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摘要：智能变电站作为智能电网的重要组成部分，通常具有部分采集、控制、保护、监控等功能的电子设备从控制室下放到开关场区的一次设备附近，并集中放置在汇控柜中的智能组件内。本文结合智能变电站与常规变电站对比的特殊性，分析了雷电直击智能变电站内金属架构情况下对智能组件的影响。本文的研究表明雷电流对智能变电站内的智能组件或二次设备的影响与雷电对常规变电站内二次设备的影响存在电缆数量减少、存在部分短电缆、需要考虑低幅值雷电的影响三种特殊性，并且结合实际110kV智能变电站的计算表明，短电缆的影响可以不需要考虑，低幅值雷电需要在电压等级较高的变电站考虑，智能站的电缆数量虽然减少，但是仍然优于仅存在单根电缆的情况。因此高幅值雷电直击避雷针仍然是对智能组件影响的主要因素。
关键词：变电站；智能组件；雷电；浪涌；电缆
1引言
智能变电站作为智能电网的重要组成部分，通常具有部分采集、控制、保护、监控等功能的电子设备从控制室下放到开关场区的一次设备附近，并集中放置在汇控柜中的智能组件内。在雷电直击智能变电站内避雷针或其他金属架构时，可能会由于这种新的布置形式在与智能组件连接的电缆端口产生与常规变电站现有电磁兼容设计要求不同的浪涌干扰电压。
变电站遭受的雷击主要有两个方面：一是雷直击在变电站的电气设备上（直击在避雷针上）；二是架空线路的感应雷过电压和直击在线路上的雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。感应雷过电压一般不会超过500kV，对高电压等级变电站一般不会产生大的危害，所以变电站防雷重点是直击雷保护问题。在智能变电站中，合并单元、智能组件大多通过光缆与主控室内的二次设备相连，只有直流或交流供电仍采用电缆，并与现场的智能组建连接，因此会受到直击雷的影响。
2雷电对智能变电站影响的特殊性
智能变电站与常规变电站相比传感器大量应用以及智能组件直接置于开关场区一次设备旁边，这导致雷电直击站内金属架构时，雷电流对智能变电站内的智能组件或二次设备的影响与雷电对常规变电站内二次设备的影响存在以下三点主要差异：
1、智能变电站内连接智能组件与主控室内光缆的大量使用，导致雷击避雷针等金属架构时产生的电位差干扰，将主要存在于电源电缆。但是原来可以分担电流的大量电缆屏蔽层的缺失，使得电源电缆屏蔽层流过电流增加，可能导致二次设备或智能组件电源端口干扰电压增大。
2、虽然智能变电站内光缆大量使用，但是主要存在于连接智能组件和二次设备之间，一次设备与智能组件的连接仍然存在大量电缆，这些电缆的特点是电缆短、传感器多样、不同厂家制造的设备电缆两端接地方式不统一，这必然导致常规变电站中原本不存在的干扰引入途径。
3、在低幅值雷电绕过避雷针直击变电站内金属架构时，由于常规变电站内不存在置于开关场一次设备附近的智能组件，并且由于雷电幅值低，因此不考虑这种低幅值雷电对常规变电站二次设备的影响，但是这种通过金属架构入地的雷电如果恰好通道附近存在智能组件，其影响将不可避免。
本文将对这三种雷电直击智能变电站金属架构情况下的影响形式进行分析，为了简化描述，将上述三种差异导致的影响分别称为少电缆影响、短电缆影响、低幅值雷电影响。
3建模与计算方法
如引言所述，已经有大量文献研究了雷电直击变电站内金属架构情况下，本文不在赘述，在此只给出主要的计算流程。计算时首先获得雷电流不同频率分量沿金属架构入地后在地网导体产生的电位差，再结合电缆的特性参数计算电缆端口的干扰电压。具体计算步骤如下：
（1）利用快速傅立叶变换技术对雷电流波形进行变换，得到雷电流的频率特性。需要注意的是变换时应满足采样定律，否则，计算结果将会产生混叠效应，导致计算结果的误差；
（2）建立包含电缆屏蔽层的接地网计算模型，采用矩量法计算各频点下单位入地电流对应的电缆屏蔽层电流分布和电缆两端电压；
（3）将各频点对应的地电位分布与雷电流频率特性对应相乘，然后采用快速傅立叶反变换技术对其进行变换，最终得到雷击变电站接地网的电流和电压时域分布；
（4）以电缆屏蔽层电流和电缆两端电压作为激励源，对于长度超过最高频率1/10的电缆应用传输线法结合电缆的单位长参数计算电缆端口芯线间的电位差和芯线对屏蔽层的电位差，对于长度不超过最高频率1/10的电缆，利用电缆的转移阻抗直接计算电缆芯线和屏蔽层间的电位差；
上述方法在较多文献中都有阐述，在电缆屏蔽层与地网双端直接连接的情况下，电缆电流主要由于接地网导体上的电位差产生，一般不用考虑电缆是否埋设与土壤中或置于电缆沟的空气中。
上述方法对于电缆双端接地的情况可以直接应用，即1.1节所述的少电缆影响分析可以直接计算。而短电缆问题，按照作者的调研，连接电缆形式繁多，除了采用绞线直接连接情况下双端浮地外，一般具有屏蔽层的电缆在智能组件侧屏蔽层一般都接地，而在传感器侧，受传感器形式、厂家设计方式等影响，屏蔽层接地方式复杂。因此在前面第二步中，要考虑实际情况建立电缆屏蔽层与接地网连接方式的计算模型。
4实际110kV智能变电站的计算
本节以某110kVAIS智能变电站为例，计算了雷击避雷针和金属架构情况下，在长电缆和短电缆端口的干扰电压。其中K1为避雷针，长电缆连接P1与P2，如图红色粗线；短电缆连接P3与P4，如图蓝色粗线。在P3点附近有金属架构，距离P32m，按照前面的计算方法，避雷针高21m，在这一位置，可以有10.2kA的雷电流入地。
本文计算了雷击避雷针情况下，在电缆端口的干扰电压。计算时雷电流幅值取100kA，雷电流的波形采用2.6/50μs。
智能变电站内连接智能组件与主控室的信号和控制线路为光缆，但是其用于供电的线路为电缆，因此计算时针对电源电缆进行分析。并且考虑到最长的电缆为从点P2到主控室P1以及P3到主控室P1的两根电缆L1和L2，如图1中的绿色和蓝色标识。四根避雷针中K3、K4距离P2和P3最近，下面给出了雷击避雷针K3和K4情况下，在绿色和蓝色电缆两端的感应电压波形进行分析。
5结论
本文结合智能变电站与常规变电站对比的特殊性，分析了雷电直击智能变电站内金属架构情况下对智能组件的影响，主要结论如下：
（1）雷电流对智能变电站内的智能组件或二次设备的影响与雷电对常规变电站内二次设备的影响存在电缆数量减少、存在部分短电缆、需要考虑低幅值雷电的影响三种特殊性；
（2）结合实际110kV智能变电站的计算表明，短电缆的影响可以不需要考虑，低幅值雷电需要在电压等级较高的变电站考虑，智能站的电缆数量虽然减少，但是仍然优于仅存在单根电缆的情况；
（3）高幅值雷电直击避雷针仍然是对智能组件影响的主要因素。
参考文献:
[1]Q/GDW383-2009智能变电站技术导则[S].国家电网公司，2009
[2]李中新，袁建生，张丽萍，变电站接地网模拟计算，中国电机工程学报，1999，19（5）：76-79