變電站雷電侵入波過電壓研究與應(yīng)用

王 磊

（晶科電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

根據(jù)GBT 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》5.4.12條，范圍Ⅱ(252 kV＜Um≤800 kV)發(fā)電廠和變電站的雷電侵入波過電壓保護(hù)方案，宜通過仿真計算確定。目前已有較多學(xué)者對雷電侵入波進(jìn)行了仿真研究，文獻(xiàn)[1]研究了桿塔模型類型、出線長度電暈等對過電壓的影響，文獻(xiàn)[2]進(jìn)一步細(xì)化了雷擊位置、接地電阻、避雷器保護(hù)距離等對雷電過電壓的影響，文獻(xiàn)[3]更進(jìn)一步對幾種常見影響因素進(jìn)行了排列組合，分析了多種因素共同作用對過電壓的影響。目前的研究[1-11]主要集中在理論分析和仿真研究上，結(jié)合規(guī)程規(guī)范和實(shí)際工程運(yùn)用的較少。本文在總結(jié)前人研究結(jié)果基礎(chǔ)上，較為全面地總結(jié)了雷電侵入波仿真研究的細(xì)節(jié)，并以實(shí)際工程為例，討論了運(yùn)行方式對過電壓的影響及避雷器優(yōu)化布置方案，最后用實(shí)際參數(shù)對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了校驗，為工程設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)提供有益的參考。

1 仿真模型建立

西北地區(qū)某直流外送工程配套建設(shè)750 kV變電站一座，變電站750 kV側(cè)為3/2接線，設(shè)主變壓器2臺，750 kV進(jìn)線4回預(yù)留2回，接線簡圖如圖1所示。本文以該輸變電工程為研究對象，采用國際通行的電磁暫態(tài)程序ATPEMTP對其進(jìn)行建模和計算。由于仿真模型和計算方法對結(jié)果具有重要影響，因此有必要先確定仿真建模的細(xì)節(jié)。

圖1 750 kV變電站接線簡圖

1.1 雷電流模型

常用的雷電流模型有雙指數(shù)函數(shù)和Heidler函數(shù)模型，由于Heidler模型在t=0時刻電流對時間的導(dǎo)數(shù)為零，與實(shí)測雷電基底電流波形更為一致，因此本文采用ATP-EMTP自帶的“Heidler type”電流源建模。根據(jù)GB/T 311.2—2013《絕緣配合第2部分：使用導(dǎo)則》E.6條，雷電流波頭波尾時間取2.6/50 μs，負(fù)極性雷。GBT 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》表5.3.1-1給出了不同電壓等級輸電線路的反擊耐雷水平，本文考慮以260 kA作為計算用雷電流，其發(fā)生概率約為0.11%。

1.2 桿塔模型

雷電經(jīng)常擊中線路桿塔引發(fā)雷電波入侵。根據(jù)文獻(xiàn)[1]及GBT 311.4—2010《絕緣配合第4部分：電網(wǎng)絕緣配合及其模擬的計算導(dǎo)則》，為減小誤差，實(shí)際工程仿真時架空送電線路桿塔按多波阻桿塔模型處理，在ATP-EMTP里，其模型如圖2所示，其中0#塔表示變電站進(jìn)線門型架，1～6#塔分別代表1至6號進(jìn)線塔。

圖2 750 kV線路桿塔模型

桿塔水平導(dǎo)體(包括橫擔(dān))波阻抗取200 Ω，主干(桿塔垂直導(dǎo)體)波阻抗取150 Ω，波速取2.1×108m/s，橫擔(dān)等桿塔詳細(xì)尺寸按實(shí)際設(shè)置。

在本輸變電工程中，變電站2 km范圍進(jìn)線桿塔采用國網(wǎng)典型設(shè)計，具體配置如下(括號內(nèi)為典設(shè)代號和呼高)：

#0：門型架，接地電阻0.5 Ω；

#1：終端塔(7C2-SDJC，H42 m)，接地電阻10 Ω；

#2～#6：雙回路懸垂塔(7C2-SZ2，H51 m)，接地電阻10 Ω；

1.3 輸電線路模型

由于雷電沖擊的高頻特性，必須采用頻率相關(guān)的線路模型。常見的頻率特性模型有JMarti、Semlyen和Noda等，頻率相關(guān)參數(shù)是線路參數(shù)計算的難點(diǎn)，既要考慮模型的嚴(yán)密性，又要考慮計算過程的穩(wěn)定性。JMarti模型較好地做到了精確和簡潔之間的平衡，在實(shí)際工程研究中得到廣泛應(yīng)用，本文采用ATP-EMTP軟件自帶的JMarti模型進(jìn)行建模，建模主要參數(shù)如下：

線路采用同塔雙回假設(shè)，導(dǎo)線型號6×LGJ-400/50，分裂距離50 cm；子導(dǎo)線計算直徑2.763cm，20℃直流電阻0.072 32 Ω/km。避雷線型號JLB20A-150，計算直徑1.575 cm，20℃直流電阻0.580 7 Ω/km。平均弧垂約為擋距的1/30。

