基于避雷器模型的雷电和开关过电压研究

主要收获

• • 绝缘协调目标确立了相关标准，使每个避雷器和暂态结果都具有实际意义。

  • 保护范围取决于浪涌传播距离、断路器参数以及整个场区各端子具体的检查情况。

  • 在严苛工况下，只有在同时验证了限流器性能和能量承受能力后，避雷器的选型才算完成。

准确的避雷器模型可以显示变电站保护系统在何处能发挥作用，又在何处会失效。

根据经验法则，即使将避雷器安装在线路隔室附近，变压器套管仍可能暴露在高于绝缘裕度允许范围的暂态过电压之下。雷电和开关浪涌不会在最近的保护装置处停止。它们在穿过母线段、引线、终端和设备时会传播、反射并使电压陡升。约 约2500万次云对地闪电 。这一规模至关重要，因为每个暴露的线路入口都可能将快速浪涌注入变电站，因此，针对变电站的可靠防雷研究必须将网络视为一组具有有限保护裕度的行波路径。

瞬态过电压研究从绝缘协调目标入手

瞬态过电压研究首先要从绝缘协调入手，因为后续的所有建模选择都取决于需要保护的耐受裕度。如果该目标不明确，则避雷器的额定值、引线长度以及击穿位置都将失去意义。此时，你所做的已不再是验证保护措施，而仅仅是绘制波形图。

一个实际案例是：一个耐650 kV雷电冲击电压的变压器端子，通过几米长的导线连接到母线。在将避雷器残余电压、引线电感和局部反射考虑在内后，你的研究需要将该端子的峰值电压与该极限值进行比较。若结果为540 kV，则表明存在有用的裕度；若结果为640 kV，虽然从理论上看似乎可以接受，但仍留有很少的余地来应对建模误差、老化或参数不确定性。

同样的逻辑也适用于开关分析。断路器对无负载线路通电时，可能会对变压器、电抗器和电缆终端施加强度较小但持续时间较长的应力。如果首先为每个暴露的端子设定明确的耐受目标，您就能知道在哪些情况下可以使用简化模型，而在哪些情况下必须采用更详细的模型。这种顺序将分析从一般的仿真转变为可付诸行动的保护检查。

浪涌保护器的型号必须能够再现残余电压

“只有当浪涌保护器的残余电压与实际到达它的电流波形相匹配时，该保护器才有效。”

额定电压和连续工作电压对于防雷研究而言是不够的。该模型必须能够正确响应陡峭的上升沿和变化的电流幅值。这种响应将决定您的设备所承受的电压。

应将金属氧化物压敏电阻模型拟合到制造商在相关放电电流下的残余电压点，然后将其与实际的引线电感连接起来。大多数负闪电的电流约为 30,000 A，因此，仅针对标称测试点调谐的模型将无法覆盖近距离雷击期间决定钳位水平的电流范围。通过线路避雷器进入的陡峭上升沿，可能会迫使避雷器承受比静态曲线所示更高的瞬时电压。

开关操作情况也需要同样的关注。变压器通电事件可能会在较长时间内产生较低的电流，而同一避雷器在此情况下将表现出不同的保护水平和不同的能量吸收量。如果您的模型无法同时再现雷电和开关操作的残余行为，避雷器布置分析就只能靠猜测。您虽然仍能得到一张图表，但无法确定受保护的端子是否真正得到了保护。

防雷研究必须涵盖变电站的浪涌路径

防雷研究必须反映浪涌从线路入口到每个裸露端子的传播路径。入射波会在接头处分支，在不连续处反射，并在开端处陡增。这些路径效应决定了最高电压出现在何处。仅靠线路末端的单次测量无法反映这一规律。

一个常见的变电站布局能清楚地说明这一点。来自架空线路的雷击首先到达第一座避雷塔，穿过测量设备，然后分流至主母线和变压器支路。某一支路上的断路器处于断开状态时，可能会将反射波传回母线T型接头；而另一支路上的电缆段则会改变浪涌速度和阻抗。峰值最高处可能出现在一个端子上，该端子在物理位置上比第一个避雷器更远离雷击点。

在此，接地细节同样至关重要。过长的避雷线、过高的支撑结构，或是建模不准确的母线段，都会在出乎意料的地方产生电压。因此，瞬态过电压仿真必须考虑影响波传播的导体长度和连接点。只有看清路径，才能验证整个变电站的防雷保护覆盖范围，而不是假设保护范围从某一台设备均匀延伸开来。

开关过电压仿真需要可靠的断路器时序细节

开关过电压仿真需要断路器的时间参数细节，因为重合闸、预合闸、极间时间差以及电流锯齿波形都会影响设备所承受的峰值应力。断路器的动作并非单一的理想开闸或合闸瞬间，每个极的动作时间都略有不同。这种时间差异会改变暂态波形以及避雷器的工作状态。

一条230 kV输电线路的带电合闸案例说明了这一点的重要性。其中一个极可能比其他极提前几毫秒合闸，线路中可能残留着前一次分闸时积存的电荷，且电源侧电压可能已接近峰值。这种序列会在远端产生一个峰值，其数值远高于三极同时合闸时产生的峰值。如果断路器模型采用相同的极时序，则会使该事件显得平缓，从而低估开关浪涌的实际值。

