500 kV變電站雷電過電壓仿真與分析

王 婷，王 娜

(沈陽化工大學信息工程學院，遼寧 沈陽 110142)

據(jù)統(tǒng)計，每年約有40%～70%的電力系統(tǒng)故障是由雷擊引起的。因此，良好的防雷措施對系統(tǒng)具有很好的保護作用。國內外對雷電過電壓有大量研究，主要集中在雷電過電壓建模仿真和雷電過電壓抑制措施兩個方面。在建模研究過程中，忽略電暈及桿塔沖擊電阻等因素的影響，從實際情況來看，這種模型精確度較低。將變電站與進線段相結合，只考慮與門型構架很近的1號桿塔，作為雷電侵入波最嚴重的情況進行研究，這與實際變電站運行不相符；抑制措施方面，避雷器對防雷工作的機能，給出避雷器不同的裝設方案，現(xiàn)有最好用的方法是在全線三相加裝線路避雷器，但未考慮實際桿塔的結構特點[1-4]。本文以500 kV變電站為研究對象，通過ATP-EMTP仿真研究，分別考慮雷擊不同位置時，變電站內各電氣設備過電壓的變化；將桿塔接地電阻分為遠雷區(qū)和近雷區(qū)，分別改變其值，觀察主變壓器側過電壓值的變化以及主變側安裝避雷器等因素，并兼顧經濟性和可靠性，保證絕緣裕度的前提下，對避雷器配置方案進行合理優(yōu)化研究。

1 仿真計算電路圖及參數(shù)設置

1.1 仿真計算電路圖

圖1為某500 kV變電站等效電路圖，出于變電站系統(tǒng)安全性考慮，本文選取“一線一變”最嚴重的運行方式進行仿真分析。圖中CVT為電容電壓互感器；TA為電流互感器；DS為隔離開關；CB為斷路器；F為避雷器；T為變壓器。

1.2 仿真模型參數(shù)設置

a.雷電流模型

實際超高壓輸變電路運行中，產生的雷電流大多數(shù)為負極性雷電流。由于指數(shù)波更能反映雷電流波形的實際波形，仿真中選用雷電流波形的波頭時間為2.6 μs，波長時間為50 μs的雙指數(shù)波雷電流。其波形函數(shù)如式(1)。

U(t)=A(e-αt-e-βt)

(1)

式中：A為雷電流幅值；ɑ﹑β為與雷電波波頭波尾時間有關的常數(shù)。根據(jù)電力行業(yè)標準DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中的規(guī)定，我國一般地區(qū)雷電流幅值概率曲線可表示為

lg(P)=-I/88

(2)

式中：I為雷電流幅值，kA；P為幅值大于I的雷電流出現(xiàn)的概率。在仿真中，雷電流幅值取210 kA,大于此值的概率小于 4.1%。

b.桿塔模型

根據(jù)國家標準GB/T 50064—2014，仿真中桿塔模型選用多波阻抗模型，桿塔的波阻抗參考值為150 Ω，桿塔波速取為 2.1×108m/s。在仿真時將桿塔等效為一個集中電感模型。桿塔模型如圖2所示。

c.變電站內部設備模型

變壓器﹑斷路器﹑隔離開關及其他電氣設備用阻值入口電容來代替[5-8],其中變壓器參數(shù)根據(jù)式(3)選?。?/p>

(3)

式中：S為變壓器三相容量(MVA)；對于500 kV以上電壓等級，n=4，K=940。

2 雷擊點對主變過電壓的影響

在500 kV變電站中，雷擊點是影響系統(tǒng)各個設備的重要因素。本文仿真計算時將變電站和進線段結合起來，離變電站2 km以內的1-5號桿塔為近雷區(qū)，離變電站在2 km及以外的6號桿塔為遠雷區(qū)。由于1號桿塔與變電站門型構架距離較近，而變電站門型構架的接地電阻一般都很小，當雷擊1號桿塔的塔頂位置時，雷電波通過地面地線返回的負反射波很快回到1號桿塔，因此1號桿塔的電位相對降低，使雷擊1號桿塔所產生的過電壓大大降低[9-11]。

