電站避雷器配置方式對(duì)雷電動(dòng)作負(fù)荷的影響

施 健，徐建鐵，郭 潔，徐 迪，劉 行，蔡漢生，胡上茂

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院直流輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510663；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

0 引言

變電站避雷器的主要作用是抑制電站區(qū)域內(nèi)的高幅值雷電過電壓和操作過電壓，保護(hù)電站設(shè)備免遭過電壓損壞[1-2]。而雷電活動(dòng)情況、系統(tǒng)運(yùn)行方式以及避雷器配置等又直接影響系統(tǒng)的過電壓和絕緣配合，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。以某一典型的750 kV輸變電系統(tǒng)為例，仿真計(jì)算了負(fù)極性2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波擊中電站近區(qū)線路桿塔發(fā)生反擊和雷直擊相導(dǎo)線時(shí)，避雷器配置對(duì)流過避雷器最大雷電流峰值和避雷器吸收能量的影響?？紤]避雷器的耐受沖擊電流的能力，避雷器的標(biāo)稱放電電流應(yīng)按照大于流過避雷器最大電流峰值來選取[3]。

1 系統(tǒng)計(jì)算模型和計(jì)算條件

1.1 系統(tǒng)計(jì)算模型

以典型的750 kV敞開式變電站為例，變電站為雙電源系統(tǒng)，出線為同塔雙回架空線路，線路長度92 km，線路有換位，換位位置分別在12、42、74、92 km處，系統(tǒng)電氣接線如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí)，線路輸送容量為173 MV·A，運(yùn)行電壓為787 kV。

圖1 750 kV系統(tǒng)電氣接線圖Fig.1 Electrical wiring diagram of 750 kV system

筆者主要研究電站B側(cè)線路遭受近區(qū)雷擊時(shí)，避雷器配置對(duì)流過避雷器的最大電流峰值和吸收能量的影響，因此系統(tǒng)模型為雷電下的高頻模型，線路采用考慮頻率效應(yīng)的多相J.Marti模型。

1.1.1 桿塔

選取750 kV輸電系統(tǒng)普遍采用的SZC2同塔雙回直線桿塔，塔身高達(dá)60 m，波過程明顯且復(fù)雜，因此雷電分析中采用多波阻抗模型模擬[4-7]，桿塔沖擊接地電阻取為10 Ω。

1.1.2 工頻運(yùn)行電壓

由于750 kV線路運(yùn)行電壓高，工頻運(yùn)行電壓對(duì)線路雷擊絕緣閃絡(luò)和流過避雷器的最大電流峰值和吸收能量影響較大[8]，因此計(jì)算模型中考慮了工頻運(yùn)行電壓帶來的影響，雷擊對(duì)應(yīng)的工頻運(yùn)行電壓相位按照線路絕緣最容易閃絡(luò)來選取。

1.1.3 避雷器模型和參數(shù)

計(jì)算模型中，避雷器采用傳統(tǒng)配置方式，在電站的線路開關(guān)內(nèi)外側(cè)分別布置電站側(cè)避雷器和線路測(cè)避雷器，兩者相距10 m。在雷電和工頻運(yùn)行電壓下，750 kV避雷器采用非線性電阻和等效集中電容并聯(lián)模型來模擬，集中等值電容C為43.54 pF，如圖2所示；避雷器本體伏安特性曲線如圖3所示。

圖2 避雷器模型Fig.2 The model of MOA

1.2 反擊和繞擊雷電流模型

雷云絕大多數(shù)帶負(fù)電荷，約為75%～90%的雷電流為負(fù)極性脈沖波[9]。且負(fù)極性的沖擊過電壓在線路上傳播時(shí)衰減小，產(chǎn)生的雷害影響較大。因此雷電反擊和繞擊計(jì)算中偏嚴(yán)考慮均采用負(fù)極性2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電電流波[10]。

