海上升壓站主變避雷器雷電過(guò)電壓保護(hù)距離研究

徐旸，朱晟，藍(lán)磊，王羽，文習(xí)山

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072;2.云南電網(wǎng)公司昆明供電局，昆明市 650000)

海上升壓站主變避雷器雷電過(guò)電壓保護(hù)距離研究

徐旸1，朱晟2，藍(lán)磊1，王羽1，文習(xí)山1

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072;2.云南電網(wǎng)公司昆明供電局，昆明市 650000)

國(guó)內(nèi)早期的海上升壓站為主變室外布置，主變油枕易遭受雷擊。通過(guò)分析避雷器保護(hù)距離產(chǎn)生的原因，借助ATP/EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件，建立了變壓器雷擊暫態(tài)模型，并結(jié)合工程實(shí)例分析了雷電流幅值及避雷器安裝位置對(duì)站內(nèi)設(shè)備過(guò)電壓的影響。研究發(fā)現(xiàn)：雷擊主變油枕，站內(nèi)主要受影響的設(shè)備為主變壓器，且避雷器的安裝位置很大程度上影響著變壓器上的雷電沖擊過(guò)電壓值。因此，文章對(duì)避雷器保護(hù)距離進(jìn)行了進(jìn)一步的研究分析，指出在進(jìn)行海上升壓站設(shè)計(jì)時(shí)，避雷器應(yīng)盡量靠近主變壓器安裝。最后，通過(guò)參數(shù)擬合得出避雷器保護(hù)距離與雷電流幅值配合曲線(xiàn)及避雷器保護(hù)距離與平臺(tái)接地電阻配合曲線(xiàn)，為海上升壓站內(nèi)避雷器的安裝提供了參考依據(jù)。

海上升壓站；變壓器；雷電過(guò)電壓；避雷器(MOA)；保護(hù)距離

0 引 言

在全球節(jié)能減排、環(huán)保的大背景下，風(fēng)電以其清潔、無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)成為了新能源發(fā)電技術(shù)的研究重點(diǎn)，而海上風(fēng)電更是以其不占土地資源、基本不受地線(xiàn)地貌影響、單機(jī)容量大等優(yōu)點(diǎn)，成為了研究熱點(diǎn)[1-2]。2010年3月，東海風(fēng)電場(chǎng)成功完成首臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的安裝，標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)電正式進(jìn)入工程實(shí)施階段[3]。根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止2013年，中國(guó)已建成的海上風(fēng)電項(xiàng)目共計(jì)428.6 MW[4]，到2023年我國(guó)海上風(fēng)電市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到130億美元[5]。我國(guó)近海風(fēng)力資源儲(chǔ)量豐富，保守估計(jì)約750 GW[2]，但是海上風(fēng)力發(fā)電建設(shè)進(jìn)展較為緩慢，主要原因在于海上風(fēng)電工程的高成本、復(fù)雜環(huán)境及其復(fù)雜配套措施，盡管如此，大力發(fā)展海上風(fēng)電依然是我國(guó)未來(lái)風(fēng)能利用和發(fā)展的重點(diǎn)。

目前對(duì)于海上風(fēng)力發(fā)電的研究集中在機(jī)組設(shè)計(jì)[6-8]、并網(wǎng)規(guī)劃[9-11]、接線(xiàn)優(yōu)化[1]以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[12-14]。對(duì)于海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的過(guò)電壓研究，目前則主要集中在工頻過(guò)電壓、操作過(guò)電壓及雷電侵入波過(guò)電壓的系統(tǒng)建模分析上[15-19]。文獻(xiàn)[20]對(duì)高壓交流海底電纜在PSCAD EMTDC中的建模進(jìn)行了詳細(xì)敘述，并結(jié)合模型仿真分析了海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)現(xiàn)象。文獻(xiàn)[21-23]利用RV/EMTP建立了風(fēng)力機(jī)組的雷電暫態(tài)模型，并分別仿真計(jì)算了風(fēng)電機(jī)組落雷及機(jī)組附近地面落雷對(duì)二次系統(tǒng)的影響，并且結(jié)合實(shí)例比較了浪涌保護(hù)器(surge protective device, SPD)安裝效果。但是目前對(duì)于海上風(fēng)力發(fā)電站的直擊雷防護(hù)仍停留在理論分析上[24-25]。對(duì)于避雷器保護(hù)距離的研究也主要局限于雷電侵入波作用時(shí)[26]，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)不一定具有普適性。

