高抗對(duì)500kV HGIS變電站防雷配置的影響分析

萬(wàn)成江， 邱曉燕， 邱 高， 閆天澤， 劉延博， 唐 可, 鄒龍輝

(1. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院， 智能電網(wǎng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2. 四川錦能電力設(shè)計(jì)有限公司， 四川 成都 610081)

高抗對(duì)500kV HGIS變電站防雷配置的影響分析

萬(wàn)成江1， 邱曉燕1， 邱 高1， 閆天澤1， 劉延博1， 唐 可1, 鄒龍輝2

(1. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院， 智能電網(wǎng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2. 四川錦能電力設(shè)計(jì)有限公司， 四川 成都 610081)

在500kV HGIS變電站防雷分析中，線路高抗會(huì)對(duì)線路側(cè)電壓互感器(CVT)和GIS套管的雷電過電壓產(chǎn)生重大影響，以至于影響變電站的防雷保護(hù)配置，因此有必要對(duì)進(jìn)線端設(shè)備的雷電過電壓進(jìn)行仿真分析，以及優(yōu)化進(jìn)線端設(shè)備的防雷保護(hù)配置。以某500kV HGIS變電站為例，采用國(guó)際通用的電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序EMTP，分析了高抗對(duì)變電站防雷配置的影響；研究了線路側(cè)避雷器的安裝位置對(duì)高抗以及線路側(cè)CVT的雷電過電壓水平的影響，結(jié)果表明避雷器安裝在高抗和CVT中間位置附近時(shí)，避雷器能同時(shí)保護(hù)高抗和CVT，并能提高進(jìn)線端設(shè)備防雷的整體水平。根據(jù)仿真結(jié)果，提出了該變電站母線和高抗回路的防雷保護(hù)優(yōu)化配置方案。

HGIS變電站； 防雷保護(hù)； EMTP； 高抗； 避雷器

1 引言

在對(duì)500kV變電站防雷研究中發(fā)現(xiàn)，由于線路高抗的入口電容較大，雷電流會(huì)在高抗上產(chǎn)生較高的過電壓[1]。對(duì)于氣體絕緣組合式(GIS)變電站：①線路高抗距離GIS入口較近，一般為幾十米；②GIS套管的波阻抗遠(yuǎn)小于架空線的波阻抗；③雷電流從架空線進(jìn)入GIS反射波的極性與入射波極性相反。因此當(dāng)高抗上的雷電過電壓還沒有達(dá)到峰值時(shí)，從GIS套管入口處返回的反射波已經(jīng)到達(dá)高抗，從而使得高抗上的雷電侵入波過電壓并不高[2]，且GIS變電站各設(shè)備的電氣距離較短，有利于整個(gè)變電站的防雷保護(hù)。對(duì)于進(jìn)線端含有高抗的500kV GIS變電站防雷保護(hù)配置，往往采用在線路靠CVT側(cè)和主變側(cè)各安裝一組避雷器以及母線和高抗回路不安裝避雷器的配置方案。對(duì)于敞開式(AIS)變電站，站內(nèi)各設(shè)備相距較遠(yuǎn)，高抗的雷電過電壓特別高，需要有特別的保護(hù)[3]。因此，對(duì)于500kV AIS變電站，往往在高抗、線路側(cè)CVT、母線以及主變側(cè)各安裝一組避雷器[4,5]。

