傅文韜

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司汨羅市供電分公司，湖南 汨羅　414400)

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500 kV HGIS變電站防雷保護(hù)配置研究

傅文韜

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司汨羅市供電分公司，湖南 汨羅414400)

摘要：500 kV HGIS變電站在結(jié)構(gòu)上和GIS變電站不同，站內(nèi)電氣設(shè)備的雷擊過(guò)電壓水平也會(huì)不同。因此，需要對(duì)500 kV HGIS變電站進(jìn)行雷電侵入波過(guò)電壓研究，以確保在雷電波侵入時(shí)，站內(nèi)電氣設(shè)備上的電壓水平不超過(guò)其絕緣水平。以某500 kV HGIS變電站為例，考慮了多種運(yùn)行方式、線路高抗、線路電暈等影響因素，采用國(guó)際上通用的仿真計(jì)算程序EMTP，建立了該變電站的雷擊過(guò)電壓仿真模型；并對(duì)不同運(yùn)行方式下，該變電站雷電侵入波過(guò)電壓水平進(jìn)行了分析計(jì)算。根據(jù)仿真結(jié)果，提出了可能的雷擊過(guò)電壓保護(hù)方案,具有實(shí)際工程參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：HGIS變電站；防雷保護(hù)；EMTP；避雷器

Abstract：The HGIS substation and GIS substation of 500 kV level are different in structure, and the lightning over-voltage level of their electrical apparatus is also different. So it is necessary to study the lightning over-voltage in 500 kV HGIS substation in order to ensure that the electrical apparatus will keep the voltage level in normal range under any operating modes during the lightning wave intrusion. Taking a 500 kV HGIS substation for example and taking the various influencing factors into account, including operating modes, line reactor and line corona, the simulation model of lightning over-voltage of the substation is established using electromagnetic transient program (EMTP) as simulation tool, and the lightning over-voltage level of the substation is analyzed and calculated in various operating modes. Based on simulation results, a possible protection scheme against lightning over-voltage is proposed, which has a reference value for practical engineering.

Key words：HGIS substation; protection against lightning; EMTP; lightning arrester

0引言

雷電過(guò)電壓是影響超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的重要因素之一。一旦發(fā)生雷害事故，將直接影響系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，造成嚴(yán)重的后果[1]。目前，500 kV電壓等級(jí)的變電站有3種類型：500 kV GIS、500 kV AIS、500 kV HGIS。變電站設(shè)備的雷電過(guò)電壓情況與變電站結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，不同類型的變電站，防雷保護(hù)配置情況也不一樣。

對(duì)于500 kV GIS變電站：1)GIS套管的波阻抗遠(yuǎn)小于架空線的波阻抗；2)雷電流從架空線進(jìn)入GIS反射波的極性與入射波極性相反；3)GIS變電站各設(shè)備的電氣距離較短，有利于整個(gè)變電站的防雷保護(hù)。對(duì)于500 kV GIS變電站防雷保護(hù)配置，往往采用在線路靠CVT側(cè)和主變壓器側(cè)各安裝1組避雷器以及母線和高壓電抗器回路不安裝避雷器的配置方案[2-3]。AIS變電站，各設(shè)備相距較遠(yuǎn)，往往采用在高壓電抗器、線路側(cè)CVT、母線以及主變壓器側(cè)各安裝1組避雷器[4-5]。

