1 000 kV 變電站雷電侵入波防護(hù)分析

張 榆，劉 念，秦 斌，徐 誠

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

在中國的特高壓電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃中，將以1 000 kV 交流特高壓輸電為主形成國家特高壓電壓等級(jí)骨干的網(wǎng)架，以實(shí)現(xiàn)各大區(qū)域電網(wǎng)的同步強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)國家電網(wǎng)的戰(zhàn)略舉措，這也是今后大電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)的主要趨勢［1］。2006年8月，國家電網(wǎng)公司晉東南—南陽—荊門1 000 kV 特高壓交流試驗(yàn)示范工程開工建設(shè)，在2020年前后，將建成覆蓋華北—華中—華東的堅(jiān)強(qiáng)的交流特高壓同步電網(wǎng)。

盡管特高壓線路由于塔高及走廊面積的因素，遭受雷擊的概率較低電壓線路增大，由于其絕緣等級(jí)高，雷擊跳閘率并不高，尤其絕緣子閃絡(luò)造成線路短路停運(yùn)故障的概率很小。但對(duì)于特高壓進(jìn)線段遭受雷擊反擊或繞擊后，未造成短路停運(yùn)故障，雷電過電壓波傳入特高壓變電站會(huì)對(duì)電站二次設(shè)備，特別是特高壓變壓器造成嚴(yán)重的損害。

特高壓變電站的設(shè)備雷電過電壓絕緣水平和避雷器的布置方案，主要取決于雷電侵入波過電壓的計(jì)算結(jié)果。由于特高壓變電站在電網(wǎng)中位置重要，投資巨大，如果計(jì)算結(jié)果過低，則易造成變電站故障過多，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響;而如果計(jì)算結(jié)果偏于保守，則會(huì)在經(jīng)濟(jì)上會(huì)造成巨大浪費(fèi)。因此，準(zhǔn)確詳細(xì)地計(jì)算雷電侵入波過電壓對(duì)電力系統(tǒng)合理的絕緣配合以及安全運(yùn)行很有意義［2］。

1 模型參數(shù)選擇

這里以中國某特高壓HGIS 變電站為工程背景，雷電模型、桿塔模型、進(jìn)線段線路模型、絕緣子閃絡(luò)模型、避雷器模型均根據(jù)參數(shù)特點(diǎn)自己定義，變電站內(nèi)的設(shè)備，如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器、電抗器等，在雷電波作用下，均用等值沖擊入口電容表示。

1.1 1 000 kV HGIS 變電站等效電路圖

圖1 是該特高壓HGIS 變電站的等效電路圖，其采用雙斷路器雙母線接線方式，僅考慮一回出線(L1)和一臺(tái)主變壓器(T)運(yùn)行，出線接至雙斷路器串，主變壓器經(jīng)臨時(shí)接線連接兩條母線。

圖1 某特高壓HGIS 變電站電氣主接線簡圖

1.2 雷電模型

雷電流屬于單極性脈沖波［3］。對(duì)中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦雷電流幅值分布的概率P 為

式(1)中，I 為雷電流值，kA;P 為幅值大于I 的雷電流概率，選取1.44‰概率的雷電流幅值為250 kA，波形為2.6/50 μs，式(2)是該條件下雙指數(shù)波形的表達(dá)式。

1.3 進(jìn)線段模擬

桿塔模型:實(shí)際上，雷電波沿桿塔傳播時(shí)，不同高度桿塔部分的單位長度的電感和電容都不相同，這就使得沿桿塔分布的波阻抗是變化的，在實(shí)際的工程計(jì)算中，桿塔的計(jì)算時(shí)采用多波阻抗模型，將桿塔分成幾部分模擬，計(jì)算結(jié)果比集中電感更符合實(shí)際［4］。這里計(jì)算的HGIS 變電站2 km 進(jìn)線段內(nèi)采用的是酒杯桿塔，且是單回輸電線路，其多波阻抗模型如圖2 所示。

線路進(jìn)線段參數(shù):這里進(jìn)線段架空線路采用ATP－EMTP 中的頻率分析模塊“JMarti”模擬，忽略導(dǎo)線電暈。

1.4 絕緣子串模擬

圖2 進(jìn)線段酒杯塔的多波阻抗模型

絕緣子串模型見圖3，圖中F(OUT)是輸出函數(shù);DEV 52 是一個(gè)比較器，將絕緣子串兩側(cè)過電壓與其閃絡(luò)伏秒特性進(jìn)行比較;MIN or MAX 是控制開關(guān)的輸出量，當(dāng)絕緣子串過電壓曲線與其伏秒特性曲線相交時(shí)，此時(shí)判據(jù)部分給定一個(gè)輸出并傳給控制開關(guān)部分，控制開關(guān)部分將這一輸出保持，即絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)［5］。

圖3 絕緣子串模型

1.5 設(shè)備參數(shù)

站內(nèi)設(shè)備參數(shù)如表1 所示。

表1 站內(nèi)設(shè)備等值入口電容及沖擊絕緣水平

圖4 避雷器的伏安特性曲線

圖5 某特高壓GIS 變電站電氣主接線簡圖

1.6 避雷器模型

1 000 kV 特高壓系統(tǒng)采用的金屬氧化物避雷器，額定電壓為828 kV，標(biāo)稱放電電流為20 kA，雷電流保護(hù)水平為1 620 kV。ATP－EMTP 中避雷器生成的非線性伏安特性曲線如圖4。