介于GIS和AIS之間的新型混合式(HGIS)變電站的結(jié)構(gòu)與GIS變電站基本相同，但HGIS變電站母線為裸露的，可達(dá)幾百米長(zhǎng)。當(dāng)雷電波從含高抗的線路侵入時(shí)，變電站各設(shè)備的雷電過電壓會(huì)不同，尤其會(huì)對(duì)進(jìn)線端設(shè)備產(chǎn)生很大的過電壓威脅[2]。一方面，母線的波阻抗與線路的波阻抗相差不大，雷電流從架空線進(jìn)入母線后的反射波可忽略不計(jì)；另一方面，裸露的母線加大了高抗和GIS套管的距離，計(jì)算時(shí)采用的雷電流的波頭為2.6μs，當(dāng)高抗上的雷電過電壓達(dá)到峰值時(shí)，從GIS入口處返回的反射波還沒到達(dá)高抗，這與GIS變電站的情況不同。線路高抗的雷電過電壓水平與進(jìn)線端避雷器的安裝位置和數(shù)量有關(guān)，也受站內(nèi)設(shè)備復(fù)雜的折反射雷電波疊加的影響[6]，因此，對(duì)于500kV HGIS變電站各設(shè)備的雷電過電壓情況需要綜合考慮。

本文以某500kV HGIS變電站為例，采用國(guó)際通用的EMTP電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序，分析了線路高抗對(duì)變電站防雷配置的影響，以及線路側(cè)避雷器不同安裝位置對(duì)高抗和線路側(cè)CVT的過電壓水平的影響。根據(jù)仿真，提出了該變電站的防雷配置方案。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 雷電流

雷電放電過程分為先導(dǎo)過程和主放電過程。研究表明，先導(dǎo)通道具有分布參數(shù)的特征，可近似為一個(gè)具有電感、電容均勻分布參數(shù)的導(dǎo)電通道，波阻抗為Z0。其過程可以簡(jiǎn)化為一個(gè)數(shù)學(xué)模型，將其考慮為一電流源，彼德遜等值電路如圖1所示。

圖1 雷電流源等值電路Fig.1 Equivalent circuit of lightning current source

本次計(jì)算選取概率為0.35%的雷電流，其幅值為216kA，雷電流的波形選擇為2.6/50μs[7]。反擊時(shí)，雷電通道的波阻抗Z0取300Ω[8]。

2.2 絕緣子串閃絡(luò)模型

絕緣子串的閃絡(luò)由絕緣子串的伏秒特性曲線和電壓曲線確定。如圖2所示，絕緣子串的伏秒特性曲線和電壓曲線的相交時(shí)刻t2為閃絡(luò)時(shí)刻，相交點(diǎn)電壓U2為閃絡(luò)電壓，且閃絡(luò)時(shí)刻和閃絡(luò)電壓都不是固定值。

圖2 絕緣子串的閃絡(luò)原理Fig.2 Flashover theory of insulator

對(duì)于500kV輸電線路，導(dǎo)線上絕緣子串處工頻電壓不可忽略。雷擊桿塔塔頂時(shí)，其絕緣子串的工頻電壓瞬時(shí)值不確定，考慮絕緣子串最易閃絡(luò)的情況，即雷擊發(fā)生時(shí)，導(dǎo)線上絕緣子串處的工頻電壓達(dá)到幅值，且極性與塔頂電位的極性相反。本次計(jì)算中，工頻電壓取輸電線路的相電壓峰值429kV[2]。

采用EMTP程序中的TACS(數(shù)值仿真)功能，考慮絕緣子串沖擊伏秒特性，并準(zhǔn)確計(jì)算作用在絕緣子串上的過電壓，模擬絕緣子串閃絡(luò)過程。

2.3 輸電線計(jì)算模型

變電站的雷電侵入波分為繞擊和反擊。本文考慮雷電過電壓情況更嚴(yán)重的反擊波侵入方式[9]。反擊分為近區(qū)雷擊和遠(yuǎn)區(qū)雷擊，離變電站2km及以外的為遠(yuǎn)區(qū)雷擊，2km以內(nèi)的為近區(qū)雷擊。對(duì)于500kV變電站進(jìn)線段，仿真計(jì)算時(shí)以雷擊1#～5#桿塔為近區(qū)雷擊，雷擊6#桿塔為遠(yuǎn)區(qū)雷擊。