HGIS變電站的結(jié)構(gòu)與GIS變電站基本相同，但HGIS變電站母線為裸露的，可達(dá)幾百米長(zhǎng)。當(dāng)雷電波從含高壓電抗器的線路侵入時(shí)，變電站各設(shè)備的雷電過(guò)電壓會(huì)不同，尤其會(huì)對(duì)進(jìn)線端設(shè)備產(chǎn)生很大的過(guò)電壓威脅。一方面，母線的波阻抗與線路的波阻抗相差不大，雷電流從架空線進(jìn)入母線后的反射波可忽略不計(jì)；另一方面，裸露的母線加大了高壓電抗器和GIS套管的距離，計(jì)算時(shí)采用的雷電流的波頭為2.6 μs，當(dāng)高壓電抗器上的雷電過(guò)電壓達(dá)到峰值時(shí)，從GIS入口處返回的反射波還沒到達(dá)高壓電抗器，這與GIS變電站的情況不同：因此，需要對(duì)500 kV HGIS變電站雷電侵入波在變電站電氣設(shè)備上所產(chǎn)生的過(guò)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，找出過(guò)電壓的分布變化規(guī)律，對(duì)限制雷電過(guò)電壓、保護(hù)電氣設(shè)備可提供有價(jià)值的參考依據(jù)，以進(jìn)一步優(yōu)化變電站的工程設(shè)計(jì)。

以某500 kV HGIS變電站為例，采用國(guó)際通用的EMTP電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序，研究了不同運(yùn)行方式下以及不同雷擊點(diǎn)下雷電過(guò)電壓保護(hù)方案，根據(jù)過(guò)電壓與絕緣水平要求，制定了該變電站防雷保護(hù)配置方案。

1計(jì)算模型及參數(shù)

1.1雷電流

雷電放電過(guò)程分為先導(dǎo)過(guò)程和主放電過(guò)程。研究表明，先導(dǎo)通道具有分布參數(shù)的特征，可近似為一個(gè)具有電感、電容均勻分布參數(shù)的導(dǎo)電通道，波阻抗為Z0。其過(guò)程可以簡(jiǎn)化為1個(gè)數(shù)學(xué)模型，將其考慮為1個(gè)電流源，彼德遜等值電路如圖1所示。

圖1　雷電流源等值電路

本次計(jì)算選取概率為0.35%的雷電流，其幅值為216 kA，雷電流的波形選擇為 2.6/50 μs。反擊時(shí)，雷電通道的波阻抗Z0取300 Ω[6]。

1.2絕緣子串閃絡(luò)模型

絕緣子串的閃絡(luò)由絕緣子串的伏秒特性曲線和電壓曲線確定。如圖2所示，絕緣子串的伏秒特性曲線和電壓曲線的相交時(shí)刻t2為閃絡(luò)時(shí)刻，相交點(diǎn)電壓U2為閃絡(luò)電壓。

圖2　絕緣子串的閃絡(luò)原理

對(duì)于500 kV輸電線路，導(dǎo)線上絕緣子串處工頻電壓不可忽略。雷擊桿塔塔頂時(shí)，其絕緣子串的工頻電壓瞬時(shí)值不確定，考慮絕緣子串最易閃絡(luò)的情況，即雷擊發(fā)生時(shí)，導(dǎo)線上絕緣子串處的工頻電壓達(dá)到幅值，且極性與塔頂電位的極性相反。本次計(jì)算中，工頻電壓取輸電線路的相電壓峰值429 kV[2]。

采用EMTP程序中的TACS(數(shù)值仿真)功能，考慮絕緣子串沖擊伏秒特性，并準(zhǔn)確計(jì)算作用在絕緣子串上的過(guò)電壓，模擬絕緣子串閃絡(luò)過(guò)程。

1.3輸電線計(jì)算模型

變電站的雷電侵入波分為繞擊和反擊。這里考慮雷電過(guò)電壓情況更嚴(yán)重的反擊波侵入方式[4]。

該500 kV HGIS變電站的進(jìn)線段采用雙避雷線，同桿單回五導(dǎo)線輸電系統(tǒng)。仿真中，采用ATP中LCC架空線路模塊仿真輸電線路，并選擇JMARTI模型。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，JMARTI模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的結(jié)果較接近[3]。

站內(nèi)導(dǎo)線視為無(wú)畸變線，波阻抗為常數(shù)且不計(jì)電暈影響。站內(nèi)導(dǎo)線的波阻抗由式(1)決定。

(1)

