500kV某變電站雷電侵入波過電壓計算

周艷青 諶 陽

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663）

0 引言

500kV某變電站位于昌都縣卡諾鎮瓦約村，該站海拔高度為3 200m，年平均雷電日為51.3天。前期為220kV變電站，本期建設為500kV變電站；本期建設2臺主變1×750MV·A主變壓器。500kV某變電站終期規劃500kV出線6回，分別至500kV芒康站2回，備用4回。

1 計算參數

1.1 電氣主接線

500kV某變電站最終2回主變進線，6回出線，采用3/2斷路器接線，形成4個完整串。前期無500kV配電裝置。本期擴建2臺500kV主變，2回500kV出線，原來至巴塘2回降壓220kV線路恢復至500kV運行并開斷接入芒康 500kV變電站，組成 2個完整串。

本期500kV配電裝置配串，如圖1所示。

圖1 500kV某變電站本期500kV配串簡圖

1.2 設備參數

變電站電氣設備如變壓器、隔離開關、斷路器、互感器等用不同電容值的對地等值電容表示，它們之間有分布參數線段相隔，各設備的對地等值電容見表1。

表1 500kV配電裝置各設備對地等值電容

500kV GIS均為單相單筒式結構，在防雷計算中用波阻抗模擬，其波阻抗一般在60～100Ω 之間。本文取GIS的波阻抗為70Ω，波速270m/μs。

避雷器伏安特性采用單指數擬合。站內避雷器和線路避雷器采用的伏安特性見表2。

表2 500kV避雷器的伏安特性

1.3 線路及構架模型

本文采用 T. Hara提出的等值分布多波阻抗模型對500kV桿塔進行建模，塔形對應等值分布多波阻模型示意圖如圖2所示。一般情況下，反擊雷電侵入波在雷擊進線段 1～3號桿塔時過電壓幅值較高，本文對進線段1～3號桿塔進行建模，不考慮4號桿塔以后桿塔的散流[1-2]。本文僅列舉芒康一、二線進線段1#桿塔分布參數，分別見表3和表4。

線路導體采用4×JL/GIA—500/45導線，分裂間距 450mm，避雷器一根采用 JLB20A—100導線，另一根采用OPGW—120（24芯）光纜。

變電站內門型構架參照“Transmission Line Reference Book/345kV and Above/Second Edition”EPRI, P556.

Figure12.5.5.Approximations for tower surge impedance中的方法，采用Gantry模型模擬。

構架地線柱波阻抗為

構架柱波阻抗為

圖2 塔形對應等值分布多波阻模型示意圖

表3 芒康一進線段#1桿塔等值分布多波阻模型參數

表4 芒康二進線段#1桿塔等值分布多波阻模型參數

橫梁波阻抗為

以上式中各參數含義如圖3所示。

圖3 門型架模型參數示意圖

某變電站500kV出線門型構架，其模型各參數見表5。

表5 門型構架模型參數

1.4 侵入波參數

雷電先導通道具有分布參數的特征，可以近似假定它是一個具有電感、電容的均勻分布參數的導電通道，即雷電通道，其波阻抗為Z0。從工程實用的角度出發，本文將雷電放電過程簡化為一電流源[3]。

根據實測數據，負極性雷擊均占 75%～90%，再加上負極性雷電波沿線路傳播時衰減較少且較慢，對設備絕緣的危害較大，故防雷計算中按負極性考慮。

根據GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》，我國雷電流幅值概率曲線可表示[4]為

式中，P為幅值等于或大于I的雷電流概率。按慣用的方法進行反擊計算時可根據變電站防雷可靠性要求，選取某一累積概率下的幅值。200kA的概率0.53%、216kA的概率為 0.35%、230kA的概率為0.24%、250kA的概率為0.14%。我國規程未對雷電流計算值予以明確規定，根據我國500kV變電站和開關站的運行經驗，反擊雷電侵入波過電壓計算時的最大雷電流幅值可取為 200kA。對于繞擊雷電侵入波計算，可根據電氣幾何模型求出變電站出線最大的繞擊電流20kA。

1.5 設備的雷電沖擊保證強度

考慮各種設備運行老化因素，計算中對各設備允許的最大過電壓的大小取設備的雷電沖擊耐受電壓（lightning impulse withstand voltage, LIWV）除以相應的安全因數，在進行變電站雷電侵入波過電壓絕緣配合時，各運行方式下的內絕緣安全裕度要求不低于15%。對于設備外絕緣，安全因數取1.05，按此求得的變電站設備外絕緣保證強度，適用于設備安裝點海拔高度不超過1 000m的情況，當海拔高度超過1 000m時，需按照式（5）進行海拔修正[5-6]。

式中：kα為海拔修正系數；對于雷電沖擊電壓，km=1.0。

某500kV變電站所處站址海拔高度為3 200m，超過1 000m，需進行海拔修正。某500kV變電站經海拔修正后的站內設備的雷電沖擊耐受電壓見表6。

2 典型運行方式下的計算結果

2.1 運行方式

通常變電站運行中會有很多種接線方式，例如帶多回出線、多條母線、多臺變壓器同時運行等。由于變電站出線越多，雷電侵入波過電壓的能量越分散，雷電過電壓就越低。考慮某擴建工程本期500kV僅建設2回線路、2回主變，進出線單元較少，所以，在本文考慮單條出線單臺變壓器（單線單變）這種較嚴酷的運行方式。單線單變方式對于雷電侵入波來講，容易出現高幅值的過電壓，并且這種接線方式在變電站實際運行中是存在的。

表6 500kV設備雷電沖擊耐受電壓

對于單線單變運行方式，在計算中考慮了四種典型接線方式，運行方式如圖4所示。

圖4 四種典型運行方式接線圖

2.2 最大侵入波過電壓

利用電磁暫態程序（ATP），對某500kV變電站的雷電侵入波過電壓進行了仿真計算[7]，其中單線單變運行方式一（芒康一線—1號主變）下，雷電發生反擊侵入時，主變出現最大過電壓，此運行方式下最嚴重。

運行方式一下設備上的最大過電壓值見表7。

表7 運行方式一下設備上的最大侵入波過電壓

由表7可知，運行方式一下，主變設備上的最大雷電過電壓值高于相應的雷電沖擊耐受電壓允許值，其他設備上的最大雷電過電壓值普遍較高。

2.3 采取的改進措施

由于主變設備上的最大雷電過電壓值高于相應的雷電沖擊耐受電壓允許值，需采取措施使最大雷電侵入波電壓低于設備雷電沖擊耐受電壓值。

綜合考慮并反復試算，建議采取的措施如下：

1）500kV某站芒康一、二進線段 2km內桿塔接地電阻降至10Ω。

2）站內 500kV主變與避雷器之間的電氣距離控制在10m內。

采取上述兩項措施后，仿真計算結果表明：主變以及其他設備上的最大雷電過電壓值均低于相應的雷電沖擊耐受電壓允許值，滿足雷電防護要求[8-9]。采取改進措施后最大侵入波過電壓見表8。

表8 采取改進措施后最大侵入波過電壓

3 結論

利用電磁暫態程序，通過對500kV某變電站在典型運行方式下的雷電侵入波過電壓進行仿真計算，初步計算主變的最大雷電過電壓值高于相應的雷電沖擊耐受電壓允許值，其他設備上的最大雷電過電壓普遍接近相應的雷電沖擊耐受電壓允許值。采取相應的措施后，重新計算表明：主變以及其他設備上的最大雷電過電壓值均低于相應的雷電沖擊耐受電壓允許值，滿足雷電防護要求。