；hc为导线的平均高度，m；S为雷击点同线路的垂直距离m。为此依据上式我们可以看出的为，雷击感应过电压的幅值与导线的平均高度为hc、雷电流的最大值为I、雷击点同输电线路的距离有关为S，其中会与S成反比，同hc、I成正比。因为在雷击击中大地的时候，相当于雷电流经过一个较大的接地电阻，因为感应雷电流并不大，一般都是会小于100kA，计算的时候为了稳妥起见可以取值为100kA。同时依据很多的研究案例我们可以看出，感应的雷过电压幅值一般都是在400kV之内，在输电的线路的电压等级在35kV之内的时候，绝缘子可能会出现闪络的情况，而对于110kv以及以上的输电线路，闪络的情况基本不会出现。与此同时输电线建立不同相之间的感应雷过电压相差比较小，为此相间闪络是不会出现的，不同相之间的相位差也是可以忽略不计的。

为了降低感应雷过电压，对于工程应用模块是可以铜鼓假设避雷线的方法来解决，耦合系统比较大的时候，对应感应的雷过电压的一致效果是更好的。这是由于在线路上具有避雷线的时候，如果雷击中大地的时候，本来在输电线路模块通过静止的感应产生的电荷就会被避雷线索屏蔽掉，为此导线之上的感应雷过电压自然就会下降很多。我们假设避雷线离地的高度数值为hg，为此导线立地的平均的高度数值为hc，为此可以计算得到避雷线的不接地的时候输电线路上面的感应雷过电压Uic与避雷线上所差生的雷击过电压数值为Uig，具体的计算方法如下式所示：

不过避雷线实际层面上为通过输电线路的路杆塔接地的，为此为了促使避雷线上的电位是零，可以假设在避雷线之上原有一个同感应雷过电压Uig相反的电压（-Uig），这个电压因为耦合的作用会在输电线路模块产生一个电压，大小数值为（-k0Uig），其中的K0为耦合的系数，大小通常是在0.2-0.3之间，为此可以通过输电线路的集合参数获取的。为此综合上述的分析可以计算在输电线路上具有接地的避雷的时候感应的雷过电压的幅值为：

依据上式分析可以看出，对于不装避雷线的时候，线路上的感应雷过电压的幅值为Ui，在经过避雷线的屏蔽功能的时候，感应的雷过电压降低到Ui（1-ko*hg/hc），为此我们可以通过提升耦合系数值来降低感应雷过电压的数值大小。

1.3 本论文的主要工作

本文首先根据实际工程背景和环境，分析了变电站的雷害来源，主要包括:一是雷直击变电站；二是沿线路传过来的雷电波。由于雷击线路的机会远比雷直击变电站多，因此沿线路侵入变电站的雷电过电压行波是很常见的，是对变电站电气设备构成威胁的主要方式之一，这也是进行雷击过电压进行分析的重要内容。因此，对雷电侵入波在变电站电气设备上所产生的过电压进行仿真分析和计算，找出过电压分布与变化的规律，对防护雷电过电压、保护电气设备提供有价值的参考依据，可进一步优化变电站的工程设计，在尽可能减少建设投资的同时，提高运行的安全可靠性。

2输电线路雷电过电压概述

对于高压的输电线路为交错纵横的，绵延比较长，为此很容易受到雷击，引起停电的事故，对于国民经济以及人民生活带来比较的损失。依据相关的资料统计显示，雷击危害是造成高压输电线路停电故障最为主要的因素，为了保证系统的安全运行，必须了解雷电放电的实际过程，研究雷电的特征，设法的同雷电危害进行战斗。雷电击中之后户损坏电气设备，因为出现的强大雷电冲击电流，会出现巨大的电磁效应、绩效效应以及热效应等使得其损坏。雷击作为中较为强大的自然力量的爆发，难以被人们所控制。人们可以做的就是设法的预防以及限制其产生较大的破坏，这个就是需要在了解雷电特征的基础上，加装防雷保护的装置，采取有效的防雷保护措施。

2.1雷电波的形成

雷电产生的载体为雷云，其带电的过程很有可能为综合性的，经过相关的实验表明，在距离地面为5km-10km的高空主要为正电荷云层，1-5km的高空主要为负荷的云层。不过在云的底部也是往往存在好几个电荷密度集中心，对于每一个电荷的中心具有的电荷大约为0.1-10C。同时一大块的雷云同极性的总电荷可以达到数百库以上，雷云的平均场强大约为150kV/m，而对于雷击的时候可以达到为340kV/m，雷云下地表的电场一般为10kv/m-40kv/m，最大是可以达到150kv/m，不过在云中的电荷密集的位置场强的强度可以达到的为2500kv/m-3000kv/m的时候，就会出现先导放电，雷云放电的大部分都是在云间或者是云层之内开展，只有小部分的对地发生的，雷云对地的电位可以达到数千万甚至为上亿伏以上。

雷电的极性指的为在雷云的下行到地面的电荷的极性，最为常见的雷云就是雷云线下开始发展到最后的放电操作。依据相关的统计，不管是对于放电的次数来分析，还是对于放电的电荷来分析，90%左右的雷电都是负极性的。因为大地的总电荷量是长期保持不变的，为此相当大的正雷云电荷必然会通过悄悄的放电的模式运送到大地的，也就是大量的正电荷是以地表电晕放电的模式来消散的。对于雷电放电的实际过程内部，因为负雷云的向下发展的先导不是连续的向下发展的，而是走一段听一段、再走一段再停一段。不过先导接近地面的时候，会从地面较为突出的部分发出向上的迎面的先导，不过迎面先导与下行的先导相遇的时候，就会产生比较强烈的中和过程，出现极强的电流，这就是雷电的主要放电的阶段。主放电存在的时间是比较短的，大约为50us-100us，主要的放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的，在达到云端的时候就结束了。因为雷电的主要放电为极大的电流与极大的功率，为此电力系统的电力设备必须放置雷电的迫害行为。

2.2雷电参数的统计数据

雷电流的波形与极性，通过相关的实测结果表明，雷电流为单极性的脉冲波，这同前面论述的雷电放电的过程原理类似。很多的雷电流波形都是在峰值附近出现较为显著的双峰，波尾模块也不会出现较大的隆起。依据国内的实测数据分析，75%-90%的雷电流是负极性的，为此电气设备的防雷保护与绝缘配合一般都是取负极性的雷电冲击波开展分析与研究的。

对于雷电的幅值、波头以及波长、陡度等，雷电电流的辅助概率分布计算，我国现行的标准为：

上面的公式中I表示的为雷电的电流幅值，单位是KA，P为幅值等于大于I的雷电流的概率，例如幅值等于或者是超过50kA的雷电流，通过计算可以得到其概率为33%。上面的雷电流幅值的计算概率可以在我国大部分的地区使用，对于雷电活动比较弱的地位，雷电流幅值概率的计算如下式所示：

对于雷电流波长与波头会随着自然条件的变化而具有较大的差异，依据相关的统计，波头的长度在1us-5us之内，我国的防雷保护设计中采取的波头的长度为2.6us。对于波长，实际测量的范围20us-100us。在实际的计算中，雷电流的波形采用的为2.6/50us。

对于雷电流的陡度，因为雷电流的波长变化范围不大，为此雷电流陡度与幅值具有密切的关系。我国采用2.6us的固定波头长度，为此雷电流的平均陡度a同幅值的线性关系为：

也就是幅值较大的雷电流同时也是具有较大的陡度。

对于雷电放电的重复冲击次数与总的持续时间，在一次雷电放电中常常含有多次的重复放电，55%的落雷包含有两次以上的冲击，3-5次冲击的占据25，含有10次以上冲击的大约为4%。对于一次雷电放电总的持续时间，50%以上的小于0.2s，大于0.62s的仅仅占据5%。

对于地面的落雷密度，雷电日以及雷电小时的统计，没有区分雷云间的放电以及雷云对地的放电，实际的情况为雷云之间的放电多于云地之间的放电。雷电日数增加，云间的放电比重也会增加，云间的放电与云地之间的放电比较，在温带大约为1.5-3.0，在热带大约为3-6。对于防雷保护设计研究具有较大作用的还是有雷云对地放电的年平均的次数，雷云对地放电的频繁与强烈程度等，是因为地面落雷的密度来表示，指的为每个雷电日的每平方公里地面上的落雷次数，实际上数值与年平均的雷电日数Td相关，通常对于Td较大的地区，数值也比较大。