合闸情况也应采用同样的处理方法。反应堆中断可能导致电流突变，随后产生的恢复电压会导致单极重合闸。由此产生的振荡可能从断路器端子传播到附近的变压器或电容器组。若要可靠地模拟开关过电压，断路器的详细参数应纳入保护模型中，并予以充分考虑。

避雷器的安装位置应根据各端子处设备的暴露情况确定

避雷器的布置应基于对每个端子暴露程度的评估，而非以固定间距布置设备并假设整个区域均已覆盖。端子暴露程度取决于浪涌到达路径、局部反射、引线长度以及绝缘强度。距离最近的避雷器并不总能使端子电压降至最低。图表上的距离并不等同于保护裕度。

通过主母线分支连接的变压器可以说明这个问题。虽然安装在线路入口处的避雷器会在那里钳制第一波，但如果分支线路较长且变压器避雷器位置过远，变压器的高压套管仍可能出现陡峭的反射峰值。电缆终端也存在同样的问题，因为波在电缆中的传播以及在开放端产生的反射，会在第一次钳制作用后导致局部电压升高。

只要将每个端子与其自身的耐受水平进行对比，布点决策便会明朗。这种方法通常会导致同一分隔室内设置多个避雷器，有时也会证实仅需一个避雷器即可。关键在于证据。您应根据测得的暴露程度（而非经验法则），在浪涌造成应力的端子上安装保护装置。

必须在每个关键节点检查保护覆盖范围

只有在可能发生绝缘失效的每个节点上测量瞬态电压时，才能验证保护范围。仅检查避雷器端子是不够的。您需要获取关键设备端子处的峰值、波形前沿形状以及裕度。

 “覆盖范围取决于同一事件期间整个网络的响应情况。”

一种实用的工作流程可对线路入口、母线接头、断路器端子及设备套管处的同一事件进行分析。 SPS SOFTWARE 非常适合这项任务，因为您可以在一个可编辑的网络模型中检查避雷器的行为和波的传播情况，而无需将每个设备视为“黑匣子”。这使得测试近距离雷击、远距离雷击以及开关操作事件变得更加容易，而无需针对每种情况都重新构建变电站。当某个节点超过目标值时，您可以判断解决方案是更换新的避雷器、缩短引线，还是调整安装位置。

• 同时测量线路入口处的浪涌电压和第一个钳位点处的电压。
• 对照各变压器和电抗器的耐受目标，检查其各端子。
• 在闭合和断开操作过程中，对每个断路器的两侧进行检测。
• 检查总线T型接头和分支点，这些位置的反射可能会导致局部峰值。
• 检查电缆端头和裸露端是否存在反射过电压

当项目后期布局发生变更时，覆盖率检查也能确保研究的准确性。导线长度的微小变化或新增的T型接头，都可能导致最严重的峰值转移到另一个节点。如果您的研究仅记录一两个电压值，就会忽略这种变化。全面的节点检查能将防雷设计从图纸上的注释转化为经过验证的电气结果。

对于严重情况，必须验证避雷器的能量额定值

必须检查避雷器的能量承受能力，因为即使某款设备能将电压限制在可接受范围内，其吸收的能量仍可能超过其热设计所能承受的范围。电压保护与能量承受能力虽有关联，但并非同一项测试。在严酷的雷击和开关操作工况下，设备可能通过其中一项测试却未能通过另一项。在结案前，必须同时获得这两项测试的结果。

落点靠近进线处的雷击便是明显的例子。第一个电流脉冲会使避雷器进入导通状态，随后来自变电站场区及连接线路的反射能量，会使电流持续时间比单纯的波形所示更长。开关再击也会产生类似效应，只是电流较小且持续时间更长。能量消耗必须根据避雷器随时间变化的电压和电流来计算，而不能仅凭峰值电流来估算。

多事件工况也值得关注。故障后的重新合闸、反复重合闸，或调试期间的一系列操作，都可能使同一台设备承受累积的热应力。因此，避雷器能量工作负荷的计算应纳入瞬态分析之中。当您将模拟得到的工作负荷与设备在极端工况下的能力进行对比时，就能判断避雷器在完成保护任务后是否仍具有裕度。

简化的假设可能会掩盖具有破坏性的过电压峰值

简化的假设会掩盖具有破坏性的峰值，因为它们抹去了导致这些峰值产生的细节。理想断路器、零长度引线、单点电压检测以及通用避雷器曲线，都会使结果给人一种虚假的安全感。被忽略的峰值通常出现在远程终端。这正是基于规则的布线方法所存在的漏洞所在。

当模型假设线路入口处仅安装一个避雷器、开关操作理想且无支路反射时，变电站看似受到保护。但一旦考虑实际的导线长度、变压器支路、断路器极间距以及避雷器的实际残余曲线，情况就会发生变化。 在520 kV电压下看似安全的变压器套管，在近距离雷击或二次雷击事件中，其电压可能远超其协调裕度。这种变化并非建模中的小问题，而是绝缘必须承受的实际电气工况。

经过严谨的瞬态过电压仿真，您将获得可靠的判断依据。您可以清楚地看到防雷保护的覆盖范围、避雷器布置需要优化的位置，以及哪些极端情况构成了真正的设计极限。当您需要透明的模型来展示避雷器的行为以及浪涌在变电站内的传播路径时，SPS SOFTWARE正是该流程中不可或缺的一环，因为清晰的物理原理能带来明确的保护方案选择。正是通过这种方式，您才能在实际雷击暴露保护漏洞之前，及时弥补这些漏洞。