500 kV HGIS變電站防雷保護配置研究

傅文韜

(國網湖南省電力公司汨羅市供電分公司，湖南 汨羅　414400)

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500 kV HGIS變電站防雷保護配置研究

傅文韜

(國網湖南省電力公司汨羅市供電分公司，湖南 汨羅414400)

摘要：500 kV HGIS變電站在結構上和GIS變電站不同，站內電氣設備的雷擊過電壓水平也會不同。因此，需要對500 kV HGIS變電站進行雷電侵入波過電壓研究，以確保在雷電波侵入時，站內電氣設備上的電壓水平不超過其絕緣水平。以某500 kV HGIS變電站為例，考慮了多種運行方式、線路高抗、線路電暈等影響因素，采用國際上通用的仿真計算程序EMTP，建立了該變電站的雷擊過電壓仿真模型；并對不同運行方式下，該變電站雷電侵入波過電壓水平進行了分析計算。根據仿真結果，提出了可能的雷擊過電壓保護方案,具有實際工程參考價值。

關鍵詞：HGIS變電站；防雷保護；EMTP；避雷器

Abstract：The HGIS substation and GIS substation of 500 kV level are different in structure, and the lightning over-voltage level of their electrical apparatus is also different. So it is necessary to study the lightning over-voltage in 500 kV HGIS substation in order to ensure that the electrical apparatus will keep the voltage level in normal range under any operating modes during the lightning wave intrusion. Taking a 500 kV HGIS substation for example and taking the various influencing factors into account, including operating modes, line reactor and line corona, the simulation model of lightning over-voltage of the substation is established using electromagnetic transient program (EMTP) as simulation tool, and the lightning over-voltage level of the substation is analyzed and calculated in various operating modes. Based on simulation results, a possible protection scheme against lightning over-voltage is proposed, which has a reference value for practical engineering.

Key words：HGIS substation; protection against lightning; EMTP; lightning arrester

0引言

雷電過電壓是影響超高壓輸電網絡正常運行的重要因素之一。一旦發(fā)生雷害事故，將直接影響系統的安全可靠運行，造成嚴重的后果[1]。目前，500 kV電壓等級的變電站有3種類型：500 kV GIS、500 kV AIS、500 kV HGIS。變電站設備的雷電過電壓情況與變電站結構緊密相關，不同類型的變電站，防雷保護配置情況也不一樣。

對于500 kV GIS變電站：1)GIS套管的波阻抗遠小于架空線的波阻抗；2)雷電流從架空線進入GIS反射波的極性與入射波極性相反；3)GIS變電站各設備的電氣距離較短，有利于整個變電站的防雷保護。對于500 kV GIS變電站防雷保護配置，往往采用在線路靠CVT側和主變壓器側各安裝1組避雷器以及母線和高壓電抗器回路不安裝避雷器的配置方案[2-3]。AIS變電站，各設備相距較遠，往往采用在高壓電抗器、線路側CVT、母線以及主變壓器側各安裝1組避雷器[4-5]。

HGIS變電站的結構與GIS變電站基本相同，但HGIS變電站母線為裸露的，可達幾百米長。當雷電波從含高壓電抗器的線路侵入時，變電站各設備的雷電過電壓會不同，尤其會對進線端設備產生很大的過電壓威脅。一方面，母線的波阻抗與線路的波阻抗相差不大，雷電流從架空線進入母線后的反射波可忽略不計；另一方面，裸露的母線加大了高壓電抗器和GIS套管的距離，計算時采用的雷電流的波頭為2.6 μs，當高壓電抗器上的雷電過電壓達到峰值時，從GIS入口處返回的反射波還沒到達高壓電抗器，這與GIS變電站的情況不同：因此，需要對500 kV HGIS變電站雷電侵入波在變電站電氣設備上所產生的過電壓進行仿真計算，找出過電壓的分布變化規(guī)律，對限制雷電過電壓、保護電氣設備可提供有價值的參考依據，以進一步優(yōu)化變電站的工程設計。

以某500 kV HGIS變電站為例，采用國際通用的EMTP電磁暫態(tài)仿真計算程序，研究了不同運行方式下以及不同雷擊點下雷電過電壓保護方案，根據過電壓與絕緣水平要求，制定了該變電站防雷保護配置方案。

1計算模型及參數

1.1雷電流

雷電放電過程分為先導過程和主放電過程。研究表明，先導通道具有分布參數的特征，可近似為一個具有電感、電容均勻分布參數的導電通道，波阻抗為Z0。其過程可以簡化為1個數學模型，將其考慮為1個電流源，彼德遜等值電路如圖1所示。

圖1　雷電流源等值電路

本次計算選取概率為0.35%的雷電流，其幅值為216 kA，雷電流的波形選擇為 2.6/50 μs。反擊時，雷電通道的波阻抗Z0取300 Ω[6]。

1.2絕緣子串閃絡模型

絕緣子串的閃絡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刻t2為閃絡時刻，相交點電壓U2為閃絡電壓。