2 仿真研究

2.1 模型建立

當(dāng)所有條件給定，運(yùn)用ATPDraw 可以畫出變電站雷電侵入波的仿真電路圖，并且填入各個(gè)模型的計(jì)算數(shù)據(jù)，調(diào)試運(yùn)行程序即可得到計(jì)算結(jié)果。單線路單變壓器雙斷路器運(yùn)行的仿真模型圖如圖5。

2.2 仿真結(jié)果

對(duì)于雷電流幅值250 kA 雷擊桿塔1 號(hào)，圖6 為主變壓器T 上的過電壓曲線圖，變電站內(nèi)高抗R、出線CVT－L、主變壓器CVT－T 和主變壓器T 上最大過電壓幅值和出現(xiàn)時(shí)刻如表2。

圖6 主變壓器上過電壓波形

表2 各設(shè)備上的電壓最大值及出現(xiàn)時(shí)間

由表2 計(jì)算結(jié)果可知，避雷器初始配置方案在單線單變雙母線運(yùn)行方式下基本滿足要求，采用引起絕緣子閃絡(luò)的最大繞擊電流30 kA，繞擊桿塔1號(hào)與桿塔2 號(hào)檔距時(shí)，主要電氣設(shè)備也均有一定的保護(hù)裕度。

3 不同因素對(duì)侵入波過電壓的影響

3.1 雷擊點(diǎn)的影響

雷擊點(diǎn)距變電站距離的不同，使得在變電站設(shè)備上產(chǎn)生的過電壓會(huì)有差異［6］。一般來說，雷擊點(diǎn)距變電站越遠(yuǎn)，產(chǎn)生過電壓越小，因?yàn)槔纂姴ㄔ诰€路傳播的過程中產(chǎn)生了衰減和畸變。這里對(duì)該變電站不同的落雷點(diǎn)進(jìn)行了仿真，雷擊1 號(hào)塔和2 號(hào)塔時(shí)變壓器上過電壓結(jié)果如圖7 所示。

根據(jù)圖7 變壓器上的過電壓波形比較可得出，雷擊1 號(hào)塔過電壓幅值小于雷擊2 號(hào)塔，這是由于線路波阻抗遠(yuǎn)小于站內(nèi)外架空線路，而1 號(hào)塔距HGIS 變電站距離短，雷電波迅速在HGIS 入口處產(chǎn)生負(fù)反射，與入侵波又進(jìn)行疊加，降低了過電壓［7］。

3.2 沖擊接地電阻的影響

圖7 不同雷擊點(diǎn)過電壓波形

這里通過對(duì)線路桿塔沖擊接地電阻的不同取值，計(jì)算變電站正常運(yùn)行，雷擊1 號(hào)桿塔在主變壓器上產(chǎn)生的雷電過電壓水平，計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 接地電阻不同時(shí)的計(jì)算結(jié)果

從表3 中數(shù)據(jù)可以看出，桿塔接地電阻大小的改變對(duì)于計(jì)算結(jié)果的變化有非常顯著的影響。隨著桿塔沖擊接地電阻值的降低，主變壓器上過電壓值逐漸減小。

3.3 工頻電壓的影響

因?yàn)槔纂姙樨?fù)極性，與工頻電壓疊加，因而工頻電壓處于負(fù)半周時(shí)落雷更容易形成高的過電壓。表4 為不同工頻相角在主變壓器上產(chǎn)生的過電壓及流過避雷器的最大電流。

表4 工頻相角對(duì)過電壓幅值的影響

3.4 避雷器對(duì)雷電過電壓的影響

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，變電站內(nèi)如果沒有任何保護(hù)措施，主變壓器上的過電壓可達(dá)3 830 kV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過變壓器的正常工作電壓，因此必須對(duì)站內(nèi)設(shè)備尤其是主變壓器進(jìn)行有效的防雷保護(hù)措施［8］。

4 結(jié)語

(1)由于雷電波的波頭時(shí)間雖然很短，但通常大于雷電波在變電站進(jìn)線段一個(gè)檔距的傳播時(shí)間。在HGIS 入口處雷電電壓波的負(fù)發(fā)射會(huì)降低雷電過電壓的幅值。因此在變電站設(shè)備最大雷電過電壓的計(jì)算上，根據(jù)桿塔檔距的不同，有必要對(duì)變電站進(jìn)線端的幾個(gè)桿塔進(jìn)行綜合計(jì)算。

(2)考慮到雷電流在桿塔接地體上的火花效應(yīng)及高頻特性，相對(duì)桿塔的工頻接地電阻，在線路絕緣子閃絡(luò)時(shí)，利用桿塔的沖擊接地電阻計(jì)算傳入變電站的雷電過電壓水平會(huì)更準(zhǔn)確。

(3)不能以一個(gè)固定的雷電流作為變電站設(shè)備反繞擊雷電過電壓防雷水平，因?yàn)樘馗邏壕€路在雷擊時(shí)段工頻運(yùn)行電壓在不同相位時(shí)幅值差異較大，變電站設(shè)備的防雷水平還是一個(gè)工頻運(yùn)行電壓相位角的函數(shù)。

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