2.3雷电流的等值波形

电力设备的绝缘强度试验与电力系统的防雷保护设计，需要获取雷电流波形等较为经典化的可以通过解析式表达的波形，常见的等值波形如下所示：

标准的冲击波模式，标准的冲击波性是由双指数模式来表示：

上式之中I0为某一个固定的电流值，是两个常数，t作为具体的作用的时间，其具体的波形如图2.1所示：

图2.1雷电流的标准波形

标准的冲击波的波头与波长依据下面的方法开展，其中波头指的为的时间，为从0.3Im以及0.9Im两点连成的斜线与时间坐标轴的交点决定，ti为该点斜线与电流幅值Im水平线的交点决定。波长指的时间。t2为冲击波下降到幅值一般的时间，所经历的具体时间。

在被击物体的阻抗为电阻R的时候，作用在R上的电压波形u与电流波形i同相。双指数波形也用冲击绝缘强度试验的标准电压模型，对其给出的标准波头与波长，我国采用的国际标准，波头，波长。

对于等值斜角，为简化防雷计算，可以将雷电流通过等值斜角波进行表示，如图2.2所示。其波头陡度为给定雷电流幅值Im与波头时间决定的，。其波尾的模块可以为无线长度，这个时候称为斜角的平顶波。如果具有一定的波长，则是三角波。

斜角波的数学表达式较为简单，通过分析雷电流所导致的过程是非常方便的。

图2.2雷电流的等值斜角波

对于等值余弦波，雷电流的等值余弦波如图2.3所示，具体的表示公式如下所示：

上面的公式中。

这种等值波形多用于分析雷电流波头的作用，由于采用的是余弦函数波头计算雷电流通过。电感支路的时候所引起的压降是较为便利的，为此最大的陡度出现在波头中间位置，其数值为：

对于已知，为此在给定雷电流幅值Im以及最大的陡度的情况下，可以得到余弦波头对应的等值波的角频率以及波头。

图2.3雷电流的等值余弦波

2.4雷电放电的计算模型

在详细的了解雷电放电的基本过程以及雷电波参数之后，还需要搭建计算模型以便于定量的分析其所带来的影响，雷击导线先导放电发展为主放电的过程，先导放电虽然是不规则的树枝状的结构，同时还是脉冲式的发展。不过相关的研究显示，其还是具有分布参数特征，可以近似的看作为一个具有电感、电容等均匀分布的参数导电通道，叫做为雷电通道，其波阻抗为Z0。再将主放电过程看作为沿着波阻抗为Z0。再将主放电的过程看作为沿着波阻抗为Z0的无限长的雷电通道，来自于天空向地面传递的前行波为u0，i0（u0=i0Z0）得到A点的过程，如图2.4所示。为此从地面感受的实际效果与工程适用的角度分析，将雷电放电的过程简化成为一个数学模型，从而得到其彼得逊等效的电路。

图2.4雷电放电的计算模型

通过上述分析，可以得出的结论为，雷云对地的放电实质为雷云电荷向大地的突然释放，虽然雷云具有较高的初始电位，才会导致大气击穿，形成先导的主放电，不过地面被击物体的电位并不是取决于这一初始的电位，而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积。为此从电源的性质分析，这就是一个电流源的作用过程。

雷电的放电物理过程虽然较为复杂，不过从地面感受得到的实际效果与防雷保护的工程实践角度，其还是可以将其看作为一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地面传播电磁波的操作，为此可以建立计算的模型。对于雷电放电的时候，我们可以测知的电量，主要为雷击地面的时候流过被击中物体的电流i，之后依据计算模型反推雷电波的参数，以供工程使用。为此通过图2.4的电流源的等值电路，含有：

十分显著的为i同Z相关，在Z=Z0的时候，恰好i=i0，这种巧合实际上为不存在的；在Z=0的时候，i=2i0，但是Z又不可能为零。不过在ZZ0，仍旧可以测量得到i=2i0。对于雷电流的实际测量中，一般都是需要满足的条件为ZZ0，比如对于Z0估计为300Ω，也就是Z≤30Ω即可。为此在国际上都是习惯于将雷击低于阻抗物体的时候，流过这一物体的电流定义为雷电流。需要指出的为，定义中的雷电流i恰好等于沿着雷电通道传播而来的雷电流波的二倍，为此在防雷保护计算的彼得逊等值电路模块，如图2.5所示等值雷电的电流源通常直接的用雷电流来表示。

图2.5雷电流源的等值电路

3雷电侵入变电站的方式

3.1雷电绕过避雷线击于导线的绕击

依据电压形成的基本物理过程，雷电的过电压可以含有两种模式，直击雷过电压为雷电直接的击中杆塔、避雷线或者是道姓引起的线路产生过电压的情况。感应雷过电压，是雷击中附近大地。因为电磁感应到导线之上产生的过电压。通过相关的实践显示，直击雷过电压对于系统的危害是最大的，感应过电压指示对35kv及其以下的线路具有较大的威胁。

图3.1雷击输电线部位的示意图

根据雷击线路部位的不同，直击雷过电压又分为两种的情况，一种为雷击线路的杆塔或避雷线的时候，雷电流通过雷击位置阻抗使得这一点对于地电位的大幅度提升，在雷击点同导线之间的电位超过线路绝缘冲击放电的电压时，就会对于导线发生闪络的情况，导致导线出现过电压的情况。由于杆塔或者是避雷线的电位高于导线，为此被称为反击。另一种为雷电直接的击中导线或绕过避雷线击于导线，直接的在导线上引起的过电压。后者通常被叫做绕击。

（1）输电线路的感应过电压

对于雷云对地放电的实际过程中，放电通道周围的空间电磁场的急剧变换会在附近的输电线路模块产生感应的过电压，虽然对于感应的过电压形成的物理分析，在目前的情况下已经具有较为一致的认知，不过因为雷电的放电过程的原始数据难以准确的确定其具有的原因。为此感应过电压的具体计算，具有的方法比较多，计算的结果往往也是具有比较大的差异。对于雷击线路附近大地的时候，因为电磁感应的存在，对于线路的导线模块会产生的感应电压，其含有因为先导通道内部的电荷所产生的静电场突然的消失进而导致的感应过电压，称之为感应过电压的静电分量；因为先导通道内部的雷电流所产生的磁变化而导致的感应过电压，称之为感应过电压的电磁分量。为此依据理论分析以及实际测量的结果，规程建议在雷击点距离线路的距离S>6m的时候，导线之上的感应雷过电压最大值为ug可以依据下面的公式计算：

上面的公式中Il代表的为雷电流幅值（kA），hd为导线悬挂的平均高度数据为（m），S为雷击点线路的距离。

在具有避雷线的时候，因为避雷线同道路之间存在耦合的功能，为此导线之上的电位将为：

上式中的k代表的耦合的系数。

在雷击线路杆塔的时候，快速的向上发展的主放电引起周围空间电磁场突然的变化，也是灰度在导线上感应得到同雷电流的急性相反的过电压。对于导线到大地的回路之中因为雷电通道电流所产生的电磁感应远远的小于杆塔电流所产生的电磁感应，对于后者将杆塔电感压浆的形式计算分析，为此在感应过电压中的主要需要考虑的为静电的分量。

对于规程建议的一般高度线路来说，没有避雷线的时候导线之上的感应电压的最大数值可以通过下面的公式计算：

上式中的Ui为感应过电压（kV），hc为导线的平均高度（m），为感应的过电压系数kV/m，其数值等于以kA/us为单位的雷电流的平均陡度数值。在具有避雷线的时候，因为其具有屏蔽的功能，导线之上的感应过电压会下降到为：

上面的公式中k为导线与避雷线之间的耦合系数。

（2）直击雷绕击的过电压

依据我国的实际情况，对于110k及其以上的高压输电线路通常都是具有避雷线的保护，进而避免直接的遭受雷击操作。不过因为各种的随机因素的出现，例如遇到避雷线的屏蔽功能失效的话，还是有有可能出现雷绕过避雷线击中导线的实际情况，一般被叫做绕击，如图2.7所示。同时分析可以看出绕击的概率是比较低的，在出现绕击的情况雷电流的幅值非常的小，不过一旦绕击形成比较高的冲击过电压，很有可能使得线路绝缘子串出现闪络，或者是入侵变电站危害电气设备的实际使用安全。