1.4 變壓器等設(shè)備模型

雷電侵入波時間短頻率高，變壓器、斷路器、互感器等電氣設(shè)備可等效為沖擊電容。沖擊電容可以實(shí)測，規(guī)范GBT 311.4—2010《 絕緣配合第4部分：電網(wǎng)絕緣配合及其模擬的計算導(dǎo)則》7.6.7和7.6.8條列出了IEEE推薦的電氣設(shè)備典型對地電容，針對750 kV自耦變壓器，推薦值為5 000 pF。

1.5 絕緣子閃絡(luò)模型

線路絕緣子串承受過高的雷電壓后，將會發(fā)生閃絡(luò)。常見的閃絡(luò)模型主要有定義法、先導(dǎo)法和相交法，定義法相對簡單但誤差較大，先導(dǎo)法更加合理但模型過于復(fù)雜，相交法物理概念清晰且符合實(shí)際[3]，因此在工程上得到普遍采用。本文參考Darveniza等人提出的絕緣子串伏秒特性公式[12]：

式中：L為絕緣子串長度，m；t為雷擊開始到閃絡(luò)經(jīng)歷的時間，μs。

本工程750 kV架空絕緣子串型號XWP2-160，2×28片。

1.6 其它問題闡述

雷電入侵主要有直擊和繞擊兩種方式，直擊是指雷電直接擊中塔頂或避雷線，繞擊是指雷電繞過避雷線直接擊中導(dǎo)線。由于繞擊雷電流通常遠(yuǎn)小于直擊，且難以建立較為精確的繞擊模型，故通常仿真計算以直擊為主。另一方面，雷電直擊避雷線中央造成的過電壓要小于桿塔頂部[13]，故嚴(yán)重工況選擇雷電直擊線路塔頂。另外，感應(yīng)雷對系統(tǒng)的影響通常遠(yuǎn)小于直擊雷[13]，故仿真中不再考慮。

雷電流在導(dǎo)線上傳播會產(chǎn)生沖擊電暈，電暈促使雷電流產(chǎn)生衰減和畸變，有利于降低雷電流的不利影響，但是由于電暈?zāi)Ｐ碗y以精確模擬，且其影響有限[1-2]，實(shí)際工程中暫不考慮電暈的影響。

2 雷電侵入波的仿真計算

2.1 運(yùn)行方式對過電壓的影響

750 kV變電站擬裝設(shè)避雷器配置方案如下：線路出線裝設(shè)避雷器，變壓器進(jìn)線裝設(shè)避雷器，母線裝設(shè)避雷器(母I、母Ⅱ)，并聯(lián)高抗裝設(shè)避雷器。

針對工程的實(shí)際情況，考慮以下三種運(yùn)行方式：

方式一：3#出線(帶電抗)、2#主變、母線Ⅱ(離主變較近)；

方式二：2#出線(無電抗)、2#主變、母線I(離主變較遠(yuǎn))；

方式三：2#出線(無電抗)、3#出線(帶電抗)、2#主變、母線I(離主變較遠(yuǎn))。

三種運(yùn)行方式下的雷電過電壓仿真計算結(jié)果見表2所列。

表2 雷電過電壓仿真計算結(jié)果 kV

表3 750 kV電氣設(shè)備雷電沖擊絕緣水平 kV

由表2數(shù)據(jù)可知：

1)整體來看，單線單變時在各主要設(shè)備上產(chǎn)生的過電壓普遍比雙線單變時產(chǎn)生的過電壓高，這是由于線路分流的結(jié)果，出線越多，過電壓水平越低。

2)單線單變單母線工況下，運(yùn)行方式一上產(chǎn)生的過電壓略低于方式二，這是由于方式一增加了一組高抗避雷器的結(jié)果。

3)運(yùn)行方式二中，變壓器入口處電壓達(dá)到1 969.2 kV，已經(jīng)超過其雷電沖擊絕緣水平。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與運(yùn)行方式及站內(nèi)設(shè)備整體布置方式有關(guān)。為避免這種現(xiàn)象，可以緊湊化布置主變進(jìn)線間隔，比如進(jìn)一步壓縮主變電流互感器與避雷器之間的距離，將原距離從35 m壓縮至15 m，調(diào)整后，變壓器入口過電壓降低為1 877.9 kV，但是該方法需要重新規(guī)劃原有檢修道路，且降低幅度有限。

4)除了重新排布設(shè)備，還可調(diào)整運(yùn)行方式，若令方式二中Ⅰ母、Ⅱ母同時保持連接，系統(tǒng)中增加一組母線避雷器，將會進(jìn)一步抑制過電壓。經(jīng)計算，改為雙母運(yùn)行后，變壓器入口處過電壓降為1 641.7 kV，絕緣裕度21.8%，可見母線避雷器發(fā)揮較為了明顯的作用。

