雷擊過電壓影響下變電站避雷器配置優(yōu)化研究

王越

摘要：變電站供電線出現(xiàn)雷擊會給供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來顯著影響，同時主要的電氣設(shè)備絕緣能力無法自動修復(fù)。就變電站而言，若避雷器配置數(shù)量過少則無法有效應(yīng)對雷擊影響。為此，對變電站雷電侵入波過電壓進(jìn)行分析對避雷器配置方案合理布置及優(yōu)化具有重要意義。文中以變電站為研究對象，對避雷器配置進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上提高了變電站運行安全保證能力。

關(guān)鍵詞：雷擊;過電壓;避雷器;配置優(yōu)化

引言

雷電活動頻繁，架空線路易遭受雷擊，雷電波會沿著導(dǎo)線進(jìn)入變電站。按照交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合規(guī)定設(shè)置進(jìn)線保護(hù)段，即采用雙避雷線，并盡可能降低桿塔接地電阻，使進(jìn)線保護(hù)段具有較高的耐雷水平;并在變電所母線上裝設(shè)無間隙金屬氧化物避雷器（MOA），MOA與電氣設(shè)備間的最大距離不超過規(guī)定的數(shù)值，是可以滿足110kV和220kV敞開式變電站的耐受雷電侵入波過電壓要求的。但電網(wǎng)有時會存在進(jìn)線斷路器出現(xiàn)暫時性分閘狀態(tài)，其與雷電侵入波兩種情況的疊加就可能在斷路器末端反射產(chǎn)生很高的過電壓，引起敞開式變電站內(nèi)進(jìn)線斷路器及CT等設(shè)備事故。

1變電站主要設(shè)備模型

桿塔是雷擊入侵的重要元件，桿塔選用多波阻抗模型，可較為準(zhǔn)確地反應(yīng)桿塔布置形狀給雷電侵入波在畸變、折發(fā)射等方面造成的影響。絕緣子閃絡(luò)過程模擬采用長岡非線性電感模型;輸電線路導(dǎo)體建模使用馬蒂模型。避雷器使用呈現(xiàn)出非線性U-I特征，文中用非線性電阻模型（type99）表征避雷器。變電站內(nèi)的其他電器設(shè)備模型構(gòu)建則采用入口電容簡化處理。分析使用雙指數(shù)雷電波模型，雷電波波頭、波尾時間為2.6、50μs;反擊雷電流、繞擊雷電流波阻抗，幅值分別為300Ω、800Ω，240kA、30kA。

2仿真分析

2.1第一次雷擊計算

由雷擊記錄可知無法造成反擊閃絡(luò)，此處僅對繞擊做仿真。仿真中考慮到雷擊時刻220kV線路工頻電壓影響，在一個工頻周期內(nèi)每隔60°計算一次，其中相角以A相電壓余弦表達(dá)式為基準(zhǔn)，計算雷電繞擊C相的耐雷水平，計算結(jié)果為：相角分別為0/60/120/180/240/300°時，繞擊C相分別為8.9/8.0/8.9/10.2/10.9/10.2kA，均值為9.5kA。當(dāng)-20kA超過C相繞擊閃絡(luò)耐雷水平（約9.5kA，具體與工頻相角有關(guān)），可造成C相繞擊閃絡(luò)。

2.2反擊過電壓

雷擊點選擇在2號桿塔反擊導(dǎo)線處并結(jié)合一線一變情況，桿塔自身接地電阻為10Ω，構(gòu)建仿真模型，對不同接線運行方式下反擊過電壓影響情況進(jìn)行分析，從仿真結(jié)果看出，各位置的過電壓值均未超過允許值且均有一定的絕緣裕度;反擊過電壓對母線、斷路器及主變電站等位置產(chǎn)生的過電壓趨勢與繞擊過電壓一致。

2.3第二次雷擊計算

在線路第一次遭雷擊時平地站220kV線路保護(hù)動作，線路開關(guān)跳閘。由于線路開關(guān)重合閘的設(shè)置為1s，在315ms后線路遭第二次雷擊時線路開關(guān)未動，開關(guān)為斷開狀態(tài)。220kVC相第二次接地故障時，雷電波沿著線向平地站方向傳播，此時線路C相開關(guān)處于分閘狀態(tài)，雷電波在開關(guān)端口位置發(fā)生波反射，避雷器距離開關(guān)斷口較遠(yuǎn)（79m），開關(guān)斷口處的電壓將大幅提高。對此進(jìn)行仿真，將變電站等效為帶內(nèi)阻的電壓源，電阻按容量折算。終端塔三相均安裝線路避雷器。在-12kA雷電流繞擊C相情況下，C相導(dǎo)線電位達(dá)到約1518kV，傳播至終端塔，避雷器盡管吸收一部分能量，斷口電壓達(dá)1437kV超過開關(guān)沖擊耐受電壓1050kV，即斷路器斷口和CT端部的雷電過電壓均明顯超過其絕緣的雷電沖擊耐受電壓，造成斷路器斷口擊穿和CT主絕緣擊穿。