图3.2雷绕击的导线

对于忽略避雷线以及导线的耦合作用后，以及杆塔接地的影响，导线的着雷电A的电位计算模型，可以简化为如下图3.3a所示。为此这个时候的彼得逊的等效电路可以看出，对于A点来分析，雷击的放电是可以等效为幅值等于I/2的雷击电流波，或者是幅值等于Uo=IZ0/2的雷电压波，沿着阻抗为Z0的雷电通道传递到A点。我们假设导线为无限长度的，也就是不需要考虑导线远端返回A点具有的反射波，为此依据彼得逊的法则，则是可以计算A点电传递的电压源等值电路如图3.3b或者是电流源的等值电路，如图2.8c。其中的Zc/2是导线的等值波阻抗，也就是A点两侧的导线波阻抗Zc为并联数值。

图3.3绕击导线的等值电路

依据上图等值电路较为容易求得流经雷击点A的雷电电流为：

雷击点的电位是：

通过分析上式可以看出，绕击的过电压的极性以及波形同雷电流弯曲类似，其具有的幅值为：

对于近似计算的时候，有的时候假设Z0≈Zc/2，也即是可以认为雷电波在雷击点未出现折射、反射等，为此上面的公式可以化简为：

如果Zc取值为400Ω，为此上面的公式可以进一步的化简成为Ua≈100I

这就会我们目前的标准内部，永不估计直击或绕击导线的过电压与耐雷水平的近似的计算公式。

3.2雷击杆塔塔顶造成的反击

（1）直击雷反击的过电压

雷击线路的杆塔塔顶的时候，因为塔顶的电位比导线的电位高很多，为此可能会引起绝缘子串的闪络，也就是发生反击，使得导线接地短路出现，进而使得线路跳闸，同时对于导线上形成很高的反击过电压波向两侧的线路传播，侵入变电站之后对于相关的电气设备具有比较大的危害。

通过前面的分析，在雷击塔顶的时候先导放电阶段，导线、避雷线以及杆塔上虽然都是会感应得到异号的束缚电荷，不过因为先导放电的发展速度十分的缓慢，如果不计工作频率的电压，导线上的电位仍旧为零，避雷线以及杆塔的电位也是零，为此线路的绝缘上不会出现电位差。对于主放电的阶段，先导通道内部的负电荷与杆塔、避雷线以及大地中的正电荷快速的中和，进而形成雷电冲击的电流。如图2.9a所以，一方面负极性的雷电冲击波会沿着杆塔向下与沿着避雷线向两侧来传播，使得塔顶的电位不断的提升，并积极的通过电磁的耦合使得导线的电位出现较大的变化。对于另一层面从塔顶向雷云快速的发展正极性的雷电波，引起空间电磁场的快速变换，又会使得导线上呈现出正极性的感应雷电波。作用在线路的绝缘子串上面的电压为横担高度位置杆塔的电位与导线之间的电位差值，这一电压一旦超过绝缘子串的冲击放电电压之后，反击就会发生。

图3.4雷击塔顶的等值电路

对于一般高度大约为40m之下的杆塔，在工程计算的时候可以近似的看作为如图2.9b所以的集中参数等值的电路。图中的Lt为被击杆塔的等值电感，Ri为被击杆塔的冲击接地的电阻，it为流经杆塔入地的电流，没有经过考虑的相邻的杆塔以及其接地的电阻的实际作用。Ls为杆塔两侧的一档避雷线并联的等值电感，is为流过的Ls的电流。对于绝缘子的串的闪络之后，还是需要考虑两侧的导线具有的实际分流的情况，如图虚线部分所示，其中的Zc就是每一侧导线的等值波阻抗的数值。

塔顶的电位是：

上式之中的为杆塔的分流系数。

对于实际的工程计算中，雷电流波头可以取值为=2.6us，单根的避雷线的等值电感大约为Ls=0.67l（uH），双避雷线的取值大约为ls=0.42l（uH），l为档距离长度为（m）；杆塔的电感Lt可以用实际测量的数值开展，同时也是可以用标准的推荐平均值得到。通常来说线路对于数值精度要求不高的时候不需要逐杆塔的计算，可以依据线路的电压等级与避雷线的根数量直接的取得《标准》推荐的数值。

在塔顶的电位是utop的时候，同塔顶的相连接的避雷线也是局有限相同的电位utop，因为避雷线同导线之间存在的电磁耦合的作用，在导线之上将会出现耦合的电位kutop。其中的k为耦合系数，耦合电位的进行与雷电流是一致的，此外雷击的避雷线的杆塔塔顶的时候，因为空间电磁场的突然的变化，对于导线上还是会出现幅值为ahc（1-k0hs/hc）的感应雷过电压。其中的ko为导线对于避雷线的几何耦合吸收，hs 避雷线对地平均的高度，hc为导线对地平均的高度，a为感应过电压的系数，感应雷电压的极性与雷电流是相反的。

导线的电位是其耦合电位与感应雷电压的和，为此可以得到的为：

对于作用到绝缘子串上面的电压uins作为横担高度维持的杆塔的电位Ua同导线电位uc之间的差值，也就是：

上式之中的ha以及hi分别为导线横担的高度以及杆塔的高度等。

对于雷击塔顶之后绝缘子串上的电压为uins伴随着雷电流的损失也是随着时间的增加而增加，例如图3.5之中的uins（t）曲线所示。为此对于绝缘子串的冲击放电特征则采用的为50%的冲击放电伏特秒特征来表示，如图2.10中伏秒特征曲线u50%（t）。对于绝缘子串之上的作用电压超过其50%的冲击放电的电压，也就是图中的曲线相较于ts的时候，绝缘子串就会发生闪络的情况。为此横担的高度位置杆塔的电位比导线的电位高很多，为此一般将其称为反击。

如图3.5就是负极性的雷击线路杆塔塔顶时横担位置杆塔的电位ua以及导线电位uc以及各个分量随着时间变化的波形示意图。上图中ts为绝缘子串闪络的具体时刻，绝缘子串闪络之前，导线的电位uc为正极性的是由于其正的感应雷电压分量大于负的耦合电压的分量。

图3.5绝缘子串的闪络电压

对于绝缘子串闪络的时候，因为导线的分流功能使得横担的杆塔电位ua突然具有下降的趋势，同时导线电位也突然的提升因为正极性变换为负极性，同时与横担位置杆塔的电位保持一致的情况。同时伴随着雷电的持续增加，横担位置的杆塔与导线的电位也会持续的增加到最大的数值。波尾开始因为电感分类的突然减少电位会持续的下降，形成短时的高峰。之后随着雷电流的减少以及避雷线、导线的持续分流，电位也会逐渐的下降。横担高度位置的杆塔电位比塔顶电位低很多。

图3.6雷击塔顶的过电压波形

4.某变电站220KV变电站雷击过电压仿真计算

4.1变电站的防雷分析概述

因为雷云放电所导致的电压提升被叫做为雷电过电压，也被叫做大气过电压。因为其造成的事故就是雷害事故。雷害事故在电力系统事故内部占据比较大的比例，其不仅仅会危害供电线路以及触发、变电站内部的电气设备，同时还会导致出现大面积的停电活动，引起用户以及电力部门产生较大的经济损失。依据相关的统计，仅仅在北京地区一年之间出现的雷击事故就超过11次，击坏的输电线的绝缘子的多处，击断的高压线很多。在2015年的珠江三角洲地区的雷击事故，造成广东电网的220kv线路受到雷击，导致超过12个的220Kv变电站停运，损失超过800MW占据当时全省负荷的1/4以上，使得广州、佛山以及肇庆等很多市区出现大面停电的情况。浙江省的电力局也指出，在最近十年的时间内，发生在浙江省境内的跳闸的事故分析统计显示，由于雷电引起的线路故障的次数占据总的故障次数的80%以上，大庆油田每年由于雷击停电进而减产的石油总量大约相当于同时四件一个玉门油田的实际年产油量。美国纽约市曾经出现过因为闪电而切断停电长达26小时。埃及的阿斯旺水电站，也曾经因为输电线路等遭遇雷击而导致埃及在全国的范围内停电长达5个小时以上。