本文通過(guò)在ATP/EMTP中建立變壓器的雷擊暫態(tài)模型，研究分析變壓器避雷器安裝位置對(duì)于海上升壓站雷電防護(hù)效果的影響。并結(jié)合計(jì)算結(jié)果擬合出避雷器保護(hù)距離與雷電流幅值配合曲線(xiàn)及避雷器保護(hù)距離與平臺(tái)接地電阻配合曲線(xiàn)，為海上升壓站內(nèi)避雷器的安裝提供參考。

1 海上升壓站直擊雷及其防護(hù)

根據(jù)歐洲海上升壓站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提倡將主變壓器布置在室內(nèi)。但是國(guó)內(nèi)早期投運(yùn)的平板車(chē)式結(jié)構(gòu)[3]海上升壓站將主變壓器布置于室外，油枕處于平臺(tái)至高點(diǎn)。海上為雷電活動(dòng)頻繁地區(qū)，工程中常通過(guò)架設(shè)避雷針、敷設(shè)避雷帶防止直擊雷，如圖1(a)所示。

如果保護(hù)措施不當(dāng)，油枕將有遭受雷擊的可能。當(dāng)油枕遭受雷擊后，產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)對(duì)升壓站內(nèi)設(shè)備造成絕緣損害。發(fā)、變電站常利用氧化鋅避雷器限制雷電侵入波過(guò)電壓，且避雷器具有一定的保護(hù)距離，安裝時(shí)應(yīng)盡量靠近變壓器[27]。同樣的，海上升壓站可以通過(guò)安裝避雷器來(lái)限制雷擊主變壓器對(duì)站內(nèi)設(shè)備造成的雷電沖擊過(guò)電壓，如圖1(b)所示。

圖1 海上升壓站直擊雷防護(hù)Fig.1 Protection against direct lightning of offshore substation

2 變壓器與避雷器間的保護(hù)距離

由此可見(jiàn)，為了保證變壓器上的電壓不能超過(guò)一定的允許水平，變壓器與避雷器間的距離不能太遠(yuǎn)[26]。將這個(gè)臨界距離稱(chēng)為避雷器的保護(hù)距離。

圖2 避雷器與變壓器電氣距離簡(jiǎn)化分析示意圖Fig.2 Simplified diagram of distance between MOA and transformer

3 模型建立

根據(jù)前期研究，雷擊主變壓器油枕，低壓套管首先發(fā)生閃絡(luò)，一部分雷電流將沿主變低壓套管流入低壓側(cè)出線(xiàn)，導(dǎo)致低壓側(cè)設(shè)備電壓升高。因此研究主要針對(duì)變壓器35 kV側(cè)設(shè)備開(kāi)展[27]。以珠海某110 kV海上變電站電氣布置為基礎(chǔ)，建立仿真示意圖如圖3所示。

圖3 仿真示意圖Fig.3 Scheme of simulation

3.1 變壓器外殼模型

對(duì)于室外變壓器，若不考慮冷卻器的影響，其金屬外殼形狀近似為長(zhǎng)方體。采用縱向和橫向的波阻抗對(duì)雷電流在外殼上的傳播特性進(jìn)行等效，如圖4所示。

圖4 變壓器外殼等效模型Fig.4 Equivalent model of transformer casing

3.2 變壓器繞組模型

采用理想變壓器模型及高壓側(cè)繞組對(duì)變壓器外

殼電容，低壓側(cè)繞組對(duì)變壓器外殼電容，及高低壓繞組間的電容對(duì)變壓器繞組進(jìn)行模擬。圖5所示為變壓器單相繞組傳遞過(guò)電壓模型。

