基于EMTP的500kV變電站雷電防護(hù)與絕緣配合研究

李 曉，劉蘇云，徐 晨，史 靜，姜 凱，周春泉

（1.濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源 459000；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，江蘇 南京 211100；3.南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210044）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電能需求與日俱增，從而促使電力系統(tǒng)向大容量、長(zhǎng)距離、超高壓方向發(fā)展。目前在我國(guó)已形成了以500kV輸電線路為主干，覆蓋華北、華中、華東、西北和東北的五個(gè)跨省電網(wǎng)，跨大區(qū)電網(wǎng)還采用了500kV直流輸電技術(shù)，華東與華中兩大電網(wǎng)之間，通過(guò)500kV葛洲壩至上海直流線路。500kV變電站作為電網(wǎng)的樞紐［1］，在電力系統(tǒng)中的地位極其重要，一旦發(fā)生雷害將使設(shè)備遭受過(guò)電壓損害，直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全可靠性，嚴(yán)重影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活，因此要求其必須有可靠地防雷保護(hù)措施。變電站的雷害主要來(lái)自兩個(gè)方面:一是雷直擊變電站:二是雷直擊輸電線路產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓波沿線路侵入變電站。雷擊線路的概率比雷擊變電站的概率大得多，所以沿線路侵入變電站的雷電過(guò)電壓是研究超高壓變電站雷電過(guò)電壓保護(hù)問(wèn)題的主要對(duì)象。

1 避雷器保護(hù)分析［2，3］

一切被保護(hù)設(shè)備都可以近似地用一只等值電容C來(lái)表示，如圖1示，變電設(shè)備與避雷器之間就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓差U。

圖1 計(jì)算U的簡(jiǎn)化接線圖

先看最簡(jiǎn)單的只有一路進(jìn)線的終端變電站的情況，這時(shí)圖1中的Z2＝∞，C即為電力變壓器的入口電容。由于電力變壓器的等值電容一般都不大，可以忽略波剛到達(dá)時(shí)電容使電壓上升速度減慢的影響，而討論電容充電后相當(dāng)于開路的情況。例如取過(guò)電壓波到達(dá)避雷器端子1的瞬間作為時(shí)間的起始即t＝0，避雷器上的電壓即按照u1＝αt的規(guī)律上升。當(dāng)t＝T時(shí)波到達(dá)設(shè)備端子2上，此時(shí)取C＝0，波在此將發(fā)生全反射，所以設(shè)備絕緣上的電壓表達(dá)式應(yīng)為

當(dāng)t＝2T時(shí)，端子2上的反射波將再次到達(dá)端子1上，從而使避雷器上的電壓上升陡度加大，如圖2中的線段mB所示。由圖1、2可知:由于有反射波的影響，避雷器將提前動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)刻為t＝tA，此時(shí)擊穿電壓為

圖2 被保護(hù)絕緣和避雷器的電壓波形

由于一切通過(guò)端子1的電壓波都將到達(dá)端子2上，但時(shí)間上要推遲T，因此避雷器放電后所產(chǎn)生的限壓效果要到時(shí)刻t＝（tA＋T）才能對(duì)設(shè)備絕緣上電壓產(chǎn)生影響，這時(shí)u2已經(jīng)達(dá)到

此時(shí)可得壓差U為

進(jìn)波陡度α越大，電壓差值U也就越大。我國(guó)普遍采用雷電流的波形為2.6／50μs，由于雷電流的波頭長(zhǎng)度變化范圍不大，所以認(rèn)為雷電流的平均陡度和幅值線性相關(guān)（α＝kA／μs）。

一般在防雷計(jì)算中，為了使設(shè)備不被擊穿應(yīng)該按照下式選擇絕緣的沖擊耐壓水平:

式中，uc為避雷器的殘壓，近似等于uA；uj為絕緣的雷電沖擊耐壓值。

從而可以得出被保絕緣與避雷器之間的最大容許距離為

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 距離對(duì)避雷器保護(hù)的影響研究

下面以某500kV變電站中主變與避雷器的距離對(duì)過(guò)電壓的影響來(lái)討論，如表1所示。

表1 主變與避雷器距離對(duì)過(guò)電壓的影響

從表1中可以直觀的看出，隨著主變與避雷器距離的增加，主變上的雷電過(guò)電壓幅值逐步增加，而且當(dāng)距離為56m時(shí)，主變上的過(guò)電壓幅值1420kV，該值接近于主變的耐受電壓1425kV，因此可以得出避雷器離主變?cè)浇胶?，距離不宜超過(guò)56m，且加裝氧化鋅避雷器對(duì)于限制過(guò)電壓具有顯著的效果。

2.2 一個(gè)半斷路器接線模擬實(shí)驗(yàn)

以A發(fā)電廠500kV升壓站和B 500kV變電站模擬實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明一個(gè)半斷路器接線電氣設(shè)備的雷電過(guò)電壓幅值以及避雷器配置方案。