圖2　絕緣子串的閃絡原理

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

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

1.3輸電線計算模型

變電站的雷電侵入波分為繞擊和反擊。這里考慮雷電過電壓情況更嚴重的反擊波侵入方式[4]。

該500 kV HGIS變電站的進線段采用雙避雷線，同桿單回五導線輸電系統。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。實測結果表明，JMARTI模型的計算結果與實際的結果較接近[3]。

站內導線視為無畸變線，波阻抗為常數且不計電暈影響。站內導線的波阻抗由式(1)決定。

(1)

式中：re為導體半徑；ha為導體平均高度。

對于SF6GIS管線，忽略導體電阻的焦耳損耗，視其為理想的無損傳輸線。

GIS管道中導體的波阻抗為

(2)

式中：R為管道半徑；r為導體半徑；R/r通常大于或等于e，故GIS管線波阻抗在60 Ω～75 Ω之間。本次計算，GIS管線波阻抗取65 Ω。

1.4電暈模型

線路上產生的電暈是雷電波衰減和畸變的主要因素。在研究變電站雷電過電壓時，應將進線段電暈考慮進去。用動態(tài)電容去模擬電暈引起的衰減和變形，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　電暈模型

圖3中2個DEVICES裝置，分別為線路相對地、相與相之間發(fā)生起始電暈的判據。

表1　氧化鋅避雷器的電氣特性

1.5避雷器模型

500 kV輸電系統中，已大量采用氧化鋅避雷器，這次研究的變電站采用兩種500 kV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推薦的計算模型，在EMTP程序中用分段指數化的方法來模擬避雷器的伏安特性[7]，其電氣特性見表1。

1.6桿塔模型

從塔頂侵入桿塔的雷電流將在桿塔、避雷線、絕緣子串及導線、大地組成的系統中發(fā)生復雜的波過程。雷電波沿桿塔傳播時，不同位置桿塔的波阻抗是不同的。近幾年，國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

主架每部分阻抗ZTk為

(3)

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

支架每部分的波阻抗ZLk為

ZLk=ZTk/9

(4)

桿塔橫擔波阻抗ZAk為

(5)

1.7變電站設備模型

站內設備如變壓器、隔離開關、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線段相隔[5]。站內各設備的等值沖擊入口電容值，如表2所示。

表2　變電站電氣設備過電壓計算等值參數

2運行方式

2.1運行方式的選擇

某500 kV HGIS變電站一次接線圖，如圖5所示。

圖5　500 kV HGIS變電站一次接線圖

變電站不同的運行方式對設備雷電過電壓水平影響較大。研究發(fā)現，網絡拓撲結構較簡單的運行方式的雷電過電壓比拓撲結構更復雜的運行方式更為嚴重[6]。一般認為，一線一變運行方式下，設備的過電壓最為嚴重。

根據一線一變、一線兩變、兩線一變3種運行情況，選取了16種運行方式進行詳細分析。另外，單獨分析并聯高壓電抗器的防雷保護。以布拖(一)線路為雷擊點為例，一線一變運行方式下的計算等值電路如圖6所示。

表3　各設備的雷電過電壓值

圖6　布拖(一)進波的等值電路圖

2.2避雷器的安裝位置

線路側避雷器的安裝點為距離線路側CVT 4 m，距離高壓電抗器30 m。高壓電抗器避雷器的安裝位置為距離高壓電抗器4m，距離線路側CVT 30 m。母線側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66 m。根據工程要求，各主變壓器側均安裝避雷器，安裝位置為距離主變壓器30 m，如圖6所示。

3仿真分析

在分析研究和計算過程中，重點考慮了以下3個方面：1)不同運行方式的影響；2)高壓電抗器對線路側CVT、母線的防雷保護的影響；3)500 kV HGIS變電站防雷保護配置方案分析。

3.1線路側CVT、母線的防雷保護的影響分析

根據上述各元件模型，搭建了各種運行方式的仿真模型。針對母線和線路側防雷保護配置分析(不含高壓電抗器線路)，考慮以下3種保護配置方案：

1)線路側加裝避雷器，母線不加避雷器；

2)母線加裝避雷器，線路側不裝避雷器；

3)母線和線路側都不加避雷器。

根據某500 kV HGIS變電站實際參數，用EMTP軟件進行建模仿真。本次研究變電站各相鄰節(jié)點的最短電氣距離為1 m，波速為光速，因此步長取0.001 μs 即可，仿真計算時間為50 μs。雷擊點為進線段的2號～6號桿塔塔頂[6]，雷電過電壓檢測點為線路側CVT、高壓電抗器、GIS套管以及母線。由于母線長度達到了150 m，所以母線上過電壓檢測點有3個，分別為雷電進波處以及母線兩端處。3種配置下，各設備的雷電過電壓仿真結果如表3所示。