式中：re為導(dǎo)體半徑；ha為導(dǎo)體平均高度。

對(duì)于SF6GIS管線，忽略導(dǎo)體電阻的焦耳損耗，視其為理想的無(wú)損傳輸線。

GIS管道中導(dǎo)體的波阻抗為

(2)

式中：R為管道半徑；r為導(dǎo)體半徑；R/r通常大于或等于e，故GIS管線波阻抗在60 Ω～75 Ω之間。本次計(jì)算，GIS管線波阻抗取65 Ω。

1.4電暈?zāi)Ｐ?/p>

線路上產(chǎn)生的電暈是雷電波衰減和畸變的主要因素。在研究變電站雷電過(guò)電壓時(shí)，應(yīng)將進(jìn)線段電暈考慮進(jìn)去。用動(dòng)態(tài)電容去模擬電暈引起的衰減和變形，基于線路的伏秒特性，用TACS 組合模型模擬電暈，如圖3所示。

圖3　電暈?zāi)Ｐ?/p>

圖3中2個(gè)DEVICES裝置，分別為線路相對(duì)地、相與相之間發(fā)生起始電暈的判據(jù)。

表1　氧化鋅避雷器的電氣特性

1.5避雷器模型

500 kV輸電系統(tǒng)中，已大量采用氧化鋅避雷器，這次研究的變電站采用兩種500 kV金屬氧化鋅避雷器，分別為變電站型和線路型避雷器。

研究中，避雷器采用IEEE Std C62.22-2009推薦的計(jì)算模型，在EMTP程序中用分段指數(shù)化的方法來(lái)模擬避雷器的伏安特性[7]，其電氣特性見表1。

1.6桿塔模型

從塔頂侵入桿塔的雷電流將在桿塔、避雷線、絕緣子串及導(dǎo)線、大地組成的系統(tǒng)中發(fā)生復(fù)雜的波過(guò)程。雷電波沿桿塔傳播時(shí)，不同位置桿塔的波阻抗是不同的。近幾年，國(guó)外一些專家使用多波阻抗來(lái)模擬輸電線路的桿塔，建立了桿塔的多波阻抗計(jì)算模型，其具體的等值電路如圖4所示。

圖4　桿塔的等值多波阻抗等值電路

主架每部分阻抗ZTk為

(3)

式中，rek=21/8(rTk1/3rB2/3)1/4(RTk1/3RB2/3)3/4。

支架每部分的波阻抗ZLk為

ZLk=ZTk/9

(4)

桿塔橫擔(dān)波阻抗ZAk為

(5)

1.7變電站設(shè)備模型

站內(nèi)設(shè)備如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器等，在雷電波作用下，均可等值為沖擊入口電容，它們之間由分布參數(shù)線段相隔[5]。站內(nèi)各設(shè)備的等值沖擊入口電容值，如表2所示。

表2　變電站電氣設(shè)備過(guò)電壓計(jì)算等值參數(shù)

2運(yùn)行方式

2.1運(yùn)行方式的選擇

某500 kV HGIS變電站一次接線圖，如圖5所示。

圖5　500 kV HGIS變電站一次接線圖

變電站不同的運(yùn)行方式對(duì)設(shè)備雷電過(guò)電壓水平影響較大。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式的雷電過(guò)電壓比拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜的運(yùn)行方式更為嚴(yán)重[6]。一般認(rèn)為，一線一變運(yùn)行方式下，設(shè)備的過(guò)電壓最為嚴(yán)重。

根據(jù)一線一變、一線兩變、兩線一變3種運(yùn)行情況，選取了16種運(yùn)行方式進(jìn)行詳細(xì)分析。另外，單獨(dú)分析并聯(lián)高壓電抗器的防雷保護(hù)。以布拖(一)線路為雷擊點(diǎn)為例，一線一變運(yùn)行方式下的計(jì)算等值電路如圖6所示。