圖3 避雷器本體V-A特性曲線Fig.3 The V-A characteristic curve of MOA body

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50064——2014“交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范”可知，750 kV系統(tǒng)、同塔雙回有地線的架空線路反擊耐雷水平為192 kA～224 kA[11]。筆者根據(jù)范圍Ⅱ架空線路大跨越檔在雷電過電壓下安全運(yùn)行年數(shù)不宜低于50年設(shè)防，計(jì)算獲得750 kV系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)雷暴日地區(qū)線路遭受50年一遇的反擊電流為294 kA（大于反擊耐雷水平），對(duì)應(yīng)的雷電通道波阻抗為300 Ω；最大繞擊雷電流值依據(jù)線路桿塔形狀和導(dǎo)線布置結(jié)構(gòu)，采用電氣幾何模型計(jì)算獲得的最大繞擊電流為55 kA[12]（大于繞擊耐雷水平），對(duì)應(yīng)的雷電通道波阻抗為586 Ω；線路繞擊耐雷水平以實(shí)際線路絕緣臨界閃絡(luò)為判據(jù)，計(jì)算得到繞擊耐雷水平為18kA，對(duì)應(yīng)的雷電通道波阻抗為1 103 Ω。雷電通道波阻抗Z0與雷電流幅值的關(guān)系曲線如圖4所示[13]。

圖4 Z0和I關(guān)系曲線圖Fig.4 The relationship curve of Z0and I

2 避雷器配置對(duì)雷電流和吸收能量的影響

2.1 避雷器配置方式

避雷器配置是影響變電站設(shè)備上過電壓的重要因素。參考我國電站避雷器的配置慣例[14]，筆者研究的750 kV系統(tǒng)中避雷器的配置在出線斷路器兩側(cè)各加裝1組避雷器，斷路器電站側(cè)加裝的避雷器稱為電站側(cè)避雷器，斷路器線路側(cè)加裝的避雷器稱為線路側(cè)避雷器，兩組避雷器的間隔距離為10m，研究的配置方式如下：

配置方式1：保持避雷器安裝位置和配置數(shù)量不變，電站側(cè)和線路側(cè)避雷器型號(hào)均為Y20W-600/1 380；

配置方式2：保持避雷器安裝位置和配置數(shù)量不變，電站側(cè)避雷器型號(hào)為Y20W-600/1380，線路側(cè)避雷器型號(hào)為Y20W-648/1491；

配置方式3：僅在線路側(cè)配置避雷器且安裝位置不變，避雷器型號(hào)為Y20W-600/1380；

配置方式4：僅在線路側(cè)配置避雷器且安裝位置不變，避雷器型號(hào)為Y20W-648/1491。

2.2 雷電反擊計(jì)算結(jié)果

最大電流峰值為發(fā)生雷擊時(shí)避雷器動(dòng)作后流過避雷器的最大電流，包括工頻電流和雷電流；吸收能量為發(fā)生雷擊時(shí)避雷器動(dòng)作到?jīng)_擊電流波結(jié)束這一時(shí)間區(qū)段上電壓和電流的積分。

當(dāng)幅值為50年一遇的294 kA雷電流擊中電站近區(qū)線路桿塔并發(fā)生反擊時(shí)，四種配置方式下流過避雷器的最大電流峰值和吸收能量如表1所示。

表1 反擊計(jì)算結(jié)果Table 1 Lightning counterattack calculation results

2.3 雷電繞擊計(jì)算結(jié)果

當(dāng)幅值為最大繞擊電流55 kA的雷直擊電站近區(qū)線路相導(dǎo)線時(shí)，四種配置方式下流過避雷器的最大電流峰值和吸收能量如表2所示。

表2 最大繞擊電流時(shí)計(jì)算結(jié)果Table 2 The calculation results of maximum shielding failure current

當(dāng)幅值為線路繞擊耐雷水平18 kA的雷直擊電站近區(qū)線路相導(dǎo)線時(shí)，四種配置方式下流過避雷器的最大電流峰值和吸收能量如表3所示。