取站內除變壓器以外設備的雷電沖擊耐受電壓為1 550 kV，設備絕緣裕度參考IEC71-2標準，內絕緣裕度取1.15，則各設備允許的最大過電壓為1 348 kV。當采用配置1時，最大過電壓出現在母線側為1 298 kV，低于1 348 kV。避雷器的最大放電電流為14.5 kA，小于避雷器的標稱電流 20 kA?？梢?，在線路加裝避雷器，母線不加裝避雷器的情況下可以滿足絕緣裕度要求。采用配置2時，線路側電壓互感器和GIS套管處出現的最大過電壓超過允許值，不能滿足絕緣要求。同樣，配置3也不能滿足絕緣要求。

綜合上述分析，對于不含高壓電抗器的線路，只需在進線側加裝1組避雷器就能滿足防雷保護的要求。

3.2進線段含高壓電抗器的防雷保護分析

考慮以下3種保護配置方案：

表4　各設備的雷電過電壓值最大值

表5　3種配置下各設備的雷電過電壓值

1)線路側CVT加裝避雷器，高壓電抗器和母線不加裝避雷器；

2)線路側CVT和母線不加裝避雷器，高壓電抗器回路加裝避雷器；

3)線路側CVT和高壓電抗器不加避雷器，母線加裝避雷器。

由表4可得，配置1到配置3都存在設備過電壓超標的情況，都不滿足絕緣要求。因此，可得以下3個結論：1)進線端的避雷器不管是安裝在高壓電抗器回路還是CVT處，都不能有效保護進線端設備；2)線路側安裝的避雷器不能保護母線及母線上設備；3)母線上避雷器距離線路側CVT和高壓電抗器都比較遠。

可見，高壓電抗器加大了進線端設備的雷電過電壓水平，與前面分析一致。

3.3500 kV HGIS變電站防雷保護配置選擇

由表2可得，單獨的避雷器配置方案不能滿足變電站的防雷要求，所以考慮母線與進線端設備相互配合加裝避雷器的方案，考慮以下3種配置：

1)線路側CVT加裝避雷器，母線加裝避雷器，高壓電抗器不加裝避雷器；

2)高壓電抗器加裝避雷器，母線加裝避雷器，線路側CVT不加裝避雷器；

3)高壓電抗器、線路側CVT、母線都加裝避雷器。

以4種運行方式為例，3種配置下各設備的最大過電壓值仿真結果如表5所示。

由表5可得，配置1方式下高壓電抗器的過電壓達到了1 646 kV，不滿足設備的絕緣要求；在配置2和配置3下，各設備的最大雷電過電壓分別為1 329 kV和1 158 kV，滿足該變電站設備絕緣要求。但配置2比配置3少裝一組避雷器，更經濟：因此，從變電站防雷的可靠性和經濟性出發(fā)，高壓電抗器和母線側安裝避雷器的配置方案，能有效地滿足該500 kV HGIS變電站的防雷要求。

4結論

以某500 kV HGIS變電站為對象，所選16種情況均為網絡拓撲結構較簡單的運行方式，其造成的雷擊過電壓的影響通常比拓撲結構復雜的其他運行方式更為嚴重，此外，考慮了線路電暈和工頻電壓的影響，根據該變電站實際結構參數搭建仿真模型，更有實際意義。

根據仿真分析，提出了該500 kV HGIS變電站的防雷保護配置方案，并得出以下結論：

1)進線段不含高壓電抗器回路時，只需要在線路側安裝1組避雷器，母線不需要安裝避雷器；

2)進線段含高壓電抗器回路時，高抗回路和母線需安裝避雷器；

3)線路高壓電抗器加大了進線端設備的雷電過電壓水平。

參考文獻

[1]李飛，周力行，黃輝先.500 kV變電站并聯電抗器雷電侵入波仿真研究[J]. 電瓷避雷器, 2008(4):36-38．

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

[3]呂健雙. 500 kV GIS變電站雷電過電壓研究[D].武漢:華中科技大學, 2012.

[4]李洪濤. 500 kV變電站雷電侵入波保護研究[D].重慶:重慶大學,2006.

[5]張玉秋，王子春，楊利軍. 500 kV變電所防雷保護計算分析[J].中國電力 ,1995(8):12-16.

[6]袁兆祥，周洪偉.500 kV HGIS變電站雷電侵入波的計算分析[J].高電壓技術,2007, 33(6):71-75.

[7]吳伯華，陳繼東. 500 kV線路型避雷器雷電過電壓的保護性能[J]. 高電壓技術, 2002, 28(6):23-26.

中圖分類號：TM86

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0029-05

(收稿日期：2015-11-24)