表3　各設(shè)備的雷電過(guò)電壓值

圖6　布拖(一)進(jìn)波的等值電路圖

2.2避雷器的安裝位置

線路側(cè)避雷器的安裝點(diǎn)為距離線路側(cè)CVT 4 m，距離高壓電抗器30 m。高壓電抗器避雷器的安裝位置為距離高壓電抗器4m，距離線路側(cè)CVT 30 m。母線側(cè)避雷器的安裝位置為布拖(二)間隔兩端的母線處，距離母線上端66 m。根據(jù)工程要求，各主變壓器側(cè)均安裝避雷器，安裝位置為距離主變壓器30 m，如圖6所示。

3仿真分析

在分析研究和計(jì)算過(guò)程中，重點(diǎn)考慮了以下3個(gè)方面：1)不同運(yùn)行方式的影響；2)高壓電抗器對(duì)線路側(cè)CVT、母線的防雷保護(hù)的影響；3)500 kV HGIS變電站防雷保護(hù)配置方案分析。

3.1線路側(cè)CVT、母線的防雷保護(hù)的影響分析

根據(jù)上述各元件模型，搭建了各種運(yùn)行方式的仿真模型。針對(duì)母線和線路側(cè)防雷保護(hù)配置分析(不含高壓電抗器線路)，考慮以下3種保護(hù)配置方案：

1)線路側(cè)加裝避雷器，母線不加避雷器；

2)母線加裝避雷器，線路側(cè)不裝避雷器；

3)母線和線路側(cè)都不加避雷器。

根據(jù)某500 kV HGIS變電站實(shí)際參數(shù)，用EMTP軟件進(jìn)行建模仿真。本次研究變電站各相鄰節(jié)點(diǎn)的最短電氣距離為1 m，波速為光速，因此步長(zhǎng)取0.001 μs 即可，仿真計(jì)算時(shí)間為50 μs。雷擊點(diǎn)為進(jìn)線段的2號(hào)～6號(hào)桿塔塔頂[6]，雷電過(guò)電壓檢測(cè)點(diǎn)為線路側(cè)CVT、高壓電抗器、GIS套管以及母線。由于母線長(zhǎng)度達(dá)到了150 m，所以母線上過(guò)電壓檢測(cè)點(diǎn)有3個(gè)，分別為雷電進(jìn)波處以及母線兩端處。3種配置下，各設(shè)備的雷電過(guò)電壓仿真結(jié)果如表3所示。

取站內(nèi)除變壓器以外設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓為1 550 kV，設(shè)備絕緣裕度參考IEC71-2標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)絕緣裕度取1.15，則各設(shè)備允許的最大過(guò)電壓為1 348 kV。當(dāng)采用配置1時(shí)，最大過(guò)電壓出現(xiàn)在母線側(cè)為1 298 kV，低于1 348 kV。避雷器的最大放電電流為14.5 kA，小于避雷器的標(biāo)稱電流 20 kA?？梢?，在線路加裝避雷器，母線不加裝避雷器的情況下可以滿足絕緣裕度要求。采用配置2時(shí)，線路側(cè)電壓互感器和GIS套管處出現(xiàn)的最大過(guò)電壓超過(guò)允許值，不能滿足絕緣要求。同樣，配置3也不能滿足絕緣要求。

綜合上述分析，對(duì)于不含高壓電抗器的線路，只需在進(jìn)線側(cè)加裝1組避雷器就能滿足防雷保護(hù)的要求。

3.2進(jìn)線段含高壓電抗器的防雷保護(hù)分析

考慮以下3種保護(hù)配置方案：

表4　各設(shè)備的雷電過(guò)電壓值最大值

表5　3種配置下各設(shè)備的雷電過(guò)電壓值

1)線路側(cè)CVT加裝避雷器，高壓電抗器和母線不加裝避雷器；

2)線路側(cè)CVT和母線不加裝避雷器，高壓電抗器回路加裝避雷器；

3)線路側(cè)CVT和高壓電抗器不加避雷器，母線加裝避雷器。

由表4可得，配置1到配置3都存在設(shè)備過(guò)電壓超標(biāo)的情況，都不滿足絕緣要求。因此，可得以下3個(gè)結(jié)論：1)進(jìn)線端的避雷器不管是安裝在高壓電抗器回路還是CVT處，都不能有效保護(hù)進(jìn)線端設(shè)備；2)線路側(cè)安裝的避雷器不能保護(hù)母線及母線上設(shè)備；3)母線上避雷器距離線路側(cè)CVT和高壓電抗器都比較遠(yuǎn)。