該500kV HGIS變電站的進(jìn)線段采用雙避雷線，同桿單回五導(dǎo)線輸電系統(tǒng)。仿真中，采用ATP中LCC架空線路模塊仿真輸電線路，并選擇JMARTI模型。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，JMARTI模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的結(jié)果較接近[10]。

站內(nèi)導(dǎo)線視為無(wú)畸變線，波阻抗為常數(shù)且不計(jì)電暈影響。站內(nèi)導(dǎo)線的波阻抗由式(1)決定：

ZC=60ln(ha/re)

(1)

式中，re為導(dǎo)體半徑；ha為導(dǎo)體平均高度。

對(duì)于SF6 GIS管線，忽略導(dǎo)體電阻的焦耳損耗，視其為理想的無(wú)損傳輸線。

GIS管道中導(dǎo)體的波阻抗為：

ZGIS=60ln(R/r)

(2)

式中，R為管道半徑；r為導(dǎo)體半徑。R/r通常大于或等于e，故GIS管線波阻抗在60～75Ω之間。本次計(jì)算，GIS管線波阻抗取65Ω[11]。

2.4 電暈?zāi)Ｐ?/p>

線路上產(chǎn)生的電暈是雷電波的衰減和畸變的主要因素。在研究變電站雷電過電壓時(shí)，應(yīng)將進(jìn)線段電暈考慮進(jìn)去。采用動(dòng)態(tài)電容模擬電暈引起的衰減和變形[12]，基于線路的伏秒特性，用TACS 組合模型模擬電暈，如圖3所示。

圖3 電暈?zāi)Ｐ虵ig.3 Corona model

圖3中兩個(gè)DEVICES裝置分別為線路相對(duì)地、相與相之間發(fā)生起始電暈的判據(jù)。

2.5 避雷器模型

500kV輸電系統(tǒng)中已大量采用氧化鋅避雷器，本次研究的變電站采用兩種500kV金屬氧化鋅避雷器，分別為變電站型和線路型避雷器。

研究中避雷器采用IEEE Std C62.22-2009推薦的計(jì)算模型，在EMTP程序中用分段指數(shù)化的方法模擬避雷器的伏安特性[13]，其電氣特性見表1。

表1 氧化鋅避雷器的電氣特性Tab.1 Electrical characteristics of MOA

2.6 桿塔模型

從塔頂侵入桿塔的雷電流將在桿塔、避雷線、絕緣子串及導(dǎo)線、大地組成的系統(tǒng)中發(fā)生復(fù)雜的波過程。雷電波沿桿塔傳播時(shí)，不同位置桿塔的波阻抗是不同的。近幾年，國(guó)外一些專家使用多波阻抗來模擬輸電線路的桿塔，建立了桿塔的多波阻抗計(jì)算模型，其具體的等值電路如圖4所示。

圖4 桿塔的等值多波阻抗等值電路Fig.4 Equivalent distributed constant line model of transmission tower

主架每部分阻抗ZTk為：

(3)

rek=21/8(rTk1/3rB2/3)1/4(RTk1/3RB2/3)3/4

(4)

式中，k=1,2,3,4；hk為第k節(jié)橫擔(dān)的高度；RB、rB分別為桿塔塔基的內(nèi)直徑和外直徑；RTk、rTk分別為橫擔(dān)處桿塔的內(nèi)直徑和外直徑。

支架每部分的波阻抗ZLk為：

ZLk=9ZTk

(5)

桿塔橫擔(dān)波阻抗ZAk為：

(6)

2.7 變電站設(shè)備模型

站內(nèi)設(shè)備如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器等，在雷電波作用下均可等值為沖擊入口電容，它們之間由分布參數(shù)線段相隔[14]。站內(nèi)各設(shè)備的等值沖擊入口電容值見表2。

表2 變電站電氣設(shè)備過電壓計(jì)算等值參數(shù)Tab.2 Equivalent capacitance of equipments of station