圖5 變壓器單相繞組模型Fig.5 Model of single phase winding in transformer

3.3 套管閃絡(luò)模型

變壓器高、低壓側(cè)絕緣套管的閃絡(luò)利用壓控開(kāi)關(guān)模型進(jìn)行模擬。高壓側(cè)套管雷擊閃絡(luò)電壓取550 kV，低壓側(cè)套管的雷擊閃絡(luò)電壓取185 kV[28-29]。

3.4 海纜模型

與海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、遠(yuǎn)景負(fù)荷相連的35 kV海底電纜分別為3×400 mm2和3×300 mm2三芯交聯(lián)聚乙烯光電復(fù)合電纜。表1所示為工程選用的4種規(guī)格的海底電纜參數(shù)。

表1 35 kV海底電纜參數(shù)

Table 1 35 kV undersea cable parameters

mm

3.5 其他參數(shù)

由于雷電波的高頻特性，升壓站內(nèi)設(shè)備如斷路器、電流互感器、母線(xiàn)PT等均對(duì)外呈現(xiàn)明顯的電容效應(yīng)，因此可近似采用等值入口電容進(jìn)行等效。35 kV側(cè)主要電氣設(shè)備入口電容取值[28]見(jiàn)表2。

表2 35 kV設(shè)備等值入口電容

Table 2 Equivalent capacitance of 35 kV devices

pF

主變35 kV側(cè)安裝避雷器型號(hào)為 Y5WZ-51/134。其伏安特性參數(shù)如表3所示。

4 仿真計(jì)算結(jié)果及數(shù)值分析

4.1 雷電流幅值的比較

當(dāng)平臺(tái)接地電阻為0.1 Ω，1號(hào)避雷器

表3 35 kV 氧化鋅避雷器主要技術(shù)參數(shù)

Table 3 Main technology parameters of 35 kV MOA

安裝在主變壓器低壓繞組出口處時(shí)，比較不同雷電流幅值下，主變35 kV側(cè)各設(shè)備的過(guò)電壓水平，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

可以看出，隨著雷電流幅值的增大，沿低壓套管流入35 kV側(cè)的雷電流增大，低壓側(cè)各設(shè)備上的過(guò)電壓也逐漸增大；伴隨著低壓套管的閃絡(luò)，主變過(guò)電壓顯著增大。同時(shí)還可以看到，低壓側(cè)主要受影響的設(shè)備是變壓器。

4.2 避雷器安裝位置的影響

根據(jù)該工程實(shí)際，主變低壓繞組出線(xiàn)經(jīng)過(guò)一段共

表4 不同雷電流幅值下各設(shè)備過(guò)電壓值

Table 4 Overvoltage of devices under different

lightning current amplitudes

注：在雷電流幅值為170 kA時(shí)，變壓器低壓套管未發(fā)生閃絡(luò)。

箱封閉母線(xiàn)(長(zhǎng)度為50 m)接至站內(nèi)低壓設(shè)備。根據(jù)工程需要，對(duì)避雷器的安裝位置進(jìn)行校核。

在雷電流幅值為240 kA，平臺(tái)接地電阻為0.1 Ω時(shí)，分別比較1號(hào)避雷器安裝點(diǎn)到主變低壓繞組出口距離L不同時(shí)各設(shè)備上過(guò)電壓幅值，結(jié)果如表5所示。

表5 不同避雷器安裝位置下各設(shè)備過(guò)電壓值

Table 5 Overvoltage of devices under different

MOA positions

kV

分析可知，避雷器安裝位置主要影響變壓器的過(guò)電壓幅值，變壓器的過(guò)電壓幅值隨避雷器距主變低壓繞組出口距離的增大逐漸增大。

同時(shí)也可以看到，在該種雷電流幅值下，除了變壓器上的過(guò)電壓值超出了設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓200 kV[29]，其余的各設(shè)備均在耐受電壓185 kV[29]內(nèi)，且具有較高的絕緣裕度。因此，在后面研究中主要關(guān)注變壓器的過(guò)電壓幅值。