变电站是多条的输电线路交汇地点以及电力系统内部的枢纽位置，相对于输配电线路的雷电危害来说，变电站的雷害事故较多多发同时也是十分的严重的，一般都是会导致大面积的停电，为在进行变电工程设计的时候需要认真的研究大气电压以及其含有的保护问题等。变电的设备其具有的设备就是电力的变压器，内部绝缘水平往往是低于线路的绝缘水平，同时不具有自恢复的功能，在出现由于雷电过电压而出现击穿的情况，其具有的后果是较为严重的。为此变电站具有的雷害来源主要是具有以下的几个层面：首先为雷击直接的变电站的导线以及设备之上，其次为变电站落雷的时候产生的感应过电压；最后为沿着线路传来的雷电波等。

对于变电站的直击雷防护主要是依赖于避雷针系统，我国的电力系统运行的实际经验显示出，装有避雷针之后，每年每一百个变电站的绕击事故大约出现0.2-0.3次，雷击避雷针所导致的反击事故的概率大约为0.3次，可以认为是非常可靠的。不过即使是这样的化，仍旧具有一些装设合格避雷器的仍旧发展较为严重的雷电危害事故的产生，比如避雷针保护的云南小龙潭电厂220kV的A相TA遭受雷击;有避雷针保护的福州东郊变电站，除110kV中性点接地开关的水泥杆受雷击外，出线龙门架处C相导线也被雷击断。避雷针受雷击后，在其附近的导线上还会产生感应过电压，变电站母线或者设备产生严重故障。例如上海某发电厂独立避雷针落雷时，距离其8m外的35kV变压器最远一相套管闪络;广西某发电厂独立避雷针落雷时，4.5m外35kV母线闪络。但由于线路落雷事故次数多，所以沿线路侵入的雷电波袭击变电站最为频繁，这也是进行变电站雷击过电压计算、分析的重点。

对于220kV变电站，由于其电气设备多，各电气设备距离较远，因此从可靠性和经济性的角度考虑，更加需要对雷电侵入波过电压进行研究，以确保由雷电侵入时各种运行方式下站内各电气设备的过电压水平不超过其绝缘水平，流过避雷器(MOA)的最大雷电流不超过10kA。

220kV变电站的防雷保护主要包括直击雷保护、雷电侵入波保护两部分。直击雷是指雷电直接击中站内各种建、构筑物，出现雷电压过高，一般都会引起绝缘的闪络或者击穿;雷电侵入是指雷电波沿着架空输电线路进入变电站，在各电气设备上产生不允许的雷电过电压。在进行220kV变电站工程可行性研究和初步设计的过程中，必须对变电站的雷击过电压进行深入分析和研究，因此，本论文根据墨江变电工程设计要求，对不同运行方式下墨江变电工程220kV线路雷电侵入波过电压水平进行了分析计算，通过计算确定变电站内220kV母线、进出线、高抗回路是否需要单独安装避雷器，同时确定220kV设备及主变压器的绝缘水平;在计算的过程中，主要考虑了以下几方面的影响因素:反击和绕击;雷击点位置的变化，包括近区雷击、远区雷击;雷电流幅值的变化;避雷器的参数、位置、数量的变化;进线段杆塔接地电阻大小的变化;进线段绝缘子串绝缘水平;线路感应过电压及工频电压;等等。

对于本文研究的实际过程内部，通过惯用算法对于某220kv变电站的累计可靠性能进行分析，得到电气设备以及主要变压器具有的绝缘水平以及绝缘的裕度等，确定是否需要安装母线避雷器以及高抗回路避雷器、相关的防雷措施等，并依据这些对于绝缘保护的配置提出相关的具体建议。

4.2某220KV变电站的雷击过电压防护总体分析

对于某220kv变电站为大型的变电站，既含有GIS变电站的很多优势，同时又是普通的敞开式变电站的诸多优势，为此对其进行过电压的防护需要开展很多层面的分析与考虑，通过计算机程序分析各个计算之中的实际运作模式、雷击的方式下的过电压水平，依据可能产生的最为严重的情况确定其过电压保护以及绝缘的配合方案。

（1）GIS变电站过电压防护的特征

对于GIS变电站之内，SF6气体的绝缘结构都是均匀或者是具有稍微不均匀的电场，对于均匀或稍微不均匀的电场之内，SF6的冲击伏秒特性是较为平坦的。雷电冲击的绝缘水平与操作冲击绝缘水平也是非常的接近。负极性的时候导体的电极表面的高场强，使得电子崩容易从这里开始发展形成击穿的情况，为此负极性的击穿电压比正极性低很多。为此通常会认为GIS的绝缘水平主要是取决于雷电的冲击水平，需要降低绝缘的水平，首先是需要降低雷电过电压的水平，为此采用保护性能优异的氧化锌避雷器，就可以有效的遏制GIS的雷电过电压，尤其是对于陡波的过电压具有较为重要的意义。

对于GIS变电所的波阻抗远远比架空线路低很多，对于变电所的侵入波保护具有积极的意义。对于GIS变电所之内，单相封闭的同轴母线以及三相共壳封闭母线都是采用的这种模式，不过在220KV以及以上的电压等级的系统内部单相封闭模式是较为常见的模式。对于雷电波的传播过程之内，由于具有较为强烈的集肤效应，为此对于大部分的电流在靠近内导体的外表面以及外壳的内表面而产生流动的情况，同时几乎全部的电流都是从外壳返回，为此三个单相母线之间没有耦合的情况，每一个单相封闭母线都是可以看作为一个单相导线来处理。依据这些假定操作，GIS的波阻抗可以近似的表示成为：

上式之中的r2以及r1分别表示的为外壳的内半径以及内导体具有的外半径，表示电介质的相对介电常数。为此对于SF6来说，为此含有：

为此从GIS的绝缘结构的优化设计方面考虑分析，寄希望于r2以及r1之比是接近于最佳的比例，也就是。对于这个时候，，，但是为了允许较高的电流密度的话，实际情况的结构常常会出现。为此对于GIS模块具有的波阻抗一般是在（60-100）Ω之间，大约为架空线路的1/5左右。

因为GIS的波阻抗远远的比架空线低很多，其具有的折射系数也是比较小的，为此从架空线路进入到GIS内部的折射波的幅值与陡度，都是比达到GIS的入口侵入波小很多。对于在GIS较长或者是侵入波比较陡的情况下，对于GIS的保护都是特别有利的。对于GIS内部的波的传播速度，因为SF6内部的，为此通常认为波速s等于光速，GIS变电站的结构是非常紧凑的，设备之间的电气距离是非常小的，避雷器被保护的设备也是比较近的，防雷保护措施比敞开式变电所更加的容易实现。同时还需要注意的就是，GIS的价格较为昂贵，为此还需要含有母线在内的整套的GIS装置过电压保护应该具有比较高的可靠性，对于设备的绝缘配合之上理由较为足够的裕度。

（2）普通敞开式220kv变电所的过电压防护特征

对于220kV敞开式变电站的防雷防护接线的重要特征就是电气的距离比较长，不管是哪一种主接线的模式，即使是在一台变压器一回出现的初期工程内部，接线的长度也是可以达到数百米以上，这样就会使得每一组的避雷器一般主要是只能保护同其靠近的某一些电气的设备。

（3）某220KV变电站的过电压防护特征

对于本文研究的220Kv变电站的实际工程来说，兼具上述两种变电站的特征，为此需要通过对于雷电波的入侵之后站内的各个位置的过电压的大小开展分析与计算，进而确定其过电压保护的具体方案。计算的时候所采用的站内的基本配置为各个条出线、自耦变压器的均衡装置设置避雷器，因为不管是对于那种模式的变电站出线与自耦变电器都是装设避雷器，校验母线以及高抗的回路都是是否应该装设避雷器等。

4.3电路模型

在开展实际分析计算的时候，数学模型的搭建主要是考虑下面的因素：

对于超高压输电线路模块的上单相雷击占据较大的部分，为此仅仅考虑单相负极性的雷击，线路的波阻抗依据单相的等值波阻抗开展计算。站内的导线近似于可以认为是无畸变线模式，波阻抗为一个常数，不计算其电晕的影响，这是从严考虑的实际情况。站内的变压器、电压互感器以及电流互感器、隔离开关以及断路器、氧化锌避雷器等构件的简化电路模型以及相关的取值如表4-1所示：