3 運(yùn)行方式

3.1 運(yùn)行方式的選擇

某500kV HGIS變電站一次接線圖如圖5所示。

圖5 500kV HGIS變電站一次接線圖Fig.5 Wiring diagram of 500kV HGIS substation

變電站不同的運(yùn)行方式對(duì)設(shè)備雷電過電壓水平影響較大。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式的雷電過電壓較拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜的運(yùn)行方式更為嚴(yán)重[6]。一般認(rèn)為，一線一變運(yùn)行方式下設(shè)備的過電壓最為嚴(yán)重。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的原則，分別確認(rèn)各回線路的運(yùn)行方式。該變電站有四回線路帶有高抗回路，分別為布拖(一)、布拖(二)、備用(五)以及備用(六)，分別對(duì)應(yīng)為運(yùn)行方式一至運(yùn)行方式四，共四種運(yùn)行方式。以布拖(一)為例，一線一變運(yùn)行方式下的計(jì)算等值電路如圖6所示。

圖6 布拖(一)進(jìn)波的等值電路圖Fig.6 Equivalent circuit of Butuo (1)

3.2 避雷器的安裝位置

線路側(cè)避雷器的安裝點(diǎn)為距離線路側(cè)CVT 4m，距離高抗30m。高抗避雷器的安裝位置為距離高抗4m，距離線路側(cè)CVT30m。母線側(cè)避雷器的安裝位置為布拖(二)間隔兩端的母線處，距離母線上端66m。根據(jù)工程要求，各主變側(cè)均安裝避雷器，安裝位置為距離主變30m。

4 仿真分析

高抗對(duì)500kV HGIS變電站防雷計(jì)算的影響主要體現(xiàn)在對(duì)進(jìn)線端設(shè)備、母線設(shè)備、GIS設(shè)備入口處。線路高抗離主變的電氣距離較遠(yuǎn)，因此對(duì)主變的雷電過電壓影響不大。

仿真研究以下三個(gè)方面：①高抗對(duì)線路側(cè)CVT、母線的防雷保護(hù)的影響；②線路側(cè)避雷器的安裝位置對(duì)高抗和CVT雷電過電壓的影響；③對(duì)500kV HGIS變電站防雷保護(hù)配置方案分析。

4.1 高抗對(duì)線路側(cè)CVT、母線的防雷保護(hù)的影響

考慮以下三種保護(hù)配置情況：

(1)線路側(cè)CVT加裝避雷器，高抗和母線不加裝避雷器。

(2)線路側(cè)CVT和母線不加裝避雷器，高抗回路加裝避雷器。

(3)線路側(cè)CVT和高抗不加裝避雷器，母線加裝避雷器。

本文根據(jù)某500kV HGIS變電站實(shí)際參數(shù)，用EMTP軟件進(jìn)行建模仿真。本次研究變電站各相鄰節(jié)點(diǎn)的最短電氣距離為1m，波速為光速，因此步長(zhǎng)取0.001μs即可，仿真計(jì)算時(shí)間為50μs。雷擊點(diǎn)為進(jìn)線段的2#～6#桿塔塔頂[6]，雷電過電壓檢測(cè)點(diǎn)為線路側(cè)CVT、高抗、GIS套管以及母線。由于母線長(zhǎng)度達(dá)到了150m，所以母線上過電壓檢測(cè)點(diǎn)有三個(gè)，分別為雷電進(jìn)波處以及母線兩端處。三種配置下各設(shè)備的雷電過電壓仿真結(jié)果見表3。

表3 各設(shè)備的雷電過電壓值Tab.3 Lightning over-voltage of each equipment

在三種配置下各設(shè)備的雷電過電壓最大值分別為1573.2kV、1501.8kV和1639.8kV，取站內(nèi)除變壓器以外設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓為1550kV，設(shè)備絕緣裕度參考IEC71-2標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)絕緣裕度取1.15，則各設(shè)備允許的最大過電壓為1348kV。三種配置下都存在設(shè)備過電壓超標(biāo)的情況。因此，可得以下三個(gè)結(jié)論：①線路側(cè)的避雷器不管是安裝在高抗回路還是CVT處，都不能有效保護(hù)進(jìn)線端設(shè)備；②線路側(cè)安裝的避雷器不能保護(hù)母線及母線上設(shè)備；③母線上避雷器距離線路側(cè)CVT和高抗都比較遠(yuǎn)，不能起到保護(hù)作用，但可以有效降低GIS套管處的過電壓值。

