500kV 變電站斷路器雷電過電壓仿真研究

靳彥輝，郝竹筠，劉 宸，于萬祥

（1.國網(wǎng)長春供電公司，長春 130021；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓中心，長春 130062）

隨著我國電網(wǎng)的不斷發(fā)展，500kV 及以上電壓等級的超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)已成為我國的主干電網(wǎng)，因此其可靠性對保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行有著至關(guān)重要的作用。本文以500kV 變電站為例，采用國際通用的電磁暫態(tài)計算程序EMTP，對變電站斷路器處于線路檢修斷開或因事故跳閘時的雷電侵入波過電壓進行系統(tǒng)的仿真計算，并對防雷措施進行了分析。

1 500kV 斷路器雷擊事故及原因簡析

1.1 雷擊事故簡述

文獻［1］至文獻［3］分別介紹了500kV、220kV及110kV 變電站斷路器因雷擊發(fā)生外絕緣擊穿的事故案例，這些案例的共同點有：事故地區(qū)多雷雨；正常運行的線路側(cè)斷路器其外側(cè)未安裝避雷器；桿塔對地電阻略大，起不到足夠的對雷電波的削弱作用；在斷路器斷開時，線路遭受雷擊，雷電波在斷路器斷口處發(fā)生全反射，產(chǎn)生較高的過電壓，導致斷路器的絕緣閃絡(luò)。

雖然斷路器斷開時線路受到雷擊的事件發(fā)生概率很小，但從事故帶來的損失和近年來國內(nèi)發(fā)生的案例來看，多雷雨地區(qū)的變電站及輸電線路應(yīng)該對此類事故采取一定的防范措施。

1.2 事故原因簡析

線路1與線路2在A點相連（見圖1），線路1的波阻抗為z1，線路2的波阻抗為z2。u1q為雷電入射波，u2q為u1q的折射波，u1f為反射波。當線路末端因斷路器跳開而開路時，相當于線路2的波阻抗是無窮大的。根據(jù)行波的傳播理論［4］，當入射波傳入到達開路的線路末端A點時，會在A點發(fā)生全反射，使A點的電壓幅值變?yōu)樵瓉淼?倍。

當變電站的斷路器處于斷開狀態(tài)下，變電站出線受到雷擊產(chǎn)生雷電入侵波時，雷電入侵波的傳播過程即相當于線路末端開路的情況，這種情況下會在斷路器斷口產(chǎn)生2倍的雷電過電壓；同時由于變電站引線較多，雷電侵入波在換流站交就部分內(nèi)部會發(fā)生多次折射和反射，導致斷路器端口上多次形成較高的過電壓值，造成斷口外絕緣的絕緣擊穿。

圖1 行波的折射和反射示意圖

2 斷路器斷開狀態(tài)下雷電侵入波過電壓仿真計算

2.1 仿真建模

仿真采用國際通用的電磁暫態(tài)計算程序EMTP。在進行EMTP 的仿真計算時要對變電站及其進線段的各電氣設(shè)備進行合理地模擬，建立盡量準確的模型。過電壓校核計算中的模型均根據(jù)事故具體情況進行選取。在建立模型時，為了更好地模擬事故時的實際情況，將變電站的進線段與變電站作為一個整體網(wǎng)絡(luò)進行建模，輸電桿塔、輸電線路、避雷器、變壓器、電壓互感器等設(shè)備均采用了等效模型進行模擬［5］。

在EMTP的仿真模型中，雷電流的波形取2.6/50μs的三角波；鐵塔模型采用四段模型；輸電線路模型采用EMTP程序中的J.Marti模型；絕緣子閃絡(luò)模型采用先導模型；變壓器、斷路器斷口、電流互感器、電壓互感器及避雷器等電氣設(shè)備均采用相應(yīng)的電容等值參數(shù)模擬。建模的500kV 變電站主接線見圖2。

2.2 非完整串斷路器斷開時雷電侵入波過電壓仿真

在非完整串的進線線路1上設(shè)置雷擊故障，調(diào)節(jié)雷電沖擊電流的峰值，計算雷擊時的設(shè)備過電壓值。GB 311.1—1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》中的規(guī)定500kV 斷路器端口絕緣額定雷電沖擊耐受電壓需達到1 865kV，仿真中根據(jù)此規(guī)定判定斷路器是否發(fā)生絕緣閃絡(luò)。當雷電流的峰值為127kA 時，非完整串上的斷路器103斷口即可能發(fā)生閃絡(luò)，此時各電氣設(shè)備的過電壓值見表1。