表4-1220kv变电站主要构件简化的电路模型

构件	变压器	电容型电压互感器	闭合断路器以及隔离开关	架空线	ZnO避雷器	杆塔	高抗
简化的电路模型
说明	集中电容与电感	集中电容	无损传输线波阻抗Z	等于Z的电阻	非线性电阻（U=cI^a）	波阻抗Z接地电阻Rch	电感
取值	L=20mH C=5000pF	C=5000pF	Z=75Ω	Z=320Ω	C材料系数非线性系数	Z=150Ω Rch=10Ω	L=10.7H

对于计算之中需要开展的线段与变电站作为一个整体的网络来分析，进而可以较为完整的反应实际的波过程并可以进一步的分析诸多影响因素具有的实际作用：a落雷点的选择分别为考虑的近区域的落雷在进线段的第一基杆塔。远区落雷在进线段2km位置的第六基杆塔；b将杆塔看作为分布的参数，依赖于相关的规程建议，对于杆塔波阻抗的取值为150Ω；c杆塔冲击接地的电阻为Rch=10Ω。

4.4运行方式以及其主要的接线图

（1）运行的方式一单线单变

对于近区的落雷：

图4.1运行方式1下近区落雷的示意图

对于运行方式为单线单变的，220kvI母线以及1#主变投运。近区落雷的主接线的示意图如图4.1所示，上图之中仅仅为标注的相关出线以及变压器位置的避雷器以及的兼容器电压互感器、闭合的断路器等。我们假设雷电波从玉溪（二）进入到变电站，依据表之中的简化模型可以获取其相关的等值电路。

远区落雷，其运行的模式下远区落雷主接线的示意图如图4.2所示。

图4.2运行方式1远区落雷的示意图

（2）运行方式二单线2变

如下图所示：

图4.3运行方式2近区落雷的示意图

图4.4运行方式2下的远区落雷示意图

（3）运行方式三单线3变

如下图所示：

图4.5运行方式3下的近区落雷示意图

图4.6运行方式3下的远区落雷示意图

（4）运行方式四 2线单变

图4.7运行方式4下的近区落雷示意图

图4.8运行方式4下的远区落雷示意图

（5）运行方式五 2线2变

图4.9运行方式5近区的落雷示意图

图4.10运行方式5下的远区落雷示意图

（6）运行方式六2线3变

图4.11运行方式6下的近区落雷示意图

图4.12运行方式6下远区落雷的示意图

4.5雷击过电压的集散

（1）侵入参数的确定

对于架空线上产生的雷电波具有两种模式，一为雷击杆塔所导致的反击行为，二为雷绕过避雷器击于导线。运行的经验以及几何距离方法理论都显示出，大电流绕击的概率比较小，小电流绕击的概率比较大，绕击侵入波对于超高压的设备威胁是不大的，变电所的雷击故障主要都是反击侵入波所造成的，为此本文仅仅考虑的为反击形成的侵入波。雷电用斜角波形的电压源开展模拟分析，波头的时间设置为2.6u/s，波长设定为50us。远区的落雷指的为2kM之外的，形成的侵入波幅值为线路绝缘子串的正极性50%的放电电压，但是因为距离变电站比较远，沿途会漏掉很多的电荷，为此选择的为2200kV，波形取值为2.6/50us。

近区落雷指的为2kM之内的，取值电压为线路绝缘子串的正极50%的放电电压，也就是450kV，波形的取值为2.6/50us。架空线路内部，侵入波波速取值为300m/us。

（2）线路的参数计算

同地平行的架空线路无损导线的波阻抗是由下面的公式确定的：

上面的公式中ra为导体的半径，ha为导体的平均高度。

本文所研究的变电站输电线路采用的四分裂的结构，其波阻抗大约为320欧姆，母线的波阻抗为300Ω。

（3）设备的参数计算

依据经验公式，计算变压器入口的电容C。

上式中的S为变压器的容量，K为系数，对于220KV及其以上的电压等级n的取值为4，为此在本文的研究之中估算得到的C=5000pF。避雷器的伏安特性的处理方法具有两种模式，一种为拟合方法，采用的拟合公式开展计算与分析；另外一种为分段的方法，依据相关的资料提供的金属氧化物避雷器的电气特征，选择几个的特性点，并将这些点组成的曲线作为避雷器的伏安特性曲线。计算表面分段方法虽然在计算的时候不能避免有一些误差，不过这种误差并不是很大。特性点越多的话，计算就会变得越准确。本文的计算依据的相关资料提供的避雷器具有的相关特征，采用的是最小二乘拟合的方法，拟合得到避雷器的伏安特性曲线，参数的计算结果如表5-2所示：

表5-2雷电冲击波残压的最大值

避雷器	特性点
	1kA	5kA	10kA	20kA	40kA
420/1046	815	852	942	1046	1152
444/1106	852	896	996	1106	1216

拟合得到的避雷器的伏安特性可以通过公式来表示：

避雷器	C
420/1046	779	0.0955
444/1106	815	0.0985

避雷器残压的选择为20kA下冲击的残压，对应的为420kV避雷器为1046kV、444kV避雷器为1106kV。

4.6计算结果与具体分析

本文计算采用的上一节得到的雷电波的计算程序对于某220KV变电站在六种的运行模式下，站内各个位置的雷电过电压开展计算分析。

（1）母线不加避雷器时候的计算结果与分析

依据上文所提出的6中运行的模式，分析近雷、远雷两种情况对于母线不加避雷器时候变电所内部各个设备所承受的最大过电压的数值开展计算分析，选择的是进波开展实际分析。

结果如表4-3、表4-4所示。表4-3为近区落雷区域，母线不加避雷器的时候各个主要电气设备的过电压计算结果。表4-4为远区落雷时候，母线不加避雷器的过电压计算的结果。

表4-3 近区落雷母线不加避雷器站内的设备最大的电压

运行方式	一	二	三	四	五	六
1号主变	1344	1309	1250	1332	1257	1186
2号主变	-	1265	1264	-	1262	1238
3号主变	-	-	1245	-	-	1186
母线接地器	1467	1392	1125	1301	1257	1098
隔离开关	1472	1216	1108	1366	1241	1184
电压互感器	1157	1426	1345	1369	1283	1244
断路器	1464	1228	1184	1374	1247	1189

表4-4远区落雷母线不加避雷器的站内设备最大的过电压

运行方式	一	二	三	四	五	六
1号主变	1335	1229	1216	1322	1230	1160
2号主变	-	1210	1160	-	1200	1188
3号主变	-	-	1188	-	-	1184
母线接地器	1348	1289	1152	1231	1253	1178
隔离开关	1426	1238	1138	1256	1250	1161
电压互感器	1483	1357	1303	1377	1293	1255
断路器	1437	1240	1149	1251	1251	1149

具体的分析如下所示，如果母线不加装避雷器的话，站内的各种设备的过的电压数值就会偏高，第一、二种运行模式下的设备过电压是最高的。第三、六种运行模式下的设备过电压比较小。这是由于在第一二中运行的模式下，站内的主接线模式较为简单，设备不是很多，尤其是站内的避雷器的数量相对会减少，造成站内设备的过电压偏高；第三六中的运行模式下，站内的主接线形式是较为复杂的，避雷器的数量也是相对比较多的，站内设备过电压比较下。对于表4-3以及表4-4我们可以看出，近区雷击对于变电站的造成的威胁是比较大的，远区的雷击，雷电波在较长的距离传送的过程内部衰减与波头的变缓，在站内设备上形成的侵入波的过电压是比较低。来波陡度越高的话变电站内部各个电子设备的过电压数值具有增加的趋势，在侵入波入口位置设备所受到的影响也是最大的。

（2）母线加避雷器后计算的结果与分析

对于实际的计算结果，母线在加装避雷器之后，近区落雷以及远区落雷的计算结果如表4-5以及表4-6所示。对于结果的分析为：母线在加装避雷器之后，各种的设备过电压数值显著的下降，任何一路线、母线以及设备的检修都是不需要限制其具体的操作方式，仅仅需要简单的切除检修的设备就可以实现。这是由于母线加避雷器之后，不管是通过哪种的检修模式，各个设备都是在避雷器的保护范围之内。

