基于EMTP的500kV變電站雷電防護與絕緣配合研究

李 曉，劉蘇云，徐 晨，史 靜，姜 凱，周春泉

（1.濟源供電公司，河南 濟源 459000；2.河海大學能源與電氣學院 電力系統及其自動化，江蘇 南京 211100；3.南京大學金陵學院，江蘇 南京 210044）

0 引 言

隨著社會經濟的迅速發展，電能需求與日俱增，從而促使電力系統向大容量、長距離、超高壓方向發展。目前在我國已形成了以500kV輸電線路為主干，覆蓋華北、華中、華東、西北和東北的五個跨省電網，跨大區電網還采用了500kV直流輸電技術，華東與華中兩大電網之間，通過500kV葛洲壩至上海直流線路。500kV變電站作為電網的樞紐［1］，在電力系統中的地位極其重要，一旦發生雷害將使設備遭受過電壓損害，直接影響整個電力系統的安全可靠性，嚴重影響國民經濟和人民生活，因此要求其必須有可靠地防雷保護措施。變電站的雷害主要來自兩個方面:一是雷直擊變電站:二是雷直擊輸電線路產生的雷電過電壓波沿線路侵入變電站。雷擊線路的概率比雷擊變電站的概率大得多，所以沿線路侵入變電站的雷電過電壓是研究超高壓變電站雷電過電壓保護問題的主要對象。

1 避雷器保護分析［2，3］

一切被保護設備都可以近似地用一只等值電容C來表示，如圖1示，變電設備與避雷器之間就會出現一個電壓差U。

圖1 計算U的簡化接線圖

先看最簡單的只有一路進線的終端變電站的情況，這時圖1中的Z2＝∞，C即為電力變壓器的入口電容。由于電力變壓器的等值電容一般都不大，可以忽略波剛到達時電容使電壓上升速度減慢的影響，而討論電容充電后相當于開路的情況。例如取過電壓波到達避雷器端子1的瞬間作為時間的起始即t＝0，避雷器上的電壓即按照u1＝αt的規律上升。當t＝T時波到達設備端子2上，此時取C＝0，波在此將發生全反射，所以設備絕緣上的電壓表達式應為

當t＝2T時，端子2上的反射波將再次到達端子1上，從而使避雷器上的電壓上升陡度加大，如圖2中的線段mB所示。由圖1、2可知:由于有反射波的影響，避雷器將提前動作，動作時刻為t＝tA，此時擊穿電壓為

圖2 被保護絕緣和避雷器的電壓波形

由于一切通過端子1的電壓波都將到達端子2上，但時間上要推遲T，因此避雷器放電后所產生的限壓效果要到時刻t＝（tA＋T）才能對設備絕緣上電壓產生影響，這時u2已經達到

此時可得壓差U為

進波陡度α越大，電壓差值U也就越大。我國普遍采用雷電流的波形為2.6／50μs，由于雷電流的波頭長度變化范圍不大，所以認為雷電流的平均陡度和幅值線性相關（α＝kA／μs）。

一般在防雷計算中，為了使設備不被擊穿應該按照下式選擇絕緣的沖擊耐壓水平:

式中，uc為避雷器的殘壓，近似等于uA；uj為絕緣的雷電沖擊耐壓值。

從而可以得出被保絕緣與避雷器之間的最大容許距離為

2 計算結果與分析

2.1 距離對避雷器保護的影響研究

下面以某500kV變電站中主變與避雷器的距離對過電壓的影響來討論，如表1所示。

表1 主變與避雷器距離對過電壓的影響

從表1中可以直觀的看出，隨著主變與避雷器距離的增加，主變上的雷電過電壓幅值逐步增加，而且當距離為56m時，主變上的過電壓幅值1420kV，該值接近于主變的耐受電壓1425kV，因此可以得出避雷器離主變越近越好，距離不宜超過56m，且加裝氧化鋅避雷器對于限制過電壓具有顯著的效果。

