220 kV變電站雷電防護(hù)措施研究

劉柏罕 丁黎明 車任達(dá) 宋宏彪 牛紅軍

摘 要：針對220 kV變電站雷電侵入波產(chǎn)生嚴(yán)重危害的問題，通過ATP-EMTP搭建220 kV變電站進(jìn)線端雷電波侵入線路的仿真模型，模擬雷電直擊過電壓最為嚴(yán)重的情況。仿真試驗表明，在變電站進(jìn)線端沒有避雷器保護(hù)作用下，電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關(guān)、變壓器等電氣設(shè)備上的雷電過電壓峰值將會危及電氣設(shè)備的絕緣水平。在變電站進(jìn)線端加裝合適型號的氧化鋅避雷器，使得各電氣設(shè)備雷電過電壓程度大大降低，滿足設(shè)備絕緣要求，是變電站雷電過電壓防護(hù)的有效措施。

關(guān)鍵詞：ATP-EMTP;雷電侵入波;雷電過電壓;氧化鋅避雷器

中圖分類號：TM863 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2021）36-0047-03

Study on Lightning Protection Measures for 220 kV Substation

LIU Bohan1，2 ? ?DING Liming1，2 ? ?CHE Renda1 ? ?SONG Hongbiao1，2 ? ?NIU Hongjun1，2

（1.Huaihua University， Huaihua Hunan 418000;2. Key Laboratory of Intelligent Control Technology for Wuling-Mountain Ecological Agriculture in Hunan Province， Huaihua Hunan 418000）

Abstract： Aiming at the serious harm caused by lightning incoming surge in 220 kV substation，the simulation model of lightning incoming surge line from 220 kV incoming line of substation is built through ATP-EMTP，simulating the most serious case of lightning direct overvoltage.The simulation shows that there is no lightning arrester at the incoming side of the substation，the peak value of lightning overvoltage on electrical equipment such as voltage transformer，current transformer， circuit breaker， disconnector and transformer will endanger the insulation level of electrical equipment;installing appropriate lightning arrester at the incoming of the substation，the lightning overvoltage degree of electrical equipment is greatly reduced，satisfing equipment insulation requirements，it is an effective measure for lightning overvoltage protection in substation.

Keywords： ATP-EMTP; lightning incoming surge;lightning overvoltage; lightning arrester

隨著電力科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變電站在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用，變電站遭受雷擊是變電站遭受的主要威脅，嚴(yán)重影響變電站的正常運行[1-2]。220 kV變電站遭受雷電波侵入，變電站內(nèi)電氣設(shè)備的過電壓水平很可能超過設(shè)備的絕緣水平。為了保證設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，有必要考慮變電站內(nèi)電氣設(shè)備過電壓與絕緣配合。目前，變電站內(nèi)防侵入波的常用方法為使用避雷器降低過電壓程度。避雷器可用來保護(hù)電力系統(tǒng)中各種電器設(shè)備免受雷電過電壓、操作過電壓、工頻暫態(tài)過電壓沖擊而損壞[3]。因此，需對加裝避雷設(shè)備的安裝位置及合適型號進(jìn)行詳細(xì)研究[4]。

本文采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP，考慮變電站遭受雷電過電壓最為嚴(yán)重的情況[5]。針對220 kV變電站一線一變運行方式，雷電直擊變電站線路進(jìn)線側(cè)2 km范圍內(nèi)，對各電氣設(shè)備的過電壓程度進(jìn)行分析比較[6]。然后對變電站進(jìn)線端加裝和不加裝避雷器進(jìn)行比較，仿真結(jié)果表明：進(jìn)線端加裝避雷器能很好地降低變電站內(nèi)電氣設(shè)備過電壓峰值，使電氣設(shè)備的絕緣性能滿足要求。該仿真驗證為變電站雷電侵入波提供了相關(guān)數(shù)據(jù)分析，提出了一種220 kV變電站合理化的雷電侵入波雷電防護(hù)方案。