综合表4-3以及4-6具体的计算结果我们可以看出，变压器所承受的电压都是比较大的，这是由于变压器距离避雷器比较近，而站内的其他设备距离相邻的避雷器是比较近的。同时装避雷器的前后变压器所承受的电压变化是最小的，主要是由于变压器前安装具有一组的避雷器，侵入雷电波经过这一组的避雷器释放的大量的能量。

表4-5近区落雷母线加避雷器站内设备的最大过电压

运行方式	一	二	三	四	五	六
1号主变	1336	1264	1244	1331	1310	1232
2号主变	-	1258	1210	-	1268	1197
3号主变	-	-	1231	-	-	1178
母线接地器	1157	1122	1067	1077	1085	1064
隔离开关	1157	1139	1082	1075	1095	1077
电压互感器	1215	1244	1146	1261	1118	1107
断路器	1183	1115	1094	1069	1105	1079

表4-6远区落雷母线加避雷器站内设备的最大过电压

运行方式	一	二	三	四	五	六
1号主变	1314	1258	1198	1298	1238	1186
2号主变	-	1229	1168	-	1213	1169
3号主变	-	-	1186	-	-	1198
母线接地器	1083	1046	1064	1075	1072	1014
隔离开关	1065	1045	1020	1085	1043	1040
电压互感器	1076	1122	1054	1079	1084	1059
断路器	1072	1041	1022	1085	1027	1027

（3）高抗回路不加避雷器时计算的结果分析

对于高抗回路来说，如果进波电距离这一回路比较远的话，因为站内部各个位置安装的避雷器的保护功能，这一回路可能不会产生比较大的过电压。不过如果进波点选取在高抗回路层面的时候，则具体的情况就会出现比较大的变换，正如前面分析所论述的，侵入波入口位置的设备所受到的影响是最大的。为此在本次的研究之中选择的是第一、二、六三种运行的模式下，丢掉一组的高抗回路的避雷器，计算这一回路出线上进波时候的高抗回路设备的过电压情况，这样就考虑了最为严重时候的实际情况。进波点的你选是先出线的位置，考察这一出线高抗回路模块的过电压情况。具体如图4.12-4.14所示。

计算的结果如表4-7所示：

表4-7高抗回路不加避雷器的计算结果

运行模式	一	二	六
高抗回路的电压（2）	1349kV	1294kV	1179kV
高抗回路的电压（3）	1058kV	1047kV	1085kV

通过分析上表的数据可以看出，高抗回路在不加装避雷器的时候会产生比较大的过电压，不过呕吐更难过后面的绝缘配合计算可以知道，这一过电压并不超过设备具有的绝缘水平，同时还可以看出侵入波入口附近回路过电压明显的高于离雷击点较远的回路过电压，这同前面的分析结果也是一致的。

图4.13运行方式1高抗回路过电压的示意图

图4.14运行方式2高抗回路的过电压计算示意图

图4.15运行方式6高抗回路过电压计算示意图

5.变电站雷击保护措施

5.1合理设定设备的绝缘水平

绝缘配合的最终目标为确定电子设备的绝缘水平，所谓的电气设备的绝缘水平是利用设备的绝缘可以承受，不会出现闪络、放电或者说是其他的损害的试验电压数值表示。对于本次的研究项目之中，所采用的惯用方法确定得到变电站内部相关设备具有的实际绝缘的水平，惯用方法是依据作用在绝缘上的最大过电压以及最小绝缘强度的概念开展的配合，也就是首先确定设备上面可能出现的最危险的过电压，之后依据运行的经验乘以一个考虑各种因素的作用以及一定裕度系数，也就是所谓的配合系数，通过补偿在估计量最大的过电压以及最低的耐压强度的时候可能会存在误差，依次来决定绝缘耐受的电压水平。

确定的电气设备的绝缘水平的基础为避雷器的保护水平，也就是设备的绝缘水平与避雷器的保护水平相互的配合，避雷器的保护水平含有雷电冲击保护水平以及操作冲击的保护水平。避雷器的雷电冲击保护水平含有以下三个数据的表征：

对于标称放电的电流波形（如8/20us）以及幅值下的残压数值；对于磁吹避雷器1.2/50us标准的雷电冲击放电电压的上限。

磁吹避雷器规定的陡度下的冲击波波前的放电电压最大数值除以1.15，对于美国标准内部，避雷器额定的定压是在240KV之下，波前的陡度为1200kV/us，240kV以上的为2000kV/us，对于氧化锌的避雷器则其陡波冲击电流给定波前以及幅值下的残压数值除以1.15。取上面数值比较大的作为雷电冲击保护的实际水平。避雷器的操作冲击保护是针对于220-500kv的设备，对于磁吹阀型避雷器含有的两个数据特征如下所示：

250/2500us标准操作冲击波之下的最大火花的放电电压，规定操作冲击电流下的残压。取其中的较大者作为操作冲击保护的水平，对于氧化锌的避雷器，其操作冲击保护的水平为规定操作冲击电流之下的残压数值。对于变电站很多的电子设备内部，通过分析其中的电力变压器是最为关键的，常见的确定电力变压器的绝缘水平作为中心的环节，再确定其他设备具有的绝缘水平要求。因为母线侧以及线路侧的工频电压的升高是不同的，对于避雷器的灭弧电压氧化锌避雷器的额定电压要求也是具有较大的区别，需要采用两种不同的参数避雷器。变压器的绝缘水平应该同灭弧电压较低的变电型避雷器开展密切的配合，其他的设备则是与灭弧的电压较高的线路避雷器互相的配合使用。

对于220-500kv电气设备的绝缘水平采用的下面的两个参数来分析，全波基本冲击绝缘水平BIL也就是额定的雷电冲击耐受的电压；操作基本冲击绝缘水平BSL，也就是额定操作冲击耐受的电压。对于220-500kV的系统内部，避雷器同时用于雷电过电压与操作过电压的保护，为此变压器的全波基本冲击绝缘水平BIL与避雷器雷电冲击的保护水平Up之间取得一定的配合系数值，这一系数依据全国的运行经验以及传统的取值不同，一般是在1.2-1.4之间，对于国际电工委员会IEC规定的系数大于等于1.2，也就是：

对于我们新的行业标准的实际规定，全波冲击绝缘水平以及避雷器的标称放电电流的时候额定残压的为基础，配合系数取值为1.4，也就是：

对于本项目的研究过程内部，依据上述的规定确定的为220kv变电站的主变压器以及其他的电气设备的绝缘水平如下所示。

（1）对于变压器

变压器与灭弧电压较低的变电型避雷器为420kV进行配合，如表5-1所示：

表5-1站内的绝缘设备

避雷器灭弧的电压	420kV
该类型避雷器残压	1046kV
配合系数	1.4
BIL	1.4*1046=1464kv
选取变压器绝缘的水平	1550kV

（2）站内其他设备

对于站内的其他的设备与灭弧电压较高的线路型避雷器为（444kV）互相的配合，如表5-2所示：

表5-2站内其他设备的绝缘配置

避雷器灭弧电压	444kV
配合系数	1.4
BIL	1.4*106=1548kV
选取设备绝缘水平	1675kV

5.2确定合理的绝缘裕度

为了判断电气设备上面的雷电过电压是否是在允许的范围之内，应该是先确定设备的冲击绝缘的实际强度，再同设备上出现的过电压数值进行比较，考虑到因为绝缘的累积效应以及避雷器的运行后所出现的老化的情况，现在依据如下的原则进行配合操作。220kv电气设备的保证冲击绝缘的强度E可以全波冲击绝缘水平Ut除以保险系数的Kb获取求得。

对于220kv的电气设备受到相当于其绝缘水平的雷电冲击的概率是非常小的，为此其具有的累积效应也不会太大，为了安全起见，保险系数kb的选取以及E的计算结果如表所示。

对于电气设备的保护裕度ky是依据下面的公式计算：

上式中Ub的为设备绝缘的水平，U为设备上面的过电压。

计算的结果如下表5-3以及表5-4所示：

表5-3母线不加避雷器时候设备保护的裕度 %

运行方式	1#主变	2#主变	3#主变	隔离开关	母线接地器	电压互感器	断路器
1	13	-	-	12	12	7	12
2	15	18	-	27	17	14	27
3	19	18	19	34	33	20	29
4	14	-	-	18	22	18	18
5	19	19	-	26	25	23	25
6	23	20	23	29	34	26	29

