新立變電站快速暫態過電壓的技術分析

趙晨惠，褚炳上

(東北電力大學，吉林吉林132012)

0 引言

隨著社會經濟的發展，電能的需求量日益增大，從而加速了大型火電站及核電站的發展建設［1］。雷電波沿輸電線路侵入變電站，就會對變電站設備構成巨大的威脅［1-2］，因此變電站的保護成了繼電保護的重要部分［3］。近年來有關雷電侵入波方面的研究很多［4］，因建立的數學模型的不同，所用到的方法多種多樣。考慮到ATP/EMTP的自定義模型有很強大的功能，采用國際通用的先進圖形化電磁暫態計算模型，將變電站和進線段結合起來，對雷電侵入波進行系統的計算和研究。

1 ATP/EMTP仿真程序

采用國際通用先進的圖形化電磁暫態計算程序ATP-EMTP對變電站的雷擊情況進行計算分析。ATP程序和ATPDraw程序的聯合運用，使得計算電磁暫態方面的問題更加方便、準確;求解速度快;精度能滿足工程計算的要求;Windows人機對話界面，計算模型圖形化輸入，操作性對比較方便。這兩個程序的功能和數據輸入相似，都是用于模擬計算電力系統電磁暫態過程，為電力系統的科研、設計和安全運行提供可靠依據［5］。

2 計算模型的建立

對變電站的雷擊情況進行分析時，計算模型的確定是非常重要的，只有精確地計算模型，才能得到精確地數據，從而進一步提出的保護措施才是最有效的。主要的計算模型有雷電模型和變電站各部分元件的模型。

2.1 雷電模型

幅值、波頭和波尾時間是雷電流波形最重要的3個參數，現已積累了大量實測數據，其基本規律趨于一致。由于雷電放電本身有一定的隨機性，測量手段、技術水平也存在一定的缺陷，所以具體數據具有一定的分散性。

用簡煉的數學表達式來描述典型的雷電流波形如圖1所示，它有助于定量分析，以便于進行相關的計算。雷電流的雙指數表達式為

常數α和β的大小，可由閃電的3個特性推得，即沿先導通道的電荷密度、回擊速度，以及回擊過程中先導電荷的復合率。圖1(a)為雙指數等值波形，由2個衰減速度不同的指數函數合成，對于常用的雷電流波形，通常有β?α。

雷電流幅值和波頭時間均按規程規定處理，如圖1(b)所示。此研究中取雷電流幅值240 kA，波形為2.6/50 μs，作為研究中的主要波形。

圖1 雷電流波形圖

2.2 桿塔模型

桿塔的沖擊響應波阻抗，即雷電沖擊波作用下塔頂呈現的電位與由塔頂注入的沖擊電流的比值，是桿塔模型中非常重要的參數，它直接影響到塔頂電位的計算結果。雖然波阻抗沿桿塔是變化的，但給桿塔波阻抗確定1個不變的值所計算得到的結果很接近。故在工程近似計算上，桿塔常被等效為集中參數的電感或分布參數長線。

2.3 輸電線路模型

輸電線路的模型有連續換位(Clarke)和不換位線路(KCLee)模型，Bergeron(貝杰龍)、RLPI型、RL耦合型、RL對稱型等的等值電路模型，輸入數據產生的頻率特性線路模型有:JMARTI(馬蒂)、SEMLYEN(塞姆林)和NODA等，根據計算精度的需要選擇不同的輸電線路模型。

考慮到雷電流幅值為240 kA，波型是2.6/ 50μs，有可能發生三相閃絡，又因為相序的關系，每相上的過電壓會有所不同，故此研究分別采用單相和三相模擬線路模型。

2.3.1 單相無損模型

單相無損模型是一切輸電線路模型的基礎，其參數特性為

R0=0，G0=0，C0和L0均為常參數，

2.3.2 三相均勻換位模型

對于均勻換位線路來說，3個模量中有1個模量是以大地為回路的“地中模量”，即“0”模量;而其余2個模量都是以架空導線為回路的“空間模量”，即“α”和“β”模量。電力工程涉及的頻率范圍內，架空線路的線模(正序波阻)是常數，地模(零序波阻)因大地回路的集膚效應與頻率有密切的關系。因此，三相均勻換位模型并不是足夠精確，但是由于雷擊的假設很粗略，使用這種模型計算足夠了。

2.4 避雷器模型

在陡波電流下，避雷器閥片相當于1個極高阻值的非線性電阻與電容器的并聯，當加于閥片的電壓低于某個臨界值時，閥片相當于極高阻值的電阻，即在正常電壓范圍內它的斜率幾乎為無限大。而在較高電壓時，閥片在過電壓保護范圍內的斜率幾乎是零。這些避雷器電阻的非線性用指數函數描述，其電流電壓之間的關系服從下述規律，表達式為

式中p、q和uref是常數;uref為參考電壓，通常取額定電壓的2倍或接近于2倍的值;q的典型值為20～30。通常難以用1個指數函數來描述整個范圍內的特性，因此，ATP中將電壓范圍分成幾段，每段有其自己的指數函數，即采用分段線性函數模型來模擬。

2.5 變壓器等電氣設備的模型

由于雷電侵入波等值頻率較高，維持時間短，通常10 μs左右即可算出最大過電壓幅值。則變電站設備如變壓器、隔離開關、斷路器、互感器等，在雷電波作用下，均可等值成沖擊入口電容。