表1 主變過電壓值和MOA最大電流值

由仿真數(shù)據(jù)可以看出，雷擊不同位置對雷電過電壓會存在較大影響；MOA避雷器最大電流值不受雷擊位置的影響。雷擊2號桿塔時主變過電壓值最高。這是由于2號與變電站距離很近，在傳輸過程中雷擊波衰減很小，故其過電壓值較大，與2號相比，其他桿塔與變電站之間距離相對較遠，隨著距離不斷增大，線路的電暈損耗不斷減小，雷擊波衰減導致其幅值和陡度降低，形成的過電壓值減小。雷擊2號和6號桿塔時的波形如圖3所示。

由仿真結果可以看出，當雷擊2號桿塔時，主變過電壓值最大達到2.38 pu左右；而雷擊6號桿塔時主變過電壓值在1.99 pu左右。因此，雷擊近雷區(qū)桿塔對主變壓器以及主要電氣設備影響較大。

3 桿塔接地電阻對主變過電壓的影響

桿塔沖擊接地電阻值的大小是一個重要的影響因素。在桿塔遭受雷擊時，桿塔模型會通過避雷線分流到相鄰桿塔中，使桿塔接地裝置產生電壓降，這樣就使桿塔頂端電位升高，增加了絕緣子保護裝置擊穿的可能性[12-13]。在以往研究中，只改變桿塔接地電阻的取值，而在本文將桿塔接地電阻分為遠雷區(qū)與近雷區(qū)，分別取遠雷區(qū)和近雷區(qū)桿塔接地電阻值為7 Ω、10 Ω、12 Ω、15 Ω，以2號桿塔為例。分析主變過電壓變化情況，得到對變電站最有利的電阻仿真結果，如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著接地電阻增加，主變過電壓不斷增加。主變過電壓過大，會對變電站內設備穩(wěn)定運行造成很大的威脅。因此，降低接地電阻不僅能降低主變過電壓，也會對變電站有很大保護。由圖4(a)和圖4(b)對比可以看出，改變近雷區(qū)接地電阻要比改變遠雷區(qū)接地電阻的變化趨勢要明顯。將桿塔接地電阻分為近雷區(qū)和遠雷區(qū)，可更有利于減小主變過電壓。因此為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，可改變近雷區(qū)桿塔接地電阻。

4 避雷器安裝位置對主變過電壓的影響

變壓器是整個變電站內最主要裝置，故必須對主變壓器實施保護措施[14]。由仿真可知，當主變側未加避雷器時，主變過電壓值為3.73 pu,而在主變側加一組避雷器時主變側過電壓值為2.38 pu，兩值相差1.35 pu。因此，加裝避雷器可有效保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。進而分析避雷器與主變距離對主變過電壓值的影響，以便確定安裝避雷器的理想位置，其仿真結果如表2所示。

表2 不同電氣距離下主變過電壓值分析

由表2可以看出，主變過電壓不斷增加，而避雷器的電流先隨主變與避雷器的距離增大而上升，然后在距離達到40～50 m時避雷器電流明顯降低。在避雷器與主變的距離達到60～70 m甚至更遠時，主變的過電壓與主變側未加避雷器時的過電壓差不多。綜合考慮，變電站的設計過程中，根據(jù)變電站的實際運行情況，綜合考慮避雷器與主變壓器的電氣距離對主變過電壓和避雷器電流的影響建議主變與避雷器的安裝距離不超過50 m。

5 結論

本文以500 kV變電站作為研究對象，主要研究變電站雷電侵入波過電壓的影響因素以及防雷保護措施。由以上的ATP-EMTP仿真可以得到以下結論。

a.研究500 kV雷電侵入波過電壓時，采用ATP-EMTP仿真，將變電站及進線段看作一個整體。由于2號與變電站距離很近，在傳輸過程中雷擊波衰減很小，故其過電壓值較大。

b.桿塔沖擊接地電阻越小，變電站內設備的過電壓值越小，研究時區(qū)分近區(qū)(1-5號桿塔)和遠區(qū)(6號桿塔)雷擊，改變近雷區(qū)的桿塔接地電阻比改變遠雷區(qū)的桿塔接地電阻，主變過電壓減小更明顯。因此，在工程中應盡量減小近雷區(qū)桿塔接地電阻。

c.主變側避雷器保護距離對過電壓水平有很重要的影響。隨著距離的不斷增加，主變壓器的過點壓值越大。距離主變側50 m之內加裝避雷器，可有效保護變電站穩(wěn)定運行。