4.2 線路側(cè)避雷器的安裝位置對(duì)線路側(cè)CVT和高抗的雷電過電壓的影響

在實(shí)際工程中，線路側(cè)避雷器安裝在離線路側(cè)CVT較近的位置，這樣往往不能保護(hù)高抗回路，且對(duì)進(jìn)線端設(shè)備的防雷水平也沒有優(yōu)化考慮。本研究考慮四種運(yùn)行方式下母線側(cè)均不安裝避雷器的情況，調(diào)整線路側(cè)避雷器的安裝位置(高抗與線路側(cè)CVT的電氣距離為28m)，線路側(cè)CVT和高抗的雷電過電壓仿真結(jié)果見表4。

表4 線路側(cè)避雷器不同安裝位置下各設(shè)備的過電壓值Tab.4 Over-voltage of each equipment by change installation location of arrester next to line

由表4可得，當(dāng)避雷器的安裝位置在靠近高抗、遠(yuǎn)離線路側(cè)CVT的過程中，高抗處的雷電過電壓逐漸降低，CVT處的雷電過電壓逐漸升高；當(dāng)避雷器安裝在它們中間位置附近(距離高抗14m)時(shí)，避雷器能同時(shí)有效地保護(hù)高抗回路和線路側(cè)CVT。

因此，從變電站防雷的可靠性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，合理調(diào)整線路側(cè)避雷器的位置，可使線路側(cè)避雷器有效保護(hù)線路側(cè)CVT和高抗。

4.3 防雷保護(hù)配置選擇

由表2可知，單獨(dú)的避雷器配置方案不能滿足變電站的防雷要求，所以考慮母線與進(jìn)線端設(shè)備相互配合加裝避雷器的方案，考慮以下三種配置：

(1)線路側(cè)CVT加裝避雷器，母線加裝避雷器，高抗不加裝避雷器。

(2)高抗加裝避雷器，母線加裝避雷器，線路側(cè)CVT不加裝避雷器。

(3)高抗、線路側(cè)CVT和母線都加裝避雷器。

以四種運(yùn)行方式為例，三種配置下各設(shè)備的最大過電壓值仿真結(jié)果見表5。

由表5可知，配置(1)方式下高抗的過電壓達(dá)到了1638kV，不滿足設(shè)備的絕緣要求；在配置(2)和配置(3)下，各設(shè)備的最大雷電過電壓分別為1329kV和1158kV，滿足該變電站設(shè)備絕緣要求，因此配置(2)與配置(3)是可行的。

配置(2)比配置(3)少裝一組避雷器，更經(jīng)濟(jì)。因此，從變電站防雷的可靠性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，高抗和母線側(cè)安裝避雷器的配置方案能有效滿足該500kV HGIS變電站的防雷要求。

在配置(2)下，線路側(cè)CVT的最大雷電過電壓達(dá)到了1329kV，遠(yuǎn)高于其它設(shè)備的過電壓，這是因?yàn)榫€路側(cè)避雷器安裝位置離線路側(cè)CVT距離較遠(yuǎn)(30m)。調(diào)整線路側(cè)避雷器的安裝位置，使進(jìn)線端

表5 三種配置下各設(shè)備的雷電過電壓值Tab.5 Lightning over-voltage of each device under three configurations

設(shè)備的最大過電壓值降低?？紤]優(yōu)化配置方案，即將高抗回路的避雷器安裝在高抗和線路側(cè)CVT的中間位置處(距離高抗14m)。在配置(2)和優(yōu)化配置方案下，各設(shè)備的雷電過電壓值見表6。

