变电站实测雷电侵入波统计特性及测试分析

司马文霞，兰 星，杨 庆，袁 涛
（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400030）
摘 要：目前变压器绝缘设计和试验研究常采用 1.2/50 µs 的标准雷电波，但是有关站内实际雷电侵入波的研究成 果较少，不利于变压器的合理绝缘设计和绝缘考核。为了给变压器合理的绝缘配合提供技术依据和支撑，首先统 计得到了某 110 kV 变电站内实际雷电侵入波的时间参数，然后对比研究了变压器油纸绝缘在该站实测雷电侵入波 和标准雷电波作用下的击穿特性。统计显示：该站实测波前时间主要在几十 μs 以内，波尾时间主要在几百 μs 以 内，与 1.2/50 μs 的标准雷电波形相差甚远，站内具有 50%统计概率的波前时间和波尾时间分别为 20 μs 和 198 μs。 试验结果表明：油纸绝缘在实测雷电波和标准雷电波作用下的 50%击穿电压 U50 和 50%伏秒特性曲线均存在明显 差异，在 20/198 μs 的实测雷电波作用下，油纸绝缘的 U50 比标准雷电波作用时高 10%以上，其 50%伏秒特性曲线 也位于标准雷电波之上。变压器最佳的绝缘配合方式还需要综合考虑大量的实测雷电数据。 关键词：变压器；实际雷电侵入波；统计特性；时间参数；击穿特性；绝缘配合
而提高设备造价[1]，特别是电压等级比较高的电力 设备。
纵横交错的高压电网极易遭受雷击。雷电过电 压沿输电线路侵入变电站，对变压器的安全运行造 成了威胁。因此，在决定变压器雷电冲击绝缘水平 时，较为精确地掌握变压器上的实际雷电过电压水 平对合理选择绝缘配合十分重要[1]。近年来，有关 站内实际雷电侵入波的研究已经引起了关注[2-4]。但 这些研究仅仅只对实测雷电波的波形特征做出了简
Statistical Properties and Test Analysis of the Measured Lightning Invasion Waves in a Substation
SIMA Wenxia , LAN Xing , YANG Qing , YUAN Tao
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400030, China)
定了该过电压波形所包含能量的大小。故本文通过
能量相等的方法求取原振荡波形的等效波尾时间。
同一绝缘介质下，原振荡波形能量为
∫ E* =
ta 0
|
U
z
(t
)
|2
dt
(1)
式中：Uz(t)为原振荡波形；ta 为过电压持续时间。
1 实测雷电侵入波时间参数的获取
1.1 110 kV 过电压在线监测系统 1.1.1 监测系统结构
该 110 kV 过电压在线监测系统的硬件部分包 括了过电压传感器、信号调理及触发装置、数据变 频采集电路、工控机和远程管理信息(MIS)系统等模 块[2]。下面将对过电压传感器和数据变频采集系统 进行简单的介绍。
将采集到的某一雷电侵入波进行上述小波分 解，滤波后的电压信号取前 12 层细节信号之和。滤 波前后的雷电侵入过电压信号见图 2。
由图 2 可以明显地看出变压器上的雷电侵入波 不同于 1.2/50 µs 的标准雷电波，它是衰减振荡的非 标准雷电波形，这可能是因为站内存在 LC 振荡以 及雷电过电压引起变压器绕组谐振所致[7-9]。整个振 荡的持续时间大概为 5 ms。 1.3 基于能量法求取雷电侵入波时间参数 1.3.1 能量法原理
图 1 套管末屏电压传感器安装位置示意图
Fig.1 Location of the bushing tap voltage sensor
1.2 侵入波信号提取 对于采样频率为 5 MHz 的雷电过电压信号，其
有用信息大都集中在高频段[3-4]，故采用小波变换的 方法将雷电过电压的低频和工频成分滤除，使其高 频成分更加明显。对采集到的雷电过电压信号分解 12 层，将其逼近信号(对应频带范围为 0~600 Hz 的 信号)滤除，足以获取雷电过电压信号的有用信息， 故再进行小波分解已无必要。
Abstract：A standard wave shape of 1.2/50 μs is often used for the insulation design and experimental researches of transformers. However, research achievements on the actual lightning invasion waves are much few, which is not good for the reasonable insulation design and assessment for transformers. In order to provide the technical basis and support for the insulation coordination of transformers, the statistical regularity of time parameters is achieved, based on the measured lightning data of an 110 kV substation. Then the breakdown characteristics of oil-paper are studied by contrast under both measured waveform and the standard one. Statistics show that the measured front time is mainly within a few microseconds, while the tail time is within a few hundred microseconds. Far different from the standard lightning wave shape of 1.2/50 μs, the front time and the tail time with 50% statistical probability of the lightning invasion waves in the substation are 20 μs and 198 μs respectively. The experimental results explain that the 50% breakdown voltage U50 and 50% voltage-time characteristic curves of oil-paper are both much different with two overvoltage waveforms. The U50 of oil-paper with the wave shape of 20/198 μs is over 10% higher than that with the standard wave shape, and the 50% voltage-time characteristic curves are above the standard ones. It is indicated that the best insulation coordination of transformers are needed to take a large number of the actual lighting data in consideration synthetically. Key words：transformer; actual lightning invasion wave; statistical property; time parameter; breakdown characteristics； insulation coordination
0 引言1
在给电力设备确定一个合理的绝缘水平时，首 先应对设备上实际出现的过电压进行深入的研究和 分析。这既是为了保证设备在过电压作用下有足够 的耐受强度，又不因电力设备的绝缘裕度取得过大 ———————
基 金 资 助 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (973 计 划 ) (2009CB724504)。 Project supported by National Basic Research Program of China (973 Program) (2009CB724504).