表5-4母线加避雷器时候的设备保护裕度 %

运行方式	1#主变	2#主变	3#主变	隔离开关	母线接地器	电压互感器	断路器
1	14	-	-	31	31	27	29
2	18	19	-	32	33	26	33
3	20	22	20	35	36	32	35
4	14	-	-	36	36	25	36
5	15	18	-	35	35	33	34
6	20	23	24	36	36	34	36

为了更近异步的考虑绝缘的配合问题，对于本文项目的研究过程依据前人的分析，从更为严格的角度考虑绝缘的累积效应以及避雷器运行之后的老化情况，依据如下的原则开展配合操作，通过设备的冲击绝缘强度与设备上的过电压进行比较分析，220kv的电气设备的保证冲击的绝缘强度E可以采用的全波冲击绝缘水平Ut除以保险系数kb求得。因为220kv的电气设备受到相当于其绝缘水平的雷电冲击的概率是比较小的，为此累积的效应不会太大，为安全起见，保险系数kb的选择以及E的计算结果如表5-5所示：

对于电气设备的保护裕度ky依据的下面的公式开展计算分析：

上面的公式中U表示的为设备上面的过电压。

裕度的计算结果如表5-6以及表5-7所示：

表5-5 220kv电气设备的E值

设备名称	变压器	电压互感器	隔离开关	母线接地	断路器
Kb	1.15	1.10	1.05	1.05	1.10
Ut/KV	1550	1675	1675	1675	1675
E/KV	1348	1523	1595	1595	1523

表5-6母线不加避雷器的时候设备保护裕度 %

运行方式	1#主变	2#主变	3#主变	隔离开关	母线接地器	电压互感器	断路器
1	0.3	-	-	8	8	-2	4
2	3	6	-	23	13	6	19
3	7	6	8	30	29	12	22
4	1	-	-	14	18	10	10
5	7	6	-	22	21	15	18

表5-7母线加避雷器时候具有的设备保护裕度 %

运行方式	1#主变	2#主变	3#主变	隔离开关	母线接地器	电压互感器	断路器
1	1	-	-	27	27	20	22
2	6	7	-	28	30	18	27
3	8	10	9	32	33	25	28
4	1	-	-	33	32	17	30
5	3	6	-	31	32	26	27
6	9	11	13	32	33	27	29

为此可以看出目前不加避雷器的时候，设备的绝缘裕度是比较低的，同时出现了超出设备绝缘水平的情况。对于母线上加装避雷器之后，设备具有的绝缘的裕度会被明显的提升，对于设备的过电压保护才会变得更加的合理与有效，为此对于母线上加设避雷器是很有必要的。

5.3变电站防护措施

5.3.1构建完善的过电压监测系统

入侵电力系统的雷电波在进线端保护和站内避雷器的限制下，幅值和陡度都得到了一定程度的衰减，但是侵入变电站的雷电冲击电压波形变化规律因为避雷器的位置、站内拓扑结构和运行方式的变化等原因变得非常复杂，再加上系统内部折反射的过程，作用在设备上的雷电侵入波并非标准双指波。传统设计和冲击耐受试验中所用的雷电波形不能完全反映真实状况下电力设备内部绝缘所承受的雷电波参数特点，这将影响电力设备绝缘参数的设计和耐压试验的可靠性。因此，较为精确地掌握入侵设备的实际雷电过电压水平对于加强设备绝缘配合的合理性、设备故障诊断以及完善暂态过电压产生机理都具有十分重要的意义。

为了准确掌握变电站内入侵设备的实际雷电过电压水平以及雷电侵入波的分布和变化规律，本文提出一种测量雷击过电压入侵变电站的全过程监测方案。方案框架如图5.1 所示。

图5.1雷电侵入波过电压响应特性测量方案

首先在进线段的线路杆塔上至少布置两个测点，变电站的进线段最后一级杆塔上布置一个测点，情况容许可以增加测点。变电站之后至少布置两个测点，一个位于进线套管附近，另一个位于变压器进线侧，其间也可适当增加测点。测量输电线路上的过电压测量采用无源光电传感器，能够排除电磁干扰。测量站内的雷击过电压，以 GIS 站为例，通过预先设计或现有改造，再根据 GIS 结构上安装电容型分压器，增加阻抗变换单元，优化采集系统线缆结构，保证稳定的分压比，测量带宽也可提高至 300MHz。线路侧及站内传感器采集传输单元的采样率建议不低于 200MHz，带宽不低于 100MHz，采集长度不低于 20ms。整个监测系统的触发方式采用自触发的方式，当监测到过电压信号时，只要其中任意一个传感器的采集传输单元触发，其他所有测点均由该传感器的触发输出信号进行触发。每次所有测点采集完成之后，再通过以太网将测量结果传输至数据集中存储器及处理单元，进行进一步分析。

5.1.2 优化地网设计加强维护

良好的接地网是变电站安全可靠运行的根本保证，它是防雷接地、保护接地和工作接地三者的统一，不仅关系到雷电流的散流，同时与设备、人身安全紧密相关。变电站电位分布调研试验表明，运行多年的变电站普遍存在以下三个问题：1.地表电位分布不均；2.部分设备与地网连接不通。3.接地网存在不同程度的腐蚀。接地网设计时，一定要对变电站所在位置的地质结构和土壤率进行严格认真的勘察。由于端部效应和临近效应，导体散流电流在地网边角处急剧增加，而在中部则比较平缓，导致地表电位分布不均，接地网面积越大网孔越多，接地网边角与中心处电位分布就越不均匀，因此需要对地表电位分布做好严格的计算，敷设均压网。变电站接地网周边接地导体应布置一些垂直接地极减小接地电阻的季节变化因素。对于运行中的地网，宜定期采用工频大电流法进行接地电阻、地表电位分布试验，并检查电气设备与地网的联通情况。设备的接地引下线及水平接地体的的截面要定期进行热稳定校核，不满足要求的要及时整改。充油设备以及重要设备可以采用“双接地”的方法，即从设备的两边引下，并与地网的不同点连接，以改善散流情况、加强设备接地连接的可靠性。电缆沟附近铺设与电缆沟平行的水平接地体，每隔 6～8m 与电缆沟内的接地带连接一次，保证电缆沟内均压带接地和均匀的可靠性。

5.1.3 等电位连接

随着电力技术的发展，变电站均有完善的直击雷防护系统，户外一次设备直接遭受雷击导致损坏的可能很小，但是雷击防护系统时所产生的雷击放电和电磁脉冲，沿线路传来的雷电侵入波经设备引下线进入地网导致的电位升高，侵入波经低压变压器电磁耦合干扰电源线（如图 5.2），都有可能影响到变电站控制系统以及各种二次弱电设备的正常运行。联合接地是当今防雷接地积极倡导的一种等电位接地方式，将防雷接地、工作接地、保护接地、防静电接地等共用一个接地网，所有接地等电位能够有效减小和避免雷电反击击穿事故的发生。

图 5.2 侵入波经变压器耦合干扰电源线

即使将所有二次系统接地都联接成共用接地，发生雷击事故时各接地线之间的电位也不能保持绝对均等。一方面，雷电流设备之间的连接线上会有压降，当连接线长度较长或雷电流幅值较大时，设备工作接地之间的电位差可能导致通信接口被击穿，严重时还会导致电源接口被击穿；另一方面，设备共用接地系统后防雷接地与工作接地相通，而其与外界通过信号线或电源线相连，当接地电阻较大且接口输入阻抗较高时，高幅值雷电流依然可能导致电子设备接口被击穿。因此等电位连接时还应通过以下措施进一步提高防雷电反击的可靠性：接地引线采用多分支的形式减小单根引线泄放的雷电流；改善汇流系统的结构，减少引下线对弱电设备的感应；在电源入口装设处电涌保护器等过电压限制装置，信号线接入处可使用光耦元件来进行隔离；所有进出控制室的电缆采用屏蔽电缆，屏蔽层共用一个接地极；在控制室和通信室铺设等电位，所有电气设备的外壳均与等电位汇流牌连接。

