基于EMTP-RV的GIS變電站雷電過電壓研究
——以厄瓜多爾辛克雷水電站送出工程為例

陳 功，段 濤，許 ，陳 柏 森，曹 陽，肖 軍

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.重慶長(zhǎng)電聯(lián)合能源有限責(zé)任公司，重慶 401121)

1 研究背景

2013年，中國(guó)提出了“一帶一路”倡議，從此，中國(guó)企業(yè)“走出去”的步伐得以加速。厄瓜多爾特殊的地理位置，使其成為中國(guó)企業(yè)到達(dá)拉美國(guó)家的第一站[1-3]。厄瓜多爾擁有豐富的水電資源，其中裝機(jī)容量1 500 MW的科卡科多-辛克雷水電站為500 kV互聯(lián)系統(tǒng)和項(xiàng)目中230 kV系統(tǒng)提供電源。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)50%以上的事故由雷電災(zāi)害造成[4]。雷電作為十大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響著變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，400 kV以下變電站設(shè)備的絕緣配合主要由雷電過電壓決定[5-7]。

因此，筆者采用國(guó)際通用的電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP-RV，選取工程中新建的230 kV EPF變電站作為研究對(duì)象。根據(jù)該變電站的電氣主接線圖、電氣總布置圖與斷面圖，對(duì)變電站雷電過電壓計(jì)算模型進(jìn)行了建模。同時(shí)，考慮到工頻電源電壓、進(jìn)線段桿塔布線結(jié)構(gòu)以及絕緣水平等影響因素，對(duì)雷電波不同侵入方式、不同雷擊點(diǎn)、變電站不同運(yùn)行方式下設(shè)備上產(chǎn)生的雷電過電壓進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行了雷電沖擊絕緣配合的校核。

2 仿真模型

2.1 變電站電氣主接線

該水電站新建的230 kV EPF變電站在230 kV側(cè)采用GIS雙母線接線的方式，230 kV系統(tǒng)母線有2條送出線路(同塔雙回)到CPT變電站與SHUSHUFINDI，以及有2條變壓器進(jìn)線回路。230 kV EPF變電站的主接線圖如圖1所示，由圖1可知，各進(jìn)線間隔與變壓器間隔配有一組MOA，額定電壓Ur=200 kV，沒有配置母線避雷器。

圖1 230 kV EPF變電站主接線示意Fig.1 Main connection of 230 kV EPF substation

2.2 計(jì)算條件

2.2.1計(jì)算選取的運(yùn)行方式

一般情況下，變電站投運(yùn)設(shè)備越少，則雷電泄放通道越少，因此雷電侵入波過電壓越嚴(yán)重。但由于EPF變電站出線均為同塔雙回線路，雷擊時(shí)，如果2回線路均閃絡(luò)，則侵入變電站的雷電流相較于單回線路時(shí)將會(huì)增大，雷電侵入波過電壓可能也會(huì)隨之變大。為了驗(yàn)證以上結(jié)論，計(jì)算所用的變電站運(yùn)行方式如表1所列。

表1 計(jì)算采用的變電站運(yùn)行方式Tab.1 Operation mode of substation in calculation

2.2.2雷擊點(diǎn)位置選取

在變電站的侵入波防雷設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證距離變電站2 km以外的遠(yuǎn)區(qū)雷擊產(chǎn)生的雷電侵入波過電壓不會(huì)引起站內(nèi)設(shè)備的絕緣損壞。因此，進(jìn)線段線路對(duì)避雷線保護(hù)角與桿塔接地電阻提出了更高的要求，進(jìn)線段的耐雷水平也是優(yōu)于架空輸電線路的耐雷水平。在變電站的雷電過電壓研究中，應(yīng)以進(jìn)線段線路遭受雷擊作為重點(diǎn)研究現(xiàn)象，這是因?yàn)榫嚯x變電站2 km以外的輸電線路遭受雷擊時(shí)，由于電暈衰減和線路阻尼效應(yīng)，導(dǎo)致雷電侵入波的陡度和幅值都明顯較小，在站內(nèi)設(shè)備上形成的過電壓一般不會(huì)損壞設(shè)備絕緣。因此，本文主要考慮變電站的近區(qū)雷擊，對(duì)進(jìn)線段不同桿塔時(shí)的設(shè)備雷電侵入波的過電壓水平進(jìn)行分析。