4.3 避雷器保護(hù)距離與平臺(tái)接地電阻配合曲線(xiàn)

海上升壓站通常利用平臺(tái)基礎(chǔ)作為自然接地體，利用海水層泄流，因此海上風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)的接地電阻較小，一般在0.1～0.5 Ω。

不同接地電阻值時(shí)，變壓器上的雷電沖擊過(guò)電壓幅值隨避雷器安裝距離變化情況(選用雷電流幅值為200 kA)如表6所示，并對(duì)其進(jìn)行擬合，如圖6所示。

可以明顯地看出，在不同的接地電阻下，變壓器上的雷電沖擊過(guò)電壓均隨著避雷器的安裝距離增大而增大。且在同一避雷器安裝距離下，平臺(tái)接地電阻越大，變壓器上的雷電沖擊過(guò)電壓值也越大。

以變壓器內(nèi)絕緣額定雷電沖擊耐受電壓200 kV為界作圖，分析可以看出：當(dāng)平臺(tái)接地電阻超過(guò) 0.3 Ω時(shí)，改變避雷器安裝位置不再能保證主變壓器的安全；當(dāng)平臺(tái)散流效果極佳，等效接地電阻很小(在0.04 Ω以下)時(shí)，避雷器的安裝距離具有相對(duì)較大的裕度；平臺(tái)的接地電阻為0.3，0.2，0.1，0.08 Ω時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界安裝距離分別為0.057，0.171，0.355，0.410 m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得接地電阻與避雷器安裝距離的配合曲線(xiàn)，如圖7所示。

表6 不同接地電阻下主變壓器過(guò)電壓值

Table 6 Overvoltage of main transformer under different grounding resistances kV

圖6 不同接地電阻時(shí)變壓器雷電沖擊過(guò)電壓幅值分析Fig.6 Analysis on lightning overvoltage of transformer under different grounding resistances

圖7 避雷器保護(hù)距離與接地電阻配合曲線(xiàn)Fig.7 Curves of MOA’s protection distance with earth resistances

因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量選取散流效果好的接地基礎(chǔ)。同時(shí)有必要結(jié)合測(cè)得的基礎(chǔ)接地電阻值，對(duì)避雷器的安裝位置進(jìn)行校核。

4.4 避雷器保護(hù)距離與雷電流幅值配合曲線(xiàn)

分別計(jì)算不同雷電流幅值時(shí)，變壓器上的雷電沖擊過(guò)電壓幅值隨避雷器安裝距離變化情況，取平臺(tái)接地電阻為0.1 Ω，結(jié)果如表7，并對(duì)其進(jìn)行擬合，如圖8所示。

由圖分析可知，變壓器上的雷電沖擊過(guò)電壓幅值隨避雷器的安裝距離增大而增大，且過(guò)電壓幅值上升趨勢(shì)隨雷電流幅值增大而變陡。

根據(jù)獲得的擬合曲線(xiàn)，獲得變壓器雷電沖擊過(guò)電壓值為200 kV時(shí)的臨界距離，即避雷器的保護(hù)距離。如圖8所示，240，200，180 kA分別對(duì)應(yīng)的避雷器保護(hù)距離為0.214，0.355，0.836 m。當(dāng)避雷器安裝位置距變壓器低壓繞組出口距離超過(guò)該臨界值時(shí)，雷擊主變油枕產(chǎn)生的過(guò)電壓值將超過(guò)主變內(nèi)絕緣耐受電壓，可能造成主變壓器發(fā)生雷害事故。根據(jù)結(jié)果對(duì)避雷器保護(hù)距離與雷電流幅值的關(guān)系進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，如圖9所示。