1 仿真模型的搭建

1.1 雷電流的模型

1.1.1 雷電流的幅值。根據(jù)我國相關(guān)規(guī)程，在一般地區(qū)，雷電流幅值概率曲線可用式（1）表示。

[lgP=-I/88] ? ? ? ?（1）

其中：[I]表示雷電流的幅值，單位kA;[P]表示幅值大于[I]的雷電流出現(xiàn)概率。不同地區(qū)應(yīng)根據(jù)該地區(qū)的實際情況選取雷電流的幅值，參考220 kV新杭線雷電流幅值實測結(jié)果的統(tǒng)計分析和變電站運行經(jīng)驗[7]，本文仿真選取最大雷電流幅值為50 kA。

1.1.2 雷電流波形。對于雷電波的波頭長度，各國在研究過程中所測的值一般都在1～5 μs，但我國在研究變電站防雷過程中通常使用2.6 μs的波頭長度，雷電流半峰值時間約為50 μs。故在計算中選取雷電流的波形為2.6/50 μs，本計算采用雙指數(shù)波模擬雷電波。

1.2 桿塔模型

在建立計算塔架的模型時，必須充分考慮塔架的脈沖響應(yīng)波阻抗，它的準(zhǔn)確值將直接影響塔頂電勢的計算。在模擬雷擊試驗過程中，選取桿塔模型時要考慮選取支撐部分長度為主機(jī)架長度1.5倍的模型，而且桿塔多波阻抗模型比較可靠，且符合工程的實際需要。沖擊接地電阻一般為7～15 Ω，本文仿真試驗中選取10 Ω。

1.3 避雷器模型

氧化鋅避雷器是具有良好保護(hù)性能的避雷器[8]。現(xiàn)有變電站侵入波的防雷保護(hù)大多選用氧化鋅避雷器，其主要組成材料為氧化鋅，并且它有較好的非線性伏安特性。正常狀態(tài)下，在避雷器上的電流非常小，當(dāng)發(fā)生雷擊時，避雷器兩端產(chǎn)生很高的過電壓，先于電氣設(shè)備放電，使電氣設(shè)備得到有效保護(hù)[9]。因此，為研究雷電侵入波過電壓，有必要建立一個準(zhǔn)確的氧化鋅避雷器伏安特性計算模型。

本文避雷器選用YH10W-200/520W型氧化鋅避雷器，其額定電壓為200 kV，雷電沖擊電流為10 kA，殘壓峰值為520 kV。利用氧化鋅良好的非線性伏安特性，使在正常工作電壓時流過避雷器的電流極小，為微安級;在過電壓作用下，電壓達(dá)到520 kV時，電阻急劇下降，泄放過電壓的能量，電流激增至10 kA，達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備的效果。

1.4 站內(nèi)設(shè)備模型

仿真模型選取某220 kV變電站，以雷電侵入波電流50 kA幅值進(jìn)行仿真。由于雷電侵入波的頻率高、時間短，在雷擊過電壓的仿真建模中電氣設(shè)備可以用入口電容值來等效，其中等值入口電容數(shù)值的大小及沖擊絕緣水平如表1所示[10]。

2 仿真研究

本文采用ATP-EMTP軟件對220 kV變電站進(jìn)行仿真研究，變電站選取“一線一變”的運行方式。雷電波通過線路傳輸至變電站，分別經(jīng)過電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關(guān)后，最終侵入變壓器。仿真模擬中避雷器選取殘壓為520 kV，變電站外設(shè)置桿塔，雷擊點距離變電站線路等值長度設(shè)為2 km，雷電波在桿塔傳播的波速為2.1×108 m/s，接地電阻選取10 Ω，波阻抗設(shè)為200 Ω，線路等值為LCC模型，單位電阻值設(shè)為20 Ω/m，線路的計算模型選取JMarti模型。

變電站遭受雷擊過電壓，情況最為嚴(yán)重的為直擊雷。仿真分析雷擊避雷線檔距中央和雷直接擊中線路相線兩種情況。

模擬雷直接擊中避雷線檔距中央或線路，為方便分析，模型可只選取三相線路中的A相進(jìn)行仿真分析。模擬雷擊線路的暫態(tài)仿真時間極短，在雷電放電的暫態(tài)過程中，變電站電氣量參數(shù)變化非常微弱，可忽略不計。因此，仿真試驗可采用無電源的方式。