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出：

1）幅值為50年一遇的294 kA的雷擊中電站近區(qū)線路桿塔并發(fā)生反擊時(shí)，配置方式3時(shí)流過避雷器的電流峰值最大，電流峰值可達(dá)到15 kA，避雷器吸收的最大能量為95 kJ；配置方式2時(shí)流過避雷器的電流峰值最小，電流峰值可達(dá)到6 kA，避雷器吸收的最大能量為25 kJ；兩種配置方式電流峰值相差150%，避雷器吸收的最大能量相差280%。

2）幅值為最大繞擊電流55 kA的雷直擊電站近區(qū)線路相導(dǎo)線時(shí)，配置方式3時(shí)流過避雷器的電流峰值最大，電流峰值可達(dá)到26 kA，避雷器吸收的最大能量為187 kJ；配置方式2時(shí)流過避雷器的電流峰值最小，電流峰值可達(dá)到10 kA，避雷器吸收的最大能量為25 kJ；兩種配置方式電流峰值相差160%，避雷器吸收的最大能量相差648%。

3）幅值為線路繞擊耐雷水平18 kA的雷直擊電站近區(qū)線路相導(dǎo)線時(shí)，配置方式3時(shí)流過避雷器的電流峰值最大，電流峰值可達(dá)到12.5 kA，避雷器吸收的最大能量為686 kJ；配置方式2時(shí)流過避雷器的電流峰值最小，電流峰值可達(dá)到4.2 kA，避雷器吸收的最大能量為177 kJ；兩種配置方式電流峰值相差198%，避雷器吸收的最大能量相差288%。

表3 繞擊耐雷水平電流時(shí)計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculation results of the lightning shielding failure withstand current level

3 結(jié)論

通過以上典型750 kV系統(tǒng)在雷電擊中電站近區(qū)線路桿塔并發(fā)生反擊和雷繞擊電站近區(qū)線路相導(dǎo)線時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1）配置方式1，反擊和繞擊兩種情況下均滿足流過線路側(cè)避雷器的最大電流峰值高，避雷器吸收能量多，但是兩臺(tái)避雷器的雷電負(fù)荷比較均衡；配置方式2，反擊和繞擊兩種情況下均滿足流過電站側(cè)Y20W-600/1380型避雷器的電流峰值更高，避雷器吸收能量多，兩臺(tái)避雷器的雷電負(fù)荷差別較大，最大差別可達(dá)122%。配置方式1與配置方式2相比，配置方式1對(duì)應(yīng)的避雷器的標(biāo)稱放電電流更大。

2）配置方式3，反擊和繞擊兩種情況下均滿足流過線路側(cè)避雷器的最大電流峰值略小于配置方式1下流過兩臺(tái)避雷器的最大電流峰值之和，避雷器吸收能量也略小于配置方式1下兩臺(tái)避雷器吸收能量之和；配置方式4，反擊和繞擊兩種情況下均滿足流過線路側(cè)避雷器的最大電流峰值略小于配置方式2下流過兩臺(tái)避雷器的最大電流峰值之和，避雷器吸收能量也略小于配置方式2下兩臺(tái)避雷器吸收能量之和。但是配置方式3、4兩種方式時(shí)流過避雷器的最大電流峰值已達(dá)到26 kA，大于避雷器的標(biāo)稱放電電流，因此配置單臺(tái)避雷器時(shí)必須要經(jīng)過嚴(yán)格校核避雷器雷電動(dòng)作負(fù)荷。

3）當(dāng)選取配置方式1時(shí)，在滿足規(guī)定的條件下，線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距應(yīng)盡量減?。划?dāng)選取配置方式2時(shí)，在滿足規(guī)定的條件下，線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距應(yīng)盡量大一些。配置方式3與配置方式4相比，配置方式4時(shí)流過避雷器的最大電流峰值更小，過電壓水平更低。此外在研究避雷器雷電動(dòng)作負(fù)荷優(yōu)化配置的同時(shí)，還必須對(duì)避雷器在工頻過電壓和操作過電壓下的絕緣配合和動(dòng)作負(fù)荷進(jìn)行核算[15]。

[1]趙丹丹.750 kV敞開式變電站和輸電線路避雷器配置的優(yōu)化研究.電瓷避雷器[J].2010（1）：38-46.ZHAO Dandan.Optimization of Arrester Configuration for 750 kV open substation and transmission line[J].Insula?tors and Surge Arresters，2010（1）:38-46.

