考慮波形起始點的特高壓變電站雷電入侵過電壓分析

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(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

0 引 言

特高壓電網(wǎng)是中國解決資源分布與需求不平衡的必然選擇之一。長距離大容量輸電是建設特高壓電網(wǎng)的主要目的。通過特高壓電網(wǎng)可優(yōu)化資源配置，提高經(jīng)濟效益[1-4]。繼中國1 000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程投入運行后，首條同塔雙回路特高壓交流輸電工程——“皖電東送”工程也于2013年9月25日投入商業(yè)化運營，標志著中國已經(jīng)進入特高壓電網(wǎng)時代。

特高壓輸電系統(tǒng)已成為發(fā)展必然，但涉及的諸多問題在不斷進行工程示范和實踐的過程中，仍值得開展更加深入的研究，其中，特高壓變電站的雷電過電壓是特高壓輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的主要危害之一。特高壓變電站又是交流電力系統(tǒng)的樞紐,它的安危維系著電力系統(tǒng)能否安全可靠的運行，因此必須要有安全可靠的防雷措施。

特高壓變電站內(nèi)各設備的雷電過電壓保護以及絕緣配合(確定絕緣水平)取決于雷電過電壓計算數(shù)據(jù)[5]。對于1 000 kV的特高壓線路，工頻電壓對雷電過電壓的影響足以威脅到絕緣的安全，不容忽視[6]。而國內(nèi)現(xiàn)有的計算雷電過電壓和絕緣配合的相關(guān)文獻也只能定性地說明工頻過電壓對雷電過電壓有影響。文獻[6]根據(jù)日本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)提出的計算方法缺少中國的實踐證明。文獻[7]提出工頻電壓與雷電過電壓進行線性疊加的方式來研究工頻電壓對雷電過電壓產(chǎn)生的影響。但因雷電流和工頻電壓的頻譜和時間特征不同，故這種方法也不能作為工程上定量的計算方法。

為了得到更符合實際的特高壓變電站雷電入侵過電壓，將根據(jù)對雷電流侵入時工頻電壓瞬時值的細化研究，提出雷電侵入波電壓波形起始點的概念，以此來準確刻畫考慮工頻電壓的特高壓變電站雷電入侵過電壓，為完善國內(nèi)相關(guān)規(guī)程提供參考。

1 系統(tǒng)雷擊仿真模型的建立

1.1 雷擊方式與雷擊點的選擇

雷擊變電站的方式：①直擊雷；②雷擊中輸電線路并且在線路上傳播到變電站(即雷電入侵波)。實踐表明，只要按照規(guī)程安裝避雷針、避雷線以及接地裝置的電站，對直擊雷的防護是安全且可靠的。特高壓線路的絕緣水平很高，雷擊跳閘率以及絕緣子閃絡造成線路短路事故概率很小。但由于塔高和走廊面積等因素，雷電入侵的現(xiàn)象更易出現(xiàn)，而變電站內(nèi)設備的絕緣水平要比線路低，因此該方式更易對變電站內(nèi)設備造成損害。

雷擊輸電線路的方式又分為反擊和繞擊。反擊和繞擊時線路的工頻電壓對絕緣子閃絡電壓都會有影響。反擊時，桿塔會較大概率地對極性相反的工頻導線放電；繞擊時，極性與雷電流相反的導線將會提前形成下行先導，增大繞擊概率。在工頻電壓的影響方面，反擊和繞擊的效果一致，因此下面只選擇雷電反擊進行研究。

近區(qū)雷擊是變電站內(nèi)電氣設備的主要威脅之一，因此在計算變電站的雷電入侵過電壓時，把2 km進線段和變電站統(tǒng)一考慮，才比較符合實際[8]。研究表明，中國設計的輸電線路中，1號桿塔和變電站門型構(gòu)架距離較近，而且門型構(gòu)架的沖擊接地電阻比其他桿塔小，雷擊1號桿塔塔頂時，反射波從門型構(gòu)架處又經(jīng)過地線很快返回1號桿塔，使1號桿塔塔頂電位降低，減小了雷電入侵過電壓。而2號、3號桿塔距門型構(gòu)架相對較遠，過電壓也較高。因此將把雷擊點選在2號桿塔。系統(tǒng)模型圖見圖1。

1.2 仿真模型

以某特高壓GIS變電站為例，選擇合理的雷電流模型、桿塔模型、進線段架空線路模型、絕緣子閃絡模型、避雷器模型以及參數(shù)的確定。

1.2.1 雷電流模擬

圖1 系統(tǒng)等值模型

雷電流值，kA；P為幅值大于I的雷電流概率。綜合考慮中國500 kV變電站運行經(jīng)驗以及1 000 kV特高壓變電站的重要性，這里選取幅值250 kA的負極性雷電流，雷電通道波阻抗為300 Ω。

1.2.2 進線段模擬

采用除了基于EMTP的多波阻抗模型來對桿塔進行仿真計算[9-11]，如圖2所示。參考DL/T-1997《交流電氣裝置的接地》，桿塔沖擊接地電阻按照10 Ω計算；門型構(gòu)架沖擊接地電阻按7 Ω計算。

圖2 進線段酒杯塔的模型

進線段架空線路用隨頻率變化的非線性線路參數(shù)模型“JMarti”模擬。

絕緣閃絡的判據(jù)用相交法[12]，當絕緣子串上雷電過電壓波形與絕緣子串伏秒特性曲線有交點時，絕緣子串閃絡，否則就不閃絡。絕緣子串閃絡模型見圖3， 52號器件是比較器，將絕緣子串兩側(cè)探測的過電壓與其用函數(shù)編輯的已知絕緣子伏秒特性比較；64號器件是控制開關(guān)的輸出，當絕緣子串過電壓波形與它的伏秒特性曲線相交時，判據(jù)部分輸出一個電平給控制開關(guān)，控制開關(guān)部分保持該輸出，絕緣子串閃絡。