可見，高壓電抗器加大了進(jìn)線端設(shè)備的雷電過(guò)電壓水平，與前面分析一致。

3.3500 kV HGIS變電站防雷保護(hù)配置選擇

由表2可得，單獨(dú)的避雷器配置方案不能滿足變電站的防雷要求，所以考慮母線與進(jìn)線端設(shè)備相互配合加裝避雷器的方案，考慮以下3種配置：

1)線路側(cè)CVT加裝避雷器，母線加裝避雷器，高壓電抗器不加裝避雷器；

2)高壓電抗器加裝避雷器，母線加裝避雷器，線路側(cè)CVT不加裝避雷器；

3)高壓電抗器、線路側(cè)CVT、母線都加裝避雷器。

以4種運(yùn)行方式為例，3種配置下各設(shè)備的最大過(guò)電壓值仿真結(jié)果如表5所示。

由表5可得，配置1方式下高壓電抗器的過(guò)電壓達(dá)到了1 646 kV，不滿足設(shè)備的絕緣要求；在配置2和配置3下，各設(shè)備的最大雷電過(guò)電壓分別為1 329 kV和1 158 kV，滿足該變電站設(shè)備絕緣要求。但配置2比配置3少裝一組避雷器，更經(jīng)濟(jì)：因此，從變電站防雷的可靠性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，高壓電抗器和母線側(cè)安裝避雷器的配置方案，能有效地滿足該500 kV HGIS變電站的防雷要求。

4結(jié)論

以某500 kV HGIS變電站為對(duì)象，所選16種情況均為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式，其造成的雷擊過(guò)電壓的影響通常比拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的其他運(yùn)行方式更為嚴(yán)重，此外，考慮了線路電暈和工頻電壓的影響，根據(jù)該變電站實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建仿真模型，更有實(shí)際意義。

根據(jù)仿真分析，提出了該500 kV HGIS變電站的防雷保護(hù)配置方案，并得出以下結(jié)論：

1)進(jìn)線段不含高壓電抗器回路時(shí)，只需要在線路側(cè)安裝1組避雷器，母線不需要安裝避雷器；

2)進(jìn)線段含高壓電抗器回路時(shí)，高抗回路和母線需安裝避雷器；

3)線路高壓電抗器加大了進(jìn)線端設(shè)備的雷電過(guò)電壓水平。

參考文獻(xiàn)

[1]李飛，周力行，黃輝先.500 kV變電站并聯(lián)電抗器雷電侵入波仿真研究[J]. 電瓷避雷器, 2008(4):36-38．

[2]謝輝春，文習(xí)山，鄧維，等. 500 kV GIS變電站雷擊進(jìn)線段塔頂雷電過(guò)電壓的仿真研究[J]. 電氣應(yīng)用 ,2006, 25(3):63-66.

[3]呂健雙. 500 kV GIS變電站雷電過(guò)電壓研究[D].武漢:華中科技大學(xué), 2012.

[4]李洪濤. 500 kV變電站雷電侵入波保護(hù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2006.

[5]張玉秋，王子春，楊利軍. 500 kV變電所防雷保護(hù)計(jì)算分析[J].中國(guó)電力 ,1995(8):12-16.

[6]袁兆祥，周洪偉.500 kV HGIS變電站雷電侵入波的計(jì)算分析[J].高電壓技術(shù),2007, 33(6):71-75.

[7]吳伯華，陳繼東. 500 kV線路型避雷器雷電過(guò)電壓的保護(hù)性能[J]. 高電壓技術(shù), 2002, 28(6):23-26.

中圖分類號(hào)：TM86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0029-05

(收稿日期：2015-11-24)