2.3 計(jì)算參數(shù)選擇

2.3.1雷電流模型

雷電流波形采用2.6/50 μs的雙指數(shù)波，雷電流極性為負(fù)極性，選取的最大計(jì)算反擊雷電流為185 kA[7]。

對(duì)最大繞擊雷電流幅值，借助于EGM模型進(jìn)行計(jì)算[8-10]。通過計(jì)算，得到了分別雷擊進(jìn)線段的6基桿塔時(shí)不同相導(dǎo)線的最大繞擊雷電流值，計(jì)算結(jié)果如表2所列。

表2 最大繞擊雷電流Fig.2 Maximum shielding failure lightning current kA

2.3.2桿塔模型

對(duì)于進(jìn)線段的桿塔，采用EMTP-RV軟件中的桿塔模型進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。模型中為單避雷線同塔雙回線路桿塔，桿塔采用多波阻抗模型，工頻接地電阻取20 Ω，絕緣子采用氣隙放電模型，放電電壓為1 400 kV。

圖2 輸電線路桿塔模型Fig.2 Tower model of transmission line

2.3.3輸電線路模型

EPF變電站230 kV側(cè)出線為同塔雙回出線，輸電線路采用單避雷線進(jìn)行防雷保護(hù)。避雷線型號(hào)為OPGW-48，外徑為11.988 mm，20 ℃時(shí)的直流電阻為0.476 157 Ω/km；導(dǎo)線型號(hào)為2×750 MCM，外徑為25.300 mm，20 ℃時(shí)的直流電阻為0.082 Ω/km。導(dǎo)線與避雷線模型采用參數(shù)隨頻率變化的Frequency dependent line模型(FD線路模型)，導(dǎo)線為雙分裂，分裂間距為40 cm，導(dǎo)線集膚效應(yīng)系數(shù)為0.363 6。根據(jù)線路設(shè)計(jì)資料，線路段土壤電阻率取500 Ω·m，進(jìn)線段桿塔導(dǎo)線參數(shù)如表3所列。其中，1～6號(hào)塔的呼高分別為20，19，22，19，30 m和31 m。

表3 230 kV EPF變電站進(jìn)線段線路參數(shù)Tab.3 Incoming transmission line parameters of 230 kV EPF substation m

2.3.4變電站內(nèi)連接線模型

變電站內(nèi)連接線主要包括設(shè)備之間的接線與匯流母線。變電站內(nèi)導(dǎo)線與母線模型采用Constant Parameter線路模型(CP模型)，戶外設(shè)備的連接線波阻抗為300 Ω，波速為300 m/μs；GIS內(nèi)部設(shè)備連接線與匯流母線波阻抗為73 Ω，波速為231 m/μs。模型中各個(gè)設(shè)備之間連接線長(zhǎng)度按照斷面圖中導(dǎo)線的實(shí)際長(zhǎng)度選取。

2.3.5避雷器參數(shù)

變電站采用Y10W-200/520型號(hào)避雷器，避雷器額定電壓為200 kV，直流1 mA參考電壓為290 kV，8/20 μs雷電沖擊殘壓為520 kV，30/60 μs操作沖擊殘壓為442 kV。模型采用EMTP-RV軟件中ZnO避雷器模型，模型中可以輸入避雷器伏安特性曲線與參考電壓等參數(shù)。

2.3.6變電站內(nèi)電氣設(shè)備計(jì)算模型

在防雷設(shè)計(jì)時(shí)，除了需要考慮設(shè)備的分布自電感和對(duì)地容，還必須考慮到匝間電容的影響。以變壓器為例，在雷沖擊波作用下，由于電感的阻流作用，流過電感的電流可以忽略。因此，變壓器繞組等效為K0C0組成的電容鏈，對(duì)首端來說，可以視其為具有一定電容值的集中電容，稱其為入口電容Cr[11]。各設(shè)備入口的電容值列于表4。