2.2 一個半斷路器接線模擬實驗

以A發電廠500kV升壓站和B 500kV變電站模擬實驗為例，說明一個半斷路器接線電氣設備的雷電過電壓幅值以及避雷器配置方案。

2.2.1 基本條件

（1）侵入波電壓幅值取3000kV和2200kV兩級。

（2）500kV電氣設備絕緣水平如表2所示。

（3）500kV避雷器參數如表3所示。

表2 電氣設備絕緣水平

表3 500kV避雷器參數

2.2.2 典型接線保護

一回線路和一組變壓器加臨時跨條的一個半斷路器接線。

某發電廠500kV升壓站初期采用這種接線，按三組避雷器考慮，見圖3。500kV主變壓器出口安裝一組XAL－444L電站型避雷器，500kV線路和500kV并聯電抗器出口各自安裝一組XAL－468L線路型避雷器。

圖3 某發電廠500kV保護接線圖

實驗結果表明，在正常情況下避雷器的配置都能滿足雷電過電壓的保護要求。但是在圖3中，當打開1號和3號斷路器檢修的情況下，將發生很大的變化。其中當侵入波幅值為2200kV時候，最大雷電過電壓為1544kV，滿足電容式電壓互感器的雷電沖擊絕緣水平；但當侵入波幅值為3000kV時，最大雷電過電壓為1730kV，超過了電容式電壓互感器雷電沖擊水平1675kV。為了保證安全，應采取在母線上增設一組避雷器。

3 不同運行方式對雷電過電壓和絕緣裕度配合的影響

下面以一機一線結合EMTP仿真為例，說明雷電過電壓與絕緣配合受哪些因素影響。本次計算條件:侵入雷電波幅值210kA、波形2.6／50μs、桿塔沖擊電阻為24.5Ω；變壓器、電壓互感器、斷路器、電流互感器、隔離開關的沖擊電容取值分別為4800pF；4000pF；600PF；1000PF；300pF。

（1）其中帶母線，僅有T6一臺變壓器運行，主要的電氣設備過電壓幅值如表4。

表4 一機一線、帶母線運行方式下的主要電氣設備過電壓幅值

由表4可以直觀地看出電氣設備均未超出其絕緣裕度。

（2）僅T6一臺發動機運行，不帶母線的情況主要的電氣設備過電壓幅值如表5。

表5 一機一線、不帶母線運行方式下的主要電氣設備過電壓幅值

對比表4和表5不難發現:一機一線運行方式下，帶母線與不帶母線的情況下比較，可以看出主變、RT3、VT12、NRT3、CVT上的過電壓幅值都有不同程度的上升，但都能夠滿足雷電絕緣配合的要求，上升幅度最快與最慢的分別是RT3和CVT，且上升幅度分別為14.428%和3.248%。由此可以得出在考慮變電站絕緣配合的時候應該考慮不帶母線的情況。

（3）僅T6一臺發動機運行，帶母線但取消母線避雷器的情況主要電氣設備的過電壓幅值如表6。

表6 一機一線取消母線避雷器后的主要電氣設備過電壓幅值

表5和表6對比可以發現:一機一線運行方式下，取消母線避雷器時，主變、RT3、VT11、VT12、NRT3、CVT上電壓都有不同程度的變化，所以變電站要取消母線上的避雷器時應當慎重考慮。其中可以清楚看出CVT上的過電壓幅值最高，其值為1206kV，且可以計算出絕緣裕度為1.2852，能夠滿足雷電絕緣裕度的配合要求。

4 結束語

根據以上研究并結合已有的研究成果，對于500kV變電站在初步確定適合該變電站的防雷方案時，建議在進線側、主變側和母線上均裝設金屬氧化物避雷器。在一機一線運行方式下應該考慮不帶母線情況下變電站的絕緣裕度配置，對于電力系統防雷害以及變電站過電壓的研究具有借鑒意義。

［1］張緯鈸，何金良，高玉明.過電壓防護及絕緣配合［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［2］肖穩安，張小青.雷電與防護技術基礎［M］.北京:氣象出版社，2005.

［3］Rakosh Das Begamudre（著），從偉（譯）.超高壓交流輸電工程［M］.北京:機械工業出版社，2008.