基于ATP-EMTP的變電站防雷保護(hù)研究

廣州供電局有限公司 張成巍

0 引言

500kV變電站在電力系統(tǒng)中扮演著重要角色，一旦遭受雷擊發(fā)生事故，將會(huì)影響大面積區(qū)域的正常供電，而且變電站內(nèi)主要電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣大多沒有恢復(fù)能力[1]，如果因雷擊造成了損壞，短時(shí)間內(nèi)修復(fù)完善非常困難，勢必會(huì)造成嚴(yán)重的后果[2]。雷電侵入波過電壓是確定變電站絕緣水平的主要因素之一，但是雷電侵入波過電壓的水平很難通過實(shí)驗(yàn)觀察，需要使用仿真計(jì)算軟件作為主要的分析工具，ATP-EMTP軟件當(dāng)前在國內(nèi)外應(yīng)用都非常廣泛。雷電侵入波過電壓是引發(fā)變電站雷害事故的主要原因，對變電站內(nèi)設(shè)備上雷電過電壓幅值的影響因素進(jìn)行研究，對變電站的防雷保護(hù)具有重要意義[3]。

1 仿真模型建立

選取的某變電站的單線圖如圖1所示，選擇運(yùn)行方式為QF1、QF2、QF4、QF8、QF9斷路器閉合，QF3、QF5、QF7、QF10斷路器斷開，因此在該運(yùn)行方式下，只有兩條傳輸線路與傳統(tǒng)具有避雷器保護(hù)的變壓器相連。

通常變電站的雷害有兩種來源：直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓。其中雷擊線路，沿線路入侵變電站的雷電過電壓很常見，是對變電站電氣設(shè)備構(gòu)成威脅的主要方式之一[4]。本文所采用的雷電流為雙指數(shù)函數(shù)波形，取雷電通道波阻抗設(shè)置為400Ω。雷擊點(diǎn)選在變電站1～6號(hào)桿塔，以雷擊6號(hào)桿塔為遠(yuǎn)區(qū)雷擊。

用四線J.MARTI線路模型來描述在雷擊附近的跨線單回架空線路。輸電線路的浪涌傳播影響用分布傳輸線路來模擬，每個(gè)桿塔由8m、7m和18m三段線路串聯(lián)而成，桿塔電阻10Ω/km，波阻抗為200Ω。塔基用R-L串聯(lián)支路來模擬，沖擊電阻值設(shè)置為10Ω。變電站母線的雷電侵入波過程用分布傳輸線路來模擬，絕緣子的閃絡(luò)模型采用MODEL元件，并結(jié)合絕緣子的先導(dǎo)閃絡(luò)判據(jù)，自定義創(chuàng)建。由于在雷電沖擊波作用下，因?yàn)闆_擊波的傳播速度較快，使得雷電侵入波的等值頻率比較高，作用時(shí)間較短，一般為微秒級(jí)，通常10μs左右就可以計(jì)算得出過電壓幅值，因此變電站設(shè)備上的電感和電阻等過程均來不及建立起來?？蓪⒏鱾€(gè)設(shè)備用具有一定電容值的電容來等效[5]，沖擊波作用的過程相當(dāng)于對不同大小的電容進(jìn)行充電的過程。因此，在計(jì)算雷電侵入波時(shí)，變電站的電氣設(shè)備例如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器和互感器等，均用電容值不同的入口電容來表示，設(shè)備之間用分布參數(shù)即波阻抗相隔，變壓器和電壓互感器的等效電容值為0.0005μF。變電站避雷器選用金屬氧化物避雷器，避雷器的非線性特性曲線如圖2所示。

圖1 變電站的單線圖

圖2 避雷器非線性特性

2 雷擊點(diǎn)對侵入波過電壓的影響分析

在仿真過程中，雷擊點(diǎn)分別選為進(jìn)線段的6-2號(hào)桿塔，且桿塔距變電站的距離依次減小。變電站中電壓互感器處的過電壓波形如圖3所示。

圖3 雷擊不同桿塔時(shí)電壓互感器上的過電壓波形

雷擊點(diǎn)距變電站的距離與互感器安裝處雷電侵入波幅值如圖4所示。

圖4 不同雷擊點(diǎn)位置對設(shè)備過電壓的影響

從圖4中可以看出，雷擊點(diǎn)離變電站越近，變電站內(nèi)雷電侵入波的幅值越高，在2號(hào)桿塔處發(fā)生繞擊時(shí)，雷電侵入波幅值可達(dá)1.43MV。近區(qū)雷擊的侵入波過電壓一般均高于遠(yuǎn)區(qū)雷擊的侵入波過電壓，通常1號(hào)桿塔距變電站的終端門型構(gòu)架很近，再加上門型構(gòu)架上的沖擊接地電阻較小，雷擊1號(hào)桿塔時(shí)，經(jīng)地線由門型構(gòu)架返回的負(fù)反射波很快返回1號(hào)桿塔，降低了1號(hào)桿塔的電位，使侵入波過電壓減小。而2、3號(hào)桿塔距門型構(gòu)架較遠(yuǎn)，受負(fù)反射波的影響較小，過電壓較高。

對變壓器安裝處的過電壓進(jìn)行仿真，雷擊點(diǎn)選在4號(hào)桿塔處，分別計(jì)算使用MOA避雷器保護(hù)變壓器時(shí)和不使用MOA避雷器時(shí)的波形，變壓器上的過電壓波形如圖5所示。

圖5 安裝避雷器前后變壓器的過電壓波形

從圖5中可以看出，金屬氧化物避雷器對變壓器安裝處的過電壓起到了很好的限制作用，當(dāng)不安裝金屬氧化物避雷器時(shí)，變壓器上的侵入波過電壓可達(dá)到1.7MV，而安裝金屬氧化物避雷器后，過電壓幅值基本限制在1.1MV，僅為之前的64%。

3 結(jié)束語

當(dāng)變電站的進(jìn)線段處發(fā)生雷電繞擊時(shí)，變電站內(nèi)設(shè)備上的過電壓幅值和雷擊距離成反比，雷擊點(diǎn)距變電站越近，設(shè)備上的雷電侵入波幅值越高。但當(dāng)繞擊發(fā)生在距變電站的終端門型構(gòu)架很近的1號(hào)桿塔上時(shí)，由于門型構(gòu)架上地線的負(fù)反射波作用，侵入波過電壓的幅值反而減小。通常來說，雷擊2號(hào)或3號(hào)桿塔時(shí)的過電壓較高，所以在計(jì)算變電站的侵入波過電壓時(shí)要兼顧近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)雷擊。

對變電站內(nèi)的重要設(shè)備可以采用金屬氧化物避雷器來限制侵入波過電壓幅值，若侵入波過電壓的幅值超過避雷器的動(dòng)作電壓，雷電波便經(jīng)避雷器入地，可以有效降低變電站設(shè)備上的過電壓。

[1]王春杰,祝令瑜,汲勝昌,等.高壓輸電線路和變電站雷電防護(hù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 [J].電瓷避雷器, 2010 (3): 35-46.

[2]劉亞林,夏蕾,劉亞偉.對變電站防雷保護(hù)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2010(4): 47.

[3]李俊.淺議變電站防雷措施[J].華中電力, 2011(5): 44-58.

[4]肖萍.基于先導(dǎo)法閃絡(luò)判據(jù)的線路及變電站的防雷研究[D].長沙：湖南大學(xué), 2012.

[5]田盈.張峰變電站防雷保護(hù)設(shè)計(jì)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009(7): 202-203.