表4 各設(shè)備入口電容值Fig.4 Entrance capacitance of the equipment pF

在雷電沖擊電壓下，GIS套管、電壓互感器、電流互感器、隔離開關(guān)、斷路器與主變壓器可用對(duì)地等值電容等效，其中，變壓器入口電容Cr的近似計(jì)算公式如下[12]：

(1)

式中：S為三相變壓器容量；n、K為擬合系數(shù)。

2.3.7電氣設(shè)備的雷電沖擊耐壓水平

雷電過電壓下，變電站電氣設(shè)備內(nèi)、外絕緣的雷電沖擊絕緣水平，適宜以避雷器雷電沖擊保護(hù)水平為基礎(chǔ)，采用確定法確定[5]。標(biāo)準(zhǔn)條件下，各個(gè)設(shè)備的絕緣水平如表5所列。用確定法確定變電站設(shè)備的絕緣水平時(shí)，在雷電侵入波過電壓作用下，變電站內(nèi)設(shè)備的絕緣應(yīng)留有一定的裕度。一般運(yùn)行情況下，內(nèi)絕緣的安全裕度不應(yīng)低于15%特殊方式下內(nèi)絕緣的安全裕度要求。因此，在計(jì)算雷電過電壓的絕緣配合裕度時(shí)，需要考慮到老化等因素對(duì)設(shè)備耐壓的影響。外絕緣劣化系數(shù)按1.05計(jì)算，內(nèi)絕緣按1.15計(jì)算[7]。

表5 標(biāo)準(zhǔn)條件下設(shè)備絕緣水平Tab.5 Insulation levels of equipment under standard conditions kV

根據(jù)劣化系數(shù)對(duì)設(shè)備外絕緣水平進(jìn)行修正，變電站設(shè)備所能承受的最大過電壓幅值如表6所列。

表6 修正后的設(shè)備絕緣水平Tab.6 Revised insulation levels of equipment

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 不同雷擊點(diǎn)的影響

近區(qū)雷擊是指變電站2 km左右范圍內(nèi)的線路遭受雷擊，通常是計(jì)算變電站出線前6基桿塔遭受雷擊的情況。在運(yùn)行方式4～5情況下，分別計(jì)算雷擊1～6號(hào)桿塔時(shí)變電站主要設(shè)備上的過電壓，計(jì)算結(jié)果如表7所列。

表7 不同雷擊點(diǎn)時(shí)設(shè)備反擊雷電過電壓Tab.7 Back flashover overvoltage of equipment at different lightning strike points kV

從表7可以看出：一般情況下，雷擊點(diǎn)離變電站越近，其雷電侵入波過電壓越高，但某些設(shè)備上的過電壓在雷擊2號(hào)桿塔時(shí)最大，所有設(shè)備的過電壓最大值出現(xiàn)在雷擊1號(hào)或2號(hào)桿塔。雖然1號(hào)桿塔距離變電站最近，但是由于該塔與變電站門型構(gòu)架之間的距離僅有50 m，而變電站的接地電阻為0.5 Ω，雷電侵入波會(huì)在此處形成負(fù)反射波，從而減小了原波形的幅值。

3.2 變壓器、母線以及出線數(shù)量影響

運(yùn)行方式1～4，6時(shí)，變電站主要設(shè)備上的反擊雷電侵入波過電壓情況如表8所列。表8中僅列出了設(shè)備過電壓最大的雷擊1號(hào)與2號(hào)桿塔的情況。

表8 變電站設(shè)備反擊雷電過電壓Tab.8 Back flashover overvoltage of substation equipment kV

對(duì)比運(yùn)行方式1～3下的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雙回線路運(yùn)行時(shí)，反擊雷電過電壓明顯高于單回線路的反擊雷電過電壓。這是由于輸電線路遭受雷擊時(shí)，2回線路均閃絡(luò)而且同時(shí)侵入雷電波，因此導(dǎo)致進(jìn)入變電站的雷電流增大。