5.1.4 提高避雷器标称放电电流

变电站设备的侵入波保护主要依靠避雷器来完成。流经避雷器的电流幅值主要受入波幅值、陡度以及避雷器数量和布置的影响。冲击作用下，入波幅值一定，陡度越高，则流经避雷器的电流幅值也就越大。实际上流过避雷器的电流还与线路的绝缘水平有关，线路的绝缘水平越高，变电站的雷电侵入波幅值就越高，通过避雷器的放电电流也就越大，为使避雷器中流过的电流不超过避雷器标称放电电流，线路的绝缘也不能与变电站内的设备相差太大。输变电设备的绝缘配合及变电站的防雷可靠性分析都以避雷器的标称放电电流下的保护水平作为基础。按照标称放电电流的定义及避雷器冲击耐受试验规定，避雷器至少能耐受标称放电电流(8/20)20 次，吸收雷电流的能量后并能在规定的额定电压以及持续运行电压下保持稳定。由于实际雷电放电是随机的，到达避雷器的雷电流也并非是标准冲击波，耐受次数也不只 20 次。但是避雷器的耐受次数的破坏极限与冲击电流的幅值有关，幅值越大，耐受次数越少。变电站正常运行时，即使出线较少，只要母线侧避雷器和线路侧避雷器都能同时正常运行，通过 1000k V 避雷器雷电放电电流>20k A的可能性很小。但对于特殊运行方式，如断路器在热备用状态，及线路雷击故障，断路器处于分闸状态时遭遇接续性高幅值雷击时，或者反击雷电流幅值达到 300k A 以上，通过断路器线路侧避雷器的雷电放电电流可能很大，完全可能超过避雷器标称放电电流。提高避雷器的标称放电电流对于避雷器动作负载稳定性、雷电通流能力、雷电过电压寿命都有很大帮助。改善避雷器的保护特性，不仅能提高被保护设备的运行安全可靠性，同时可以一定程度上降低输变电设备绝缘水平，对高电压等级将带来巨大经济效益。

避雷器时装设要尽量靠近被保护设备，减少连接线的长度以减少雷电流在连接线上的压降。同时，避雷器的连线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起，这样就有效减少了侵入波过电压对设备破坏的机会。

5.4 进线段防护措施

5.4.1 降低接地电阻

降低进线段杆塔的接地电阻能够有效的降低站内设备雷电过电压水平。另外，雷击#1 和#2 杆塔闪络时侵入波过电压水平相对雷击其他杆塔要高，进线段全线接地降阻有困难时，只降低#1 和#2 杆塔接地电阻也能有效降低侵入波过电压。对于输电线路而言，杆塔材料结构确定之后，波阻抗相当于恒定值，因此，在其条件不变时塔顶电位的大小是取决于接地电阻的。当雷击塔顶时，大部分雷电流会通过杆塔及其接地装置向大地，接地电阻越小，相同幅值的雷电流作用下塔顶电位越低，因而绝缘子闪络后进入线路的雷电流也就越小；另一方面，波阻抗末端接电阻时，波阻抗与电阻比值越大，反射系数越大，从塔底返回的反射波会拉低塔顶电位。因此，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平和减少雷电反击概率的主要措施。在土壤电阻率小于1000Ω·m的地区，杆塔的混凝土基础具有较好的吸湿性能，利用其作为自然接地极能有效降低接地电阻。但在大多数情况下只依靠天然接地极很难满足杆塔的接地要求，一般会增加人工接地装置。人工接地极的布置及其尺寸，应视土壤电阻率和杆塔结构而定。为了能让雷电流经杆塔入地有更多的散流通道，宜将接地装置做成单个接地极，分布于杆塔的各塔脚附近。若线路处于高土壤电阻率区域时，可将接地极深埋于良导电土壤层。必要时可以采用多根放射形水平接地体、连续伸长接地体、土壤降阻剂等措施。对于单层土壤，复合接地体与单一水平接地体的接地电阻差别不大，但是对于双层甚至多层土壤而言，复合接地体的散流效果明显好于水平接地体，所以在土壤分层的地区，尽量使用复合接地体。

5.4.2 架设耦合地线

降低杆塔冲击接地电阻困难时，可以采用在导线下方架设耦合地线。架设耦合地线可以增加避雷线与导线之间的耦合系数，在导线上产生更高的感应电压以降低绝缘子串上的电压从而提高耐雷水平。此外，耦合地线还可以增加对雷电流的分流作用。运行经验证明，架设耦合地线对降低线路雷击跳闸率的作用是很显著的。根据架设位置的不同，架设耦合地线方式可以分为两类：一类是直挂式耦合地线，即直接架设在中相导线上方；另一类是侧面耦合地线，架设在线路两侧或者一侧。直挂式耦合地线的架设一般是为了提高输电线路的反击耐雷水平，防止绝缘子发生反击闪络；侧面耦合地线还可以增加雷电屏蔽作用，防止边相导线被雷绕击从而降低线路绕击闪络率。

同时，受地形条件限制，架设耦合地线施工难度大且投资费用高。在实际工程中，对耦合地线的架设需要谨慎，对已经架设耦合地线的输电线路需要加强维护。

5.4.3 减小避雷线保护角

虽然电线路全线都装设有避雷线，而且沿全线装设避雷线也是到目前为止架空线路最重要和最有效的防雷措施，但是根据电气几何模型的分析，当雷电流小于最大临界绕击电流时是会绕过避雷线击中导线的，架设避雷线并不等于不会发生雷击导线的情况。若变电站处于雷电活动频繁的地区，减小避雷线保护角是针对雷电绕击非常有效的防护措施。减小避雷线保护角的方法大致可以分为以下 3 种：保持避雷线位置不变，增加导线绝缘子片数，从而稍微降低导线高度，既达到减小保护角的目的，又达到增强绝缘子绝缘水平的目的；保持避雷线与导线高度不变，改变避雷线横向距离，从而达到减小保护角的目的；保持导线高度宽度不变，增加避雷线的高度达到减小保护角的目的。

6.结束语

本文依托于实际的工程项目，对于电力系统的防雷分布计算开展分析与研究，根据理论与实际的应用结果可以得到的实际结论如下所示：

本文数显建立了输电线路的模型、电感、电容、电阻等等效模型，将分布参数线路转化为集中的参数模型，简化了计算的步骤，仅仅采用三相输电线建立等值电路的两端电量在拓扑关系上没有任何的联系，仅仅依赖于等值电流源的历史记录互相的联系。为此可以在输电线路位置将系统分块的计算，使得系统节点的电压方程阶数大幅度的降低，提升了计算的速度。本文给出氧化锌避雷器的数学模型，依赖于厂家提供的试验参数，通过最小二乘拟合的模式，确定得到氧化锌避雷器的伏安特征曲线，进而得到其计算相关参数的编程计算方案。根据输电线路的实际模型，以及氧化锌避雷器的数学模型编制的计算程序，对于220kv变电站所遭遇的雷击时候各个设备的过电压情况开展分析与计算，进而确定各个设备具有的绝缘水平，校验其含有的绝缘裕度。

通过分析计算的结果以及对比可以看出，对于220kv变电站的母线如果不含有避雷器的话，站内部的设备过电压数值偏高，设备的绝缘裕度数值比较低，同时可能会出现超出设备绝缘水平的实际情况。母线装设避雷器之后，各种设备的过电压数值明显的降低，任意一线路、母线以及设备的检修都是不会限制其操作的模式，仅仅是简单的切除检修设备就可以实现，不管是哪种的检修模式，各个设备都是在避雷器的保护范围指捏，设备的绝缘裕度被明显的提升，对于设备的过电压保护则是变得更加的合理与有效。为此对于本文研究的两条母线上应该安装避雷器，高抗回路不加装避雷器的时候，这一回路上就是会出现较大的过电压，但是计算表面过电压数值没有超过设备的绝缘水平，具有一定的裕度，侵入波入口附近回路的过电压明显高于离雷击点较远的回路的过电压。为此综合的考虑设备的安全以及经济性，建议对于高抗回路上面可以不加避雷器。计算分析表明计算变电站的雷击过电压，可以比较好的反映得到站内的实际过电压水平，计算的结果具有较为优异的参考价值，可以满足于工程设计的时候实际需求。

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变电站雷击过电压分析与防治研究