由以上仿真結(jié)果可知：當斷路器101和103處于開斷狀態(tài)時，斷路器的耐雷水平很低；斷路器103斷口電壓明顯高于斷路器101，因而，雷電波侵入時距離線路避雷器較遠的斷路器103斷口間發(fā)生閃絡(luò)的概率遠高于101。

圖2 500 kV變電站主接線簡圖

表1 斷路器101和103斷開時斷口雷電過電壓

2.3 完整串斷路器斷開時雷電侵入波過電壓仿真

在完整串的進線線路3上設(shè)置雷擊故障，調(diào)節(jié)雷電沖擊電流的峰值，計算雷擊時的設(shè)備過電壓值，當雷電流的峰值為138kA 時，完整串上的斷路器201、202 生閃絡(luò)，此時各電氣設(shè)備的過電壓值見表2。

表2 斷路器201和202斷開時斷口雷電過電壓

由以上仿真結(jié)果可知：與非完整串相比，完整串的兩個斷路器處于斷開狀態(tài)時，其耐雷水平仍有不足，但略高于非完整串的耐雷水平；進線的兩個斷路器的過電壓值近似相等，因而，兩個斷路器發(fā)生閃絡(luò)的概率基本相等。

綜合非完整串和完整串的過電壓仿真情況，可以得出如下結(jié)論：斷路器處于斷開狀態(tài)時，完整串的耐雷水平略高于非完整串；距線路避雷器較遠的斷路器過電壓明顯高于距避雷器較近的斷路器，因而，遭受雷電沖擊時，距避雷器較遠的斷路器先發(fā)生閃絡(luò)。

3 500kV 變電站非完整串雷擊過電壓防范措施

根據(jù)前文的仿真建模及仿真結(jié)果，可選擇其中切實可行的方案進行仿真研究以達到理想的防雷效果。研究方法是：設(shè)雷擊點及雷電流波形不變，改變雷電流的幅值，計算所選防雷方案下設(shè)備的耐雷水平，通過耐雷水平的對比，研究提高設(shè)備耐雷水平的措施。

仿真中采取的防雷措施是，在線路1進線第三桿塔加裝線路避雷器，且在非完整串距103斷路器5m 處加裝一只額定電壓為444kV 的避雷器。

當雷電流的幅值達到250kA 時，各電氣設(shè)備的過電壓仍小于雷電沖擊耐受電壓，過電壓計算結(jié)果列于表3中。

表3 非完整串進線第三桿塔加裝線路避雷器且103加裝避雷器時設(shè)備過電壓

4 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果，斷路器處于斷開狀態(tài)時，完整串的耐雷水平略高于非完整串，其過電壓和耐雷水平呈現(xiàn)如下特點：非完整串距避雷器較遠的斷路器過電壓明顯高于距避雷器較近的斷路器，因而，遭受雷電沖擊時，距避雷器較遠的斷路器先發(fā)生閃絡(luò)。

仿真結(jié)果證明，非完整串在距斷路器5m 處安裝避雷器，同時在進線段安裝線路避雷器可以非常有效地提高斷路器斷開狀態(tài)下的耐雷水平。當雷電流達到250kA 時，使用上述兩項措施仍可保證非完整串的斷路器不發(fā)生外絕緣閃絡(luò)。

［1］ 朱勝龍，葉劍濤，李偉.斷路器遭雷擊損壞的事故分析及防雷措施改進［J］，電氣應(yīng)用，2008，27（1）：47－50.

［2］ 宋偉新.兩起斷路器雷擊爆炸事故的分析及探討［J］，廣東電力，2000，13（5）：43－44.

［3］ 北京電力設(shè)計院.房山500千伏變電站（一個半斷路器接線）雷電侵入波研究報告［R］.北京：北京電力設(shè)計院，1982.

［4］ 周澤存，沈其工.高電壓技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［5］ 吳文輝，曹祥 .電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算與EMTP 應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［6］ 謝輝春，文習山，鄧維，等.500kV GIS變電站雷擊進線段塔頂雷電過電壓的仿真研究［J］.電氣應(yīng)用，2006，25（3）：63－66.

［7］ 許穎，徐士珩.交流電力系統(tǒng)過電壓防護及絕緣配合［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［8］ GB 311.1—1997，高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合［S］.