表6 兩種配置下各設(shè)備的雷電過電壓值Tab.6 Lightning over-voltage of each device under two configurations

在配置(2)下，各設(shè)備的最大過電壓為1329kV，其絕緣裕度為16.63%。采用優(yōu)化方案時(shí)，雖然高抗的雷電過電壓最大值從1078kV上升到1131kV，但與設(shè)備允許的最大過電壓值1384kV仍有不小差距，而線路側(cè)CVT的雷電過電壓最大值從1329kV降到了1136kV，其絕緣裕度從16.63%提高到36.44%，且優(yōu)化方案下各設(shè)備的絕緣裕度最小值為35.96%?？梢?，優(yōu)化方案下，設(shè)備整體絕緣裕度比配置(2)方案有很大提升，把高抗避雷器安裝在高抗和線路側(cè)CVT中間位置時(shí)，有利于提高進(jìn)線端設(shè)備防雷的整體水平。

5 結(jié)論

本文以某500kV HGIS變電站為對(duì)象，用EMTP仿真軟件分析了線路高抗對(duì)變電站進(jìn)線端設(shè)備和母線的雷電過電壓保護(hù)的影響，研究了進(jìn)線端防雷保護(hù)配置的優(yōu)化方案，提出了該500kV HGIS變電站的防雷保護(hù)配置。根據(jù)仿真得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)母線不安裝避雷器時(shí)，線路側(cè)避雷器不能有效保護(hù)高抗回路，高抗回路安裝的避雷器也不能保護(hù)線路側(cè)CVT。

(2)當(dāng)線路側(cè)避雷器安裝在高抗和線路側(cè)CVT中間位置附近時(shí)，線路側(cè)避雷器能同時(shí)保護(hù)高抗和線路側(cè)CVT，且有助于提高進(jìn)線端設(shè)備的防雷水平。

(3)對(duì)于500kV HGIS變電站的防雷保護(hù)，需采用高抗回路安裝一組線路型避雷器、母線和主變各安裝一組變電站型避雷器的配置方案，且高抗回路避雷器最好安裝在高抗與線路側(cè)CVT的中間位置。

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Analysis of impacts of reactor on 500kV HGIS substation lightning protection calculation

WAN Cheng-jiang1, QIU Xiao-yan1, QIU Gao1, YAN Tian-ze1, LIU Yan-bo1, TANG Ke1, ZOU Long-hui2

(1. Key Laboratory of Sichuan Province of Smart Grid, School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2. Sichuan Jinneng Electric Power Design Co. Ltd., Chengdu 610081, China)

In the analysis of 500kV HGIS substation lightning protection, the line’s shunting reactor has impacts on the lightning over-voltage of line’s CVT and the GIS, so the whole substation’s lightning protection scheme will be changed. It is necessary to analyze the lightning over-voltage of the line end equipments, and to optimize the lightning protection scheme. Take a 500kV HGIS substation as example and use the Electromagnetic Transient Program(EMTP) as simulation tool, the impacts of line’s shunting reactor on substation lightning protection are analyzed. And also the effects of installation position of the lightning arrester on lightning over-voltage level of the reactor and line’s CVT are studied. The results show that when the lightning arrester is installed in the middle of the reactor and CVT, the lightning arrester can both protect the reactor and CVT, and improve the lightning protection level of the station. Based on the research, the bus bar and line’s reactor need to install a lightning arrester.

HGIS substation; lightning protection; Electromagnetic Transient Program (EMTP); reactor; lightning arrester

2015-06-23

萬(wàn)成江(1988-)， 男， 重慶籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)楦邏航^緣技術(shù)、 變電站防雷保護(hù)； 邱曉燕(1964-)， 女， 四川籍， 教授， 碩士生導(dǎo)師， 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定性分析和計(jì)算。

TM81

A

1003-3076(2016)04-0049-07