2.1 雷擊避雷線檔距中央仿真分析

分析變電站在未加裝避雷器和加裝避雷器兩種情況下，遭雷擊避雷線檔距中央各電氣設(shè)備過電壓，檢測電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關(guān)和變壓器上的雷電過電壓幅值。雷擊避雷線檔距中央各電氣設(shè)備上的雷電過電壓幅值對比如表2所示。

當(dāng)雷擊避雷線檔距中央時，均會在電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關(guān)、變壓器上產(chǎn)生雷電過電壓。未加裝避雷器時，電壓互感器上的電壓峰值達(dá)1 510 kV，沖擊絕緣水平為950 kV，是其沖擊耐壓水平的1.58倍，將導(dǎo)致電壓互感器的絕緣受到破壞，變電站發(fā)生嚴(yán)重的安全事故;裝設(shè)避雷器后，電壓互感器上的電壓峰值降低至925 kV，低于電壓互感器沖擊絕緣水平950 kV，絕緣不受破壞，變電站正常運行。

其余電氣設(shè)備由于入口電容數(shù)值相對較小，由表1各電氣設(shè)備沖擊絕緣水平可知，過電壓未達(dá)到?jīng)_擊絕緣水平，絕緣不受破壞。但裝設(shè)避雷器后，電氣設(shè)備電壓的幅值有明顯降低，說明避雷器對變電站內(nèi)電氣設(shè)備均起到了良好的保護(hù)作用。

2.2 雷擊線路相線仿真分析

仿真模擬直擊雷擊中相線，可選取三相線路中的A相進(jìn)行仿真分析。模擬雷電直擊線路A相，其變電站內(nèi)參數(shù)設(shè)置和模擬雷擊避雷線檔距中央的參數(shù)設(shè)置一致。仿真出雷電直擊線路A相后電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關(guān)和變壓器上的雷電過電壓波形，后在變電站進(jìn)線端加裝避雷器比較分析，仿真結(jié)果對比如表3所示。

由表3可知，在線路發(fā)生雷電直擊線路A相后，未加裝避雷器時，電壓互感器上的電壓峰值達(dá)1 690 kV，幅值較線路發(fā)生雷擊檔距中央時高，沖擊絕緣水平為950 kV，是其沖擊耐壓水平的1.77倍，將導(dǎo)致電壓互感器的絕緣受到破壞。裝設(shè)避雷器后，電壓互感器上的電壓峰值為851 kV，低于電壓互感器沖擊絕緣水平950 kV，絕緣不受破壞。

同樣地，在設(shè)置避雷器之后，變電站內(nèi)各電氣設(shè)備過電壓的幅值都會降低，均滿足絕緣要求。

3 結(jié)語

本文通過ATP-EMTP搭建220 kV變電站進(jìn)線端，經(jīng)站內(nèi)電氣設(shè)備到變壓器的仿真模型，來模擬雷擊避雷線檔距中央和雷直接擊中線路兩種情況。文中雷擊點的選擇、雷電流的幅值、變電站的運行方式，均采用對變電站設(shè)備造成危害最為嚴(yán)重的情況分析。仿真對比各電氣設(shè)備過電壓峰值與電氣設(shè)備自身絕緣水平，通過對比分析可知，兩種不同情況下，進(jìn)線端加裝避雷器能大大降低過電壓程度，保證變電站在遭受雷電侵入波時能夠正常運行。此外，避雷器的選型以及安裝位置、桿塔的接地電阻等均會影響站內(nèi)電氣設(shè)備過電壓的水平。在進(jìn)行變電站的設(shè)計時，必須進(jìn)行全面防雷設(shè)計，提出完整且合適的變電站防雷保護(hù)措施，從而保證變電站的正常運行，使雷擊變電站造成的經(jīng)濟(jì)損失最小化，為工作人員提供更安全的工作環(huán)境。

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