因此在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量將避雷器安裝在靠近主變壓器低壓繞組出口處，且必要時(shí)可以結(jié)合當(dāng)?shù)乩纂姳O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)避雷器保護(hù)距離與雷電流幅值配合曲線(xiàn)對(duì)避雷器的安裝進(jìn)行校核。

表7 不同雷電流幅值下主變壓器過(guò)電壓值

Table 7 Overvoltage of main transformer under different lightning current amplitudes kV

圖8 不同雷電流幅值時(shí)變壓器雷電沖擊過(guò)電壓幅值分析Fig.8 Analysis on lightning overvoltage of transformer under different lightning current amplitudes

圖9 避雷器保護(hù)距離與雷電流幅值配合曲線(xiàn)Fig.9 Curves of MOA’s protection distance with lightning current amplitude

5 結(jié) 論

本文結(jié)合某海上升壓站設(shè)計(jì)實(shí)例，通過(guò)建立雷擊主變油枕暫態(tài)模型，計(jì)算分析了雷電流幅值及主變低壓側(cè)避雷器安裝距離對(duì)于站內(nèi)設(shè)備雷電沖擊過(guò)電壓影響，并詳細(xì)分析了避雷器安裝距離對(duì)主變壓器保護(hù)效果的影響。結(jié)果顯示：(1)雷電流幅值超過(guò)170 kA后，低壓套管發(fā)生閃絡(luò)，主變過(guò)電壓顯著增大，且隨著雷電流幅值的增大，各設(shè)備上的過(guò)電壓逐漸增大；(2)雷擊主變壓器油枕，主要受影響的是主變壓器，其余設(shè)備均在耐受電壓范圍內(nèi)，且具有較大絕緣裕度；(3)對(duì)海上升壓站進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，低壓側(cè)避雷器應(yīng)盡量靠近變壓器設(shè)置，必要時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)乩纂姳O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)避雷器的安裝位置進(jìn)行校核；(4)工程中應(yīng)盡量選取散流效果好的接地基礎(chǔ)，同時(shí)有必要結(jié)合實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)接地電阻值，對(duì)避雷器的安裝位置進(jìn)行校核。

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(編輯 劉文瑩)

MOA’s Lightning Overvoltage Protection Distance of Main Transformer in Offshore Substation

XU Yang1，ZHU Sheng2，LAN Lei1，WANG Yu1，WEN Xishan1

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Yunnan Power Grid Corporation Kunming Power Supply Bureau, Kunming 650000, China)

Domestic main transformer was exposed in early time and its conserver was likely to be stroke by lightning. Through the analysis on the causes of the protection distance of metal oxide arrester (MOA), this paper constructs the transient model of transformer during lightning stroke with using electromagnetic transient simulation software ATP/EMTP, and analyzes the influences of lightning current amplitude and MOA’s position on the overvoltage of substation devices combined with engineering examples. The results show that, the main transformer is the mainly influenced device in the platform, and the MOA’s position has a great effect on the lightning overvoltage of the transformer, during the lightning stroke on the conserve in main transform. Therefore, this paper further analyzes the protection distance of MOA, whose results show that MOA should be installed as close as possible to the main transformer during the design of offshore substation. At last, through the parameter fitting, we obtain the curves of MOA’s protection distance with lightning current amplitude and that with earth resistance, which can a reference for the MOA’s installment in offshore substation.

offshore substation; transformer; lightning overvoltage; metal oxide arrester (MOA); protection distance

TM 862

A

1000-7229(2016)02-0138-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.020

2015-10-24

徐旸(1991)，女，碩士，主要從事海上風(fēng)電防雷與過(guò)電壓研究工作；

朱晟(1991)，男，學(xué)士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定研究工作；

藍(lán)磊(1969)，女，博士，博導(dǎo)，主要從事電力系統(tǒng)防雷方面研究工作；

王羽(1983)，男，博士，講師，主要從事電力系統(tǒng)防雷方面研究工作；

文習(xí)山(1962)，男，博士，博導(dǎo)，主要從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及絕緣技術(shù)方面研究工作。