500kV AIS變電站雷電過電壓防護研究

吳靜子，丁勝強，甘凌霞，李雷

（1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412000；2.湖南湘潭電業局，湖南 湘潭 411101；3.江西九江供電公司，江西 九江 332000）

1 引言

隨著我國電力的發展，500kV輸變電工程不斷的增多，高壓設備的安全顯得尤為重要，而雷電侵入波又是對變電站構成威脅的主要方式之一。處于可靠性和經濟性的角度考慮，對雷電侵入波過電壓進行研究，以確保有雷電侵入時對各種運行方式下站內各電氣設備的過電壓水平不超過其絕緣水平［1］。500kV變電站內電抗器入口電容較大（一般可取3000～5000pF），其上過電壓很可能超過設備的絕緣水平。因此，是否對其加裝避雷器需要進行進一步的計算研究。

文章采用ATPDraw對雷電波及變電站進行仿真，主要對變電站內避雷器架設的位置設置提出不同的方案，針對仿真結果進行計算分析，為站內避雷器的布置設計提供參考。

2 模型建立與參數選擇

ATPDraw是世界上應用最廣的數字式仿真電磁暫態現象軟件，基于圖形化界面使得在使用中非常方便準確［2］。在此次研究中，雷電模型、輸電線路模型、桿塔模型、避雷器模型均根據參數特點自己定義，變電站內設備變壓器、隔離開關、斷路器、互感器，電抗器等，在雷電波作用下，均用等值沖擊入口電容表示。

2.1 500kV變電站等效電路圖

如圖1所示為曲江500kV變電站等效電路圖，裝設一組離入線口接近200m距離的并聯電抗器。出于系統安全性的考慮，文章選取“一線一變”這種雷電過電壓最為嚴重的運行方式進行仿真計算。圖中T為變壓器；L為電抗器；CVT為電壓互感器；TA為電流互感器；GW為隔離開關；QF為斷路器，MOA為氧化鋅避雷器［3］。

圖1 500kV變電站等效電路圖

2.2 雷電模擬

雷電流屬于單極性脈沖波。對我國現行標準推薦雷電流幅值分布的概率如下［4，5］:

I

P—幅值大于I的雷電流概率。

本文中取0.14%概率的雷電流，幅值為240kA，波形為2.6/50為仿真雷電流。

2.3 進線段模擬

雷電侵入波是通過進線段流入變電站的，所以對于進線段的模擬尤為重要。落雷點可分為近區落雷和遠區落雷，規定:一般應該保證2km外線路導線上出線雷電侵入波過電壓時，不引起發電廠和變電站電氣設備絕緣損壞。但考慮到實際情況中若變電站2km外線路上落雷，傳輸到變電站內后能量大大衰減，不會對變電站內設備絕緣構成威脅。本文選取2km進線段距離，模擬了6個基塔及導線，沖擊接地電阻分別為15Ω（離變電站最近的桿塔為7Ω）考慮最為嚴重的情況故雷擊點選擇在距變電站第二基桿塔塔頂。

桿塔模型:在防雷計算中，雷電沖擊波作用下塔頂呈現的電位與塔頂注入的沖擊電流的比值，即桿塔的沖擊響應波阻抗［6］。本文雷擊點桿塔選用門型桿塔模型，按自然尺寸用多段分布參數模擬，其波阻抗取120Ω，波速為 210m/μs。

進線段參數:導線為四分裂結構，型號為4LG－400/35，分裂間距為450mm，波阻抗取280Ω，波速為300m/μs。避雷線型號:LGJ－95/55計算直徑16mm直流電阻0.3Ω/km。

ATPDraw模擬進線段模型如圖2所示。

2.4 避雷器參數

站內氧化鋅避雷器參數如下:額定電壓，444kV；系統標稱電壓，500kV；工頻參考電壓，628kV［4－5，7］。氧化鋅電阻片伏安特性曲線如圖3所示。

圖2 進線段模型

圖3 氧化鋅電阻片伏安特性曲線

2.5 站內設備參數（見表1）

表1 站內設備等值入口電容及沖擊絕緣水平

3 仿真結果及計算分析

3.1 根據避雷器的配置提出兩種方案

a.在電抗器（L）前設置避雷器（MOA2）和主變設置避雷器（MOA1）。

b.在線路入口處設置避雷器（MOA2’）和主變設置避雷器（MOA1）。（參考圖1所示）

電抗器上過電壓隨時間變化曲線如圖4、5所示。

圖4 電抗器上電壓隨時間變化曲線（方案a）

圖5 電抗器上電壓隨時間變化曲線（方案b）

3.2 仿真結果計算

設備保護裕度的計算

其中，UB為設備的沖擊絕緣水平；U為設備上承受的最大沖擊電壓；K為設備保護裕度［2，8］。文章通過MATLAB對仿真結果進行處理，得出結果見表2。

3.3 數據分析

通過表2可以看出采用方案a，即在電抗器前設置避雷器和主變設置避雷器，站內主要設備上過電壓值均小與其絕緣水平，保護裕度均在10%以上。而在方案b中電抗器的值超過了其絕緣水平，保護裕度為－36.8%，明顯不符合要求。

表2 主要設備過電壓值及保護裕度

4 結論

文本把進線段和變電站結合起來同時考慮，從而使仿真結果更接近實際。雷擊點的選擇，雷電流的幅值及變電站的運行，均采用對變電站設備造成危害最為嚴重的情況進行計算仿真。隨著電壓等級的提高，關于電抗器的保護越加受到重視，在變電站的建設中不僅只考慮變壓器的安全，還要兼顧電抗器等其他設備的安全。以方案a的設計計算結果完全能夠滿足設備絕緣水平要求并能夠達到其保護裕度均在8%以上，為實際工程提供一定的參考。

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