圖3 絕緣子串閃絡模型

1.2.3 避雷器模型

ATP-EMTP用分段線性函數(shù)模型模擬避雷器的伏安特性，計算中采用額定電壓為828 kV的避雷器，其伏安特性如表1所示。

表1 采用的避雷器的伏安特性

1.2.4 1 000 kV GIS變電站的電氣主接線圖

1 000 kV特高壓GIS變電站的等效電路圖如圖4，采用雙斷路器雙母接線方式，僅考慮一回出線(L1)和一臺主變壓器(T)運行，出線接至雙斷路器串，主變壓器經(jīng)臨時接線連接兩條母線。

圖4 1 000 kV 特高壓GIS變電站的電氣主接線圖

1.2.5 變電站內(nèi)電氣設備參數(shù)

由于雷電入侵波的高頻特性，站內(nèi)設備可粗略等效為沖擊入口電容。變電站內(nèi)設備入口電容如表2所示。

2 仿真與分析

表2 站內(nèi)設備等值入口電容

2.1 雷電入侵過電壓波形起始點

在過去的變電站雷電入侵波分析中，大都沒有考慮工頻電壓對雷擊的影響(即認為雷擊時工頻分量Ug=Umsinφ的φ為0°)，或者只是簡單的幅值疊加考慮。為了將頻譜特征和時間特征不同的雷電侵入波和工頻電壓進行疊加，提出雷電過電壓波形起始點的概念。定義雷擊產(chǎn)生過電壓時的相應工頻電壓相位角為雷電過電壓波形起始點，分別設定輸電線路A相雷電過電壓波形起始點為0°、90°、270°三種極端情況，對250 kA的負極性雷電流雷擊桿塔反擊導線A相進行仿真。

2.2 仿真結(jié)果與分析

對于幅值250 kA的負極性雷電流擊中2號桿塔，A相導線反擊閃絡后，變電站內(nèi)主要設備在不同波形起始點的雷電入侵過電壓見表3。

表3 各設備在不同波形起始點的過電壓比較 /kV

從表3可以看出A相導線反擊閃絡后，在不同雷電過電壓波形起始點下，電站各設備的過電壓值差異較大，設備的過電壓保護裕度需要根據(jù)雷電過電壓波形起始點的不同進行修訂，重點考慮變電站的核心設備變壓器。

圖5、6、7為主變壓器(T)上不同波形起始點的過電壓波形曲線圖。

從過電壓波形可以看出，在不同的雷電過電壓波形起始點情況下，工頻電壓與雷電過電壓的疊加并不是簡單的線性疊加，這是因為雷電波的頻率遠大于工頻，在輸電線路上雷電波按照線路分布參數(shù)特性傳播時，在不同的波阻抗間存在折反射情況。

圖5 波形起始點為0°主變壓器上過電壓波形

圖6 波形起始點為90°主變壓器上過電壓波形

圖7 波形起始點為270°主變壓器上過電壓波形

由于雷電沖擊放電具有一定的隨機性，對于雷電反擊、繞擊具體的放電波形起始點只能按照概率統(tǒng)計。通過仿真分析得出：當發(fā)生負極性雷擊時，由于三相絕緣子兩端電壓不同以及導體的下行先導產(chǎn)生原理，導體在正極性下發(fā)生繞擊與反擊概率都較負極性的大，而且概率隨幅值的增大而增大。一般情況下交流線路在運行時受到雷擊的概率是以相電壓最大時的波形起始點為均值的正態(tài)分布。所以，當雷擊輸電線路時，通常都發(fā)生在與雷電極性相反的最大電壓導線相，比如在發(fā)生負極性雷擊時，雷擊時刻導線電壓的波形起始點主要集中在90°附近。這基本符合與日本的統(tǒng)計結(jié)果(交流導體在工頻電壓為正時被負極性雷擊中的次數(shù)比工頻電壓為負時更多)[14]。

在發(fā)生反擊時，波形起始點為0°時的擊穿相主變壓器過電壓波形與不考慮工頻疊加基本一致，波形起始點為90°擊穿相主變壓器上過電壓幅值增加了近300 kV，而波形起始點為90°發(fā)生雷電閃絡的概率較大，推薦將波形起始點為90°時雷電入侵過電壓值作為絕緣配合參考值。

3 結(jié) 論

1)只有考慮波形起始點才能得到更符合實際的雷電入侵過電壓。特高壓線路反擊、繞擊的工頻電壓波形起始點分布基本一致，都是在90°位置概率最大。將波形起始點為90°時雷電入侵過電壓值作為變電站設備絕緣配合參考值，可以減少變電站的雷電故障率。

2)在進行工頻電壓與雷電侵入波的疊加時，由于兩者頻率特性的不同，不能簡單地線性疊加，需要根據(jù)高頻雷電波的分布參數(shù)特性，對雷電波的折反射進行逐步計算。

3)導線電暈、變電站內(nèi)部元件波阻抗差異等因素都對雷電侵入變電站的過電壓波形產(chǎn)生復雜的影響，要研究出更準確的工頻電壓下雷電過電壓疊加規(guī)律還需要對導線加入電暈模型，并對電站各設備的暫態(tài)分布參數(shù)模型做更細致的研究。

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