對(duì)比運(yùn)行方式3與4下的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)變電站雙母線運(yùn)行情況下，GIS內(nèi)部設(shè)備的過電壓比單母線運(yùn)行時(shí)的高，而線路側(cè)CVT與主變壓器等AIS設(shè)備的過電壓較低。這是因?yàn)镚IS母線上僅安裝了VT，沒有安裝避雷器，增加一組母線不會(huì)增加雷電流的泄流通道，反而會(huì)導(dǎo)致雷電波在母線上折反射，從而使得設(shè)備過電壓明顯增加。

對(duì)比運(yùn)行方式4與6下的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加主變壓器的臺(tái)數(shù)時(shí)，設(shè)備上的過電壓會(huì)明顯降低。這是因?yàn)橹髯儔浩鞯娜肟陔娙菀话爿^大，增加主變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)相當(dāng)于增加了雷電波的泄流通道，從而使得設(shè)備過電壓水平降低。

3.3 不同雷電侵入方式的影響

由本文3.2節(jié)可以看出，運(yùn)行方式4下的設(shè)備過電壓水平最高。表9中列出了運(yùn)行方式4下雷擊塔頂反擊和繞擊導(dǎo)線時(shí)變電站主要設(shè)備上的過電壓情況，最大反擊和繞擊雷電流按照本文2.3.1節(jié)選取?？梢钥吹剑豪纂娎@擊導(dǎo)線時(shí)，設(shè)備過電壓水平是明顯低于雷擊塔頂反擊時(shí)的過電壓水平，這主要是由于最大繞擊雷電流比最大計(jì)算反擊雷電流要小的多，因此，即使雷電繞擊導(dǎo)線時(shí)線路絕緣子不閃絡(luò)，變電站設(shè)備上的過電壓水平也不高。

表9 不同雷電侵入方式下雷電過電壓Tab.9 Lightning overvoltage under different intrusion mode kV

3.4 變電站設(shè)備絕緣配合裕度校驗(yàn)

設(shè)備上的絕緣配合裕度可根據(jù)公式(2) 進(jìn)行計(jì)算[12]：

(2)

式中：Kp為設(shè)備保護(hù)裕度；Up為設(shè)備雷電沖擊絕緣水平；Um為設(shè)備上承受的最大雷電沖擊電壓。

由表10的計(jì)算結(jié)果可以看出：以EPF變電站現(xiàn)有的進(jìn)線段雷電防護(hù)方式和變電站的避雷器配置，在變電站遭受最大反擊和繞擊雷電流的情況下，變電站設(shè)備絕緣的配合滿足安全運(yùn)行的要求，設(shè)備上最小的絕緣配合裕度為38.14%。

表10 230 kV EPF變電站主要設(shè)備的絕緣裕度Tab.10 Insulation margin of main equipment in 230 kV EPF substation

4 結(jié) 論

本文對(duì)厄瓜多爾辛克雷水電站送出工程中230 kV GIS變電站雷電侵入時(shí)的過電壓水平以及絕緣配合情況進(jìn)行了仿真計(jì)算研究，計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 變電站進(jìn)線段遭受雷擊時(shí)，在不同的運(yùn)行方式下，1號(hào)或2號(hào)桿塔為過電壓最嚴(yán)重的情況；

(2) 雙回線路-雙母線-單變壓器運(yùn)行時(shí)，變電站設(shè)備上的雷電過電壓水平最高；

(3) 雷電最大繞擊雷電流水平遠(yuǎn)小于最大反擊雷電流，雷電繞擊過電壓水平明顯小于反擊過電壓水平；

(4) 在現(xiàn)有進(jìn)線段雷電防護(hù)方式和變電站避雷器配置下，在變電站遭受最大反擊和繞擊雷電流情況時(shí)，變電站設(shè)備的絕緣配合能夠滿足安全運(yùn)行的要求，設(shè)備上最小的絕緣配合裕度為38.14%。