1）过电压传感器 过电压传感器的实现是过电压在线监测的关 键环节。该监测系统通过特殊设计的套管末屏电压 传感器来实现过电压的采集[12]。 2）数据变频采集系统 该系统以不同的采样频率和采样长度进行信 号采集，以便能够采集到雷电过电压和内部过电压， 同时节省内存。本系统采用 INSULAD2053 型变频 数据采集卡，其中 1 个采样频率设定为 5 MHz，采 样长度为 15 ms，主要记录雷电过电压及操作过电 压；另 1 个采样频率设定为 200 kHz，采样长度为 935 ms，主要记录暂时过电压。 1.1.2 监测系统安装位置 该系统安装于某 110 kV 变电站，该站有 5 条 110 kV 线路，6 条 35 kV 线路和 3 条 10 kV 线路，2 台容量为 31.5 MVA 的主变压器。套管末屏电压传 感器安装于电容式套管末屏抽头处，见图 1。
第 41 卷 第 1 期：21-27 2015 年 1 月 31 日
DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2015.01.003
高电压技术 High Voltage EnБайду номын сангаасineering
Vol.41, No.1: 21-27 January 31, 2015
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高电压技术
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单的定性总结，并没有对其进行定量分析，更没有 开展有关实测雷电波和标准雷电波的对比试验。
目前有关实测雷电侵入波的研究成果较少，变 压器上雷电侵入波的研究常常采用电磁暂态数值仿 真技术[5-6]，但仿真中各种模型的简化一般难以真实 反映电网中的波过程。研究表明[7-9]，进线段衰减、 折反射、变压器绕组谐振以及站内的 LC 振荡使得 变压器上的实际雷电侵入波与实验室常采用的 1.2/50 μs 的标准雷电波[10-11]截然不同，而变压器绝 缘设计和试验研究仍采用标准雷电波形。实际雷电 侵入波作用下，变压器油纸绝缘的击穿特性尚不清 楚，不利于变压器的合理绝缘设计和绝缘考核。据 此，本文对某 110 kV 变电站的实测雷电侵入波数据 进行了统计，研究了实测波形的时间参数，并对比 研究了变压器油纸绝缘分别在实测雷电侵入波和标 准雷电波作用下的击穿特性，为今后变压器合理的 绝缘配合提供了技术依据和支撑。
一般来说，过电压峰值和波前时间对绝缘介质 的击穿电压影响较大，故使得等效波形与原振荡波 形的波前和峰值电压保持一致，等效波前时间为原 振荡波形的电压起始零点到电压峰值点的持续时
司马文霞，兰 星，杨 庆，等：变电站实测雷电侵入波统计特性及测试分析
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间[14]，可直接求出。
当波前和峰值电压一定时，波尾时间的长短决
由图 2 可知，变压器上实际遭受振荡雷电侵入 波的作用。但该高压振荡波形不尽相同，且实验室 不易产生，不利于试验研究。相关研究表明，在上 述振荡过电压作用下，绝缘介质击穿电压的极性效 应不明显，波形频率对绝缘介质击穿特性的影响不 大[13]。为了便于试验研究以及与现行标准雷电波进 行对比，文中将原振荡波形绝对值化，同时忽略其 振荡频率的影响，采用非周期双指数过电压波形来 等效上述振荡波形，以求得实测雷电侵入波的时间 参数。