2.6 絕緣子串的閃絡模型

ATP程序的子程序TACS組件如圖2所示。

圖2 主要TACS組件示意圖

ATP程序的子程序TACS可將網絡電壓源、電流源、節點電壓、開關電流、開關狀態和一些內部變量作為輸入量，網絡解以TACS的輸出信號作為電壓源或電流源，也可以作為打開或閉合開關的命令。

2.7 TACS子程序模擬絕緣子串閃絡的過程

絕緣子串兩端的電壓和伏秒特性分別是時間函數，可用1個或者多個FORTRAN表達式來表示。52號中的驅動信號模擬絕緣子串兩端的電壓曲線，有名+固定闕限值模擬絕緣子串的伏秒特性曲線;某時刻驅動信號≥有名+固定闕限值時，52號特殊裝置內部的開關閉合，其輸出為正數，將1個由其輸出控制開關狀態的13號TACS開關閉合。此TACS開關相當于絕緣子串，打開狀態為絕緣子串正常狀態，閉合狀態為絕緣子串閃絡狀態。由于TACS開關時閉時合，而絕緣子串閃絡后不會恢復正常，所以要采取措施，必須使TACS開關1次閉合后就不再打開。可行的方法是在52號特殊裝置的輸出端，即在TACS開關的控制端前加1個64號特殊裝置。這樣，52號特殊裝置輸出一旦為正數，就始終為此數不變，從而TACS開關1次閉合后就不再打開，正確地模擬了絕緣子串的閃絡特性(如圖3所示)。

圖3 TACS組合控制模型模擬絕緣子串閃絡特性

此以單回線路為例說明，對于雙回線路，也可以用此方法來判斷絕緣子串閃絡的順序，只是模型更為復雜，要求也更精確。

3 計算結果及分析

根據以上所介紹的各元件模型和在雷擊過程中絕緣子串的閃絡機理，應用電磁暫態計算程序ATP-EMTP對變電站的雷擊情況進行計算分析。此次計算中，采用新立變電站的數據，部分未提供的計算參數將按照國家規程和經驗取值。計算內容主要包括雷擊點的比較、運行方式的比較、桿塔沖擊接地電阻的比較。

3.1 雷擊點及雷擊侵入方式的比較

根據計算結果，反擊時主變上最大過電壓出現在雷擊TW2桿塔;繞擊時主變上最大過電壓出現在雷擊TW2附近線路，但反擊時TW2的過電壓值大于繞擊時的過電壓值。因此可知，反擊時電站各個設備上的過電壓更嚴重，而且反擊TW2的過電壓最大，故計算中采用TW2反擊最大過電壓。

3.2 運行方式比較

從計算可以看出:a.當母線運行方式、線路運行情況、雷擊點及雷電幅值等均相同時，運行的變壓器臺數越多，則泄流通道也增多，設備整體過電壓水平也越低。b.對于本系統來說，主變壓器最嚴重的運行方式是在雷擊線路TW2桿塔時，單線單變運行情況:此時投入設備少，線路少，電容小，雷電流分流情況差，過電壓高，這是較危險的運行方式。各運行方式下的變壓器電壓波形如圖4—圖8所示。

圖4 單線單變運行方式下主變壓器T1上的過電壓曲線

圖5 兩線單變運行方式下主變壓器T1上的過電壓曲線

圖6 兩線兩變運行方式下主變壓器T1上過電壓曲線

圖7 兩線兩變運行方式下主變壓器T2上的過電壓曲線

圖8 2號主變壓器上的電壓波形

3.3 桿塔沖擊接地電阻的比較

在最嚴重的運行方式下，改變桿塔沖擊接地電阻進行計算，以觀察過電壓與遠桿塔沖擊接地電阻的關系。計算結果表明:桿塔的沖擊接地電阻越小，設備上的過電壓越低。因此，應盡量減小其沖擊接地電阻。

4 結論

雷擊桿塔時，絕緣子串沖擊閃絡電壓是由絕緣子串的沖擊伏秒特性與作用其上的沖擊電壓共同決定的;同時，絕緣子串閃絡的時刻對于主變(電氣設備)上的過電壓數值的影響很大。因此，不能將侵入波幅值作為固定值。

從不同運行方式下的過電壓數值可以看出:變電站網絡的大小對計算的結果有較大的影響，網絡越大，主變上所出現的過電壓最高幅值就越低。這是因為雷擊桿塔放電的總能量是一定的，如果變電站網絡越大，設備越多，網絡的總電容量就越大，主變上出現的過電壓數值就越低。因此，從雷擊點、運行方式、絕緣子串閃絡的時刻、工頻電壓的大小等影響因素綜合考慮，主變上出現最大雷電過電壓值的成因很復雜，主要取決于幾個來波的幅值以及相遇的時機。

一般高度的進線段桿塔，其沖擊接地電阻對變電站的雷電過電壓的影響很大，沖擊接地電阻越小，站內設備上的過電壓幅值和流過避雷器的雷電流值也越低，這對變電站雷電侵入波保護具有一定的工程價值。因此，在設計和施工時，應盡力降低進線段桿塔的沖擊接地電阻。

總而言之，對大幅值、高陡度的雷電波侵入超高壓系統變電站的防護，應重點放在防止近區反擊，加強進線保護。

［1］ 四川省電力工業局，四川省電力教育協會.500 kV變電所［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［2］ 王春杰，祝令瑜，汲勝昌，等.高壓輸電線路和變電站雷電防護的現狀與發展［J］.電磁避雷器，2010，3(6):35-46.

［3］ 謝海，尹志民.一起220 kV SF6斷路器事故原因分析［J］.高電壓技術，2006，32(11):170-171.

［4］ 小崎正光.高電壓與絕緣技術［M］.北京:科學出版社，2001.