2.2.1 基本條件

（1）侵入波電壓幅值取3000kV和2200kV兩級(jí)。

（2）500kV電氣設(shè)備絕緣水平如表2所示。

（3）500kV避雷器參數(shù)如表3所示。

表2 電氣設(shè)備絕緣水平

表3 500kV避雷器參數(shù)

2.2.2 典型接線保護(hù)

一回線路和一組變壓器加臨時(shí)跨條的一個(gè)半斷路器接線。

某發(fā)電廠500kV升壓站初期采用這種接線，按三組避雷器考慮，見圖3。500kV主變壓器出口安裝一組XAL－444L電站型避雷器，500kV線路和500kV并聯(lián)電抗器出口各自安裝一組XAL－468L線路型避雷器。

圖3 某發(fā)電廠500kV保護(hù)接線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正常情況下避雷器的配置都能滿足雷電過(guò)電壓的保護(hù)要求。但是在圖3中，當(dāng)打開1號(hào)和3號(hào)斷路器檢修的情況下，將發(fā)生很大的變化。其中當(dāng)侵入波幅值為2200kV時(shí)候，最大雷電過(guò)電壓為1544kV，滿足電容式電壓互感器的雷電沖擊絕緣水平；但當(dāng)侵入波幅值為3000kV時(shí)，最大雷電過(guò)電壓為1730kV，超過(guò)了電容式電壓互感器雷電沖擊水平1675kV。為了保證安全，應(yīng)采取在母線上增設(shè)一組避雷器。

3 不同運(yùn)行方式對(duì)雷電過(guò)電壓和絕緣裕度配合的影響

下面以一機(jī)一線結(jié)合EMTP仿真為例，說(shuō)明雷電過(guò)電壓與絕緣配合受哪些因素影響。本次計(jì)算條件:侵入雷電波幅值210kA、波形2.6／50μs、桿塔沖擊電阻為24.5Ω；變壓器、電壓互感器、斷路器、電流互感器、隔離開關(guān)的沖擊電容取值分別為4800pF；4000pF；600PF；1000PF；300pF。

（1）其中帶母線，僅有T6一臺(tái)變壓器運(yùn)行，主要的電氣設(shè)備過(guò)電壓幅值如表4。

表4 一機(jī)一線、帶母線運(yùn)行方式下的主要電氣設(shè)備過(guò)電壓幅值

由表4可以直觀地看出電氣設(shè)備均未超出其絕緣裕度。

（2）僅T6一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，不帶母線的情況主要的電氣設(shè)備過(guò)電壓幅值如表5。

表5 一機(jī)一線、不帶母線運(yùn)行方式下的主要電氣設(shè)備過(guò)電壓幅值

對(duì)比表4和表5不難發(fā)現(xiàn):一機(jī)一線運(yùn)行方式下，帶母線與不帶母線的情況下比較，可以看出主變、RT3、VT12、NRT3、CVT上的過(guò)電壓幅值都有不同程度的上升，但都能夠滿足雷電絕緣配合的要求，上升幅度最快與最慢的分別是RT3和CVT，且上升幅度分別為14.428%和3.248%。由此可以得出在考慮變電站絕緣配合的時(shí)候應(yīng)該考慮不帶母線的情況。

（3）僅T6一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，帶母線但取消母線避雷器的情況主要電氣設(shè)備的過(guò)電壓幅值如表6。

表6 一機(jī)一線取消母線避雷器后的主要電氣設(shè)備過(guò)電壓幅值

表5和表6對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):一機(jī)一線運(yùn)行方式下，取消母線避雷器時(shí)，主變、RT3、VT11、VT12、NRT3、CVT上電壓都有不同程度的變化，所以變電站要取消母線上的避雷器時(shí)應(yīng)當(dāng)慎重考慮。其中可以清楚看出CVT上的過(guò)電壓幅值最高，其值為1206kV，且可以計(jì)算出絕緣裕度為1.2852，能夠滿足雷電絕緣裕度的配合要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上研究并結(jié)合已有的研究成果，對(duì)于500kV變電站在初步確定適合該變電站的防雷方案時(shí)，建議在進(jìn)線側(cè)、主變側(cè)和母線上均裝設(shè)金屬氧化物避雷器。在一機(jī)一線運(yùn)行方式下應(yīng)該考慮不帶母線情況下變電站的絕緣裕度配置，對(duì)于電力系統(tǒng)防雷害以及變電站過(guò)電壓的研究具有借鑒意義。

［1］張緯鈸，何金良，高玉明.過(guò)電壓防護(hù)及絕緣配合［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［2］肖穩(wěn)安，張小青.雷電與防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:氣象出版社，2005.

［3］Rakosh Das Begamudre（著），從偉（譯）.超高壓交流輸電工程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.