[2]吳文輝，曹祥麟.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算與EMTP應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2012.WU Wenhui，CAO Xianglin.Power System Electromag?netic transient calculation and EMTP application[M].Bei?jing：China Water resources and Hydropower Press，2012.

[3]中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DL/T 804-2014.交流電力系統(tǒng)金屬氧化物避雷器使用導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2015.Electric power industry standard of the people’s republic of China.DL/T 804-2014.Guidelines for the use of metal oxide arresters for AC power systems[S].Beijing:China Electric Power Press，2015.

[4] HARA T，YAMAMOTO O.Modeling of a Transmission to?wer for lightning surge analysis[J].IEEE Proc-Cener.Transm.Distrib，1996（3）:283-289.

[5] BARKER P P，SHORT T A.Induced voltage measure?ments on an experimental distribution line[J].IEEE Trans?actions on Power Delivery，1996（2）:980-995.

[6]谷定燮.500 kV輸變電工程設(shè)計(jì)中雷電過電壓?jiǎn)栴}[J].高電壓技術(shù)，2000（6）：60-62.GU Dingxie.Lightning overvoltage problem in 500 kV power transmission and transformation engineering design[J].High Voltage Engineering，2000（6）:60-62.

[7] 劉渝根，劉緯.500 kV變電站雷電侵入波研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000（3）：17-19．LIU Yugen，LIU Wei.Research on lightning intruding waves in 500 kV substation[J].Journal of Chongqing Uni?versity（Natural Science Edition），2000（3）:17-19.

[8]周浩.特高壓交直流輸電技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2014.ZHOU Hao.UHV AC/DC Power transmission technology[M].Hangzhou，China:Zhejiang University Press，2014.

[9]施圍，邱毓昌，張喬根.高電壓工程基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．SHI Wei，QIU Yuchang，ZHANG Qiaogen.High voltage engineering foundation[M].Beijing，China:Machinery In?dustry Press，2006.

[10]張仁豫.高電壓試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003．ZHANG Renyu.High-voltage Testing Technology[M].Bei?jing:Tsinghua University Press，2003.

[11]交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T 50064—2014[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2014.GB/T 50064-2014.Code for Design of Overvoltage Protec?tion and Insulation Coordination of AC Electrical Installa?tions[S].Beijing:China Plan Publishing Press，2014.

[12]張緯鈸，何金良，高玉明．過電壓防護(hù)及絕緣配合[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002.ZHANG Weibo，HE Jinliang，GAO Yuming.Over-volt?age protection and insulation coordination[M].Beijing:Ts?inghua University Press，2002.

[13]谷定燮，樊靈孟.對(duì)我國500 kV線路防雷的新思考[J]．中國電力，2004，37（12）：18-21.GU Dingxie，F(xiàn)AN Lingmeng.New thoughts on lightning protection of 500 kV transmission lines in China[J].China Electric Power，2004，37（12）:18-21.

[14]谷定燮，周沛洪，戴敏.1 000 kV交流輸電工程防雷保護(hù)研究[J].高電壓技術(shù)，2006，32（12）：40-44.GU Dingxie，ZHOU Peihong，Dai Min.Research on light?ning protection of 1 000 kV AC transmission project[J].High Voltage Engineering，2006，32（12）:40-44.

[15]王森，胡攀峰，薛軍.750 kV敞開式變電站絕緣配置的優(yōu)化[J].高電壓技術(shù)，2009，35（12）：3143-3148.WANG Sen，HU Panfeng，XUE Jun.Optimization of insu?lation configuration for 750 kV open substation[J].High Voltage Engineering，2009，35（12）:3143-3148.