3原因分析

避雷器選型錯誤.變電站用避雷器是根據(jù)站內(nèi)電氣設(shè)備的絕緣水平選擇的，一般考慮操作過電壓、雷電過電壓和沖擊過電壓等因素，要綜合考慮這些因素確定避雷器的動作電壓和殘壓。由于出線設(shè)備與其它變電設(shè)備的耐雷水平相同，變電站出線避雷器的選擇原則應(yīng)與變電站母線避雷同樣[4]。即當(dāng)線路遭受雷擊過電壓、雷擊過電壓侵入變電站時出線避雷器動作，消除雷擊過電壓。特別是出線開關(guān)因檢修、試驗或其它原因處于分閘狀態(tài)時，只有出線間隔避雷器保護(hù)出線間隔設(shè)備。線路用避雷器是專門用于消除安裝桿塔在遭受雷擊后出現(xiàn)的過電壓。不考慮操作過電壓，即要求在操作過電壓下間隙不擊穿，避雷器不動作，以免避雷器頻繁動作影響線路正常運行。線路避雷器是由一個間隙和一個氧化鋅避雷器串聯(lián)組成。當(dāng)線路遭到雷擊時，雷電過電壓擊穿空氣間隙，然后使避雷器導(dǎo)通泄露雷電能量。雷電過電壓消失后，氧化鋅電阻片又恢復(fù)絕緣狀態(tài)。因此它的動作電壓為U50%放電電壓，要比站用避雷器動作電壓高得多[2]，不同避雷器型號的起始動作電壓（kV）與殘壓（kV）分別為：YH10W-200/496W為304、496;Y（H）10W-204/532為304、532;YH10CX-204/592為862/1004、592。

4避雷器安裝

不同避雷器的外形與尺寸差別較大，外表面的材質(zhì)也不盡相同，既有堅硬的瓷套保護(hù)殼，也有一定變形量的硅膠保護(hù)層，因此有必要研究適應(yīng)不同種類避雷器的自動化更換技術(shù)和自動化更換工具。以環(huán)形電極外串聯(lián)間隙避雷器為例，避雷器與絕緣子通過金屬支架連接，安裝在桿塔橫擔(dān)上，環(huán)形電極與被保護(hù)的絕緣子同軸心。不考慮前期防護(hù)步驟，一般性的人工操作安裝步驟為：松開絕緣子與橫擔(dān)連接處的螺母;扶住并向上抬起絕緣子，與橫擔(dān)上部形成間隙;從環(huán)形電極開口處將避雷器插入絕緣子;將避雷器金屬支架插入絕緣子與橫擔(dān)的間隙，調(diào)整避雷器與絕緣子的距離，保證環(huán)形電極與絕緣子同心，以及保證串聯(lián)間隙;放下絕緣子，壓住金屬支架;重新上緊緊固螺母，完成安裝。由以上步驟可見，人工操作繁瑣，操作需細(xì)致準(zhǔn)確，工人的雙手需時刻扶住操作對象，沒有中途停歇機會。

結(jié)束語

1）按照相關(guān)規(guī)程、規(guī)范要求，將主變壓器允許過電壓值1348kV，電流互感器及電壓互感器允許過電壓值1523kV，對雷擊影響下主變壓器、母線及斷路器等位置過電壓進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)各位置過電壓值均未超過允許時且有一定絕緣裕度;當(dāng)避雷器與主變電站間距超過30m時，若母線側(cè)未配備避雷器則雷擊過電壓可能會擊穿主變電側(cè)絕緣;2）根據(jù)模擬仿真結(jié)果，變電站避雷器配置建議采取下述方案：500kV入口位置布置一組444/1106避雷器（放電電流20kA）、母線位置無需布置避雷器、主變電側(cè)距離25m內(nèi)布置一組444/1106避雷器（放電電流20kA）。采取上述避雷器配置方案可有效避免雷擊給變電站運行帶來的影響。

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