圖3為變壓器遭受雷擊時的過電壓波形圖：

圖3 主變?nèi)噙^電壓

2.2 避雷器優(yōu)化配置

高抗處于末端位置且價格比較昂貴，因此原方案在線路高抗與線路入口處各配置了一組避雷器，如圖4所示(虛線框內(nèi)分別為線路和高抗避雷器)。為減少設(shè)備投資，節(jié)約占地面積，可考慮優(yōu)化掉一組，故避雷器配置可考慮以下三種方案：

圖4 避雷器布置圖

方案一：維持原方案不變，線路側(cè)和站內(nèi)避雷器不同型號。

方案二：取消高抗避雷器，線路側(cè)和站內(nèi)避雷器不同型號。

方案三：取消高抗避雷器，線路側(cè)避雷器型號與站內(nèi)同型號。

運(yùn)行模式按單線單變：3#出線、1#主變、母線Ⅱ連接考慮，計算結(jié)果見表4所列。

表4 三種方案計算結(jié)果 kV

由表中數(shù)據(jù)可知：

1)在單線單變工況下，方案一的過電壓低于方案二，這是由于方案二減少了一組避雷器；方案三的過電壓略低于方案二，是由于將帶高抗線路的避雷器型號換為于站內(nèi)避雷器型號相同。

2)取消高抗側(cè)避雷器會導(dǎo)致設(shè)備過電壓水平整體上升，上升幅度最大的是高抗，其過電壓上升至1 846.4 kV，此時絕緣裕度為12.1%，略低于規(guī)程要求的15%。

3)因避雷器殘壓值越低，對設(shè)備的保護(hù)效果越好，將線路側(cè)Y20W–648/1491型避雷器換為站內(nèi)型Y20W–600/1380型后，過電壓水平相比更換前整體降低，線路高抗上過電壓已經(jīng)降低到1 746.1 kV，絕緣裕度上升到16.8%，可見更換避雷器降壓效果明顯。

4)通過以上分析，取消高抗避雷器后，高抗處的絕緣裕度依然保持在16.8%，其它設(shè)備的絕緣裕度均保持在16.3%～18.9%范圍內(nèi)，即滿足了設(shè)備長期運(yùn)行的絕緣要求，又不使裕度過大造成投資上的浪費(fèi)，從經(jīng)濟(jì)性和可靠性都得到了保障，因此取消高抗避雷器具有可行性，取消后，預(yù)估可減少設(shè)備及施工投資近百萬元，同時節(jié)省占地400余m2。

5)避雷器對過電壓有鉗位作用，距離避雷器越近防雷效果越好，若將本工程高抗向遠(yuǎn)離避雷器方向移動10 m，高抗處過電壓即升高至1 950.2 kV，絕緣裕度不滿足要求，因此為保證防雷效果，應(yīng)盡可能緊湊化布置相關(guān)設(shè)備。

6)雖然有相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]提出裝設(shè)高抗避雷器的必要性，但是雷電波入侵在較近距離傳播時，在不同設(shè)備間呈現(xiàn)折反射的特性，設(shè)備上的過電壓往往是多個波形的疊加，調(diào)整設(shè)備布置或組合方式等都會影響過電壓的重新分布，因此需要根據(jù)具體工況具體分析計算，不可一概而論。

2.3 避雷器放電電流校驗

將實(shí)際參數(shù)代入計算模型，并按以下兩種方案對避雷器最大電流進(jìn)行校驗：

方案一：原避雷器方案不變；

方案二：取消高抗避雷器，線路和站內(nèi)避雷器同型號。

由表5數(shù)據(jù)可見，兩種方案各處避雷器的放電電流均小于20 kA，且有較大余量，因此采用Y20W型避雷器能夠滿足雷電侵入波的保護(hù)要求。

表5 避雷器放電電流 kA

2.4 實(shí)際參數(shù)校驗

設(shè)備參數(shù)對過電壓計算具有重要影響，尤其是設(shè)備對地電容參數(shù)，以往的研究多采多用理論參數(shù)或推薦參數(shù)，未經(jīng)實(shí)際校驗。變電站內(nèi)價格最貴的電氣設(shè)備主要為主變、氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulator switchgear，GIS)、高抗，需要重點(diǎn)關(guān)注，因此本文搜集本工程生產(chǎn)廠家的相關(guān)設(shè)備實(shí)測參數(shù)，主要結(jié)果見表6所列。

表6 750 kV主要設(shè)備對地電容值 pF

由上表數(shù)據(jù)可知，高抗參數(shù)與推薦值相差不大，但是主變參數(shù)是原推薦值的2倍，因此需要重點(diǎn)校驗實(shí)際參數(shù)對計算結(jié)果的影響。按高抗與出線合用一組站內(nèi)型避雷器考慮，將實(shí)際參數(shù)代入以下運(yùn)行方式進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表7所列。

表7 四種方案計算結(jié)果 kV

方式一：3#出線、1#主變、母線Ⅱ；

方式二：3#出線、1#主變、母線Ⅰ、母線Ⅱ；

方式三：2#出線、1#主變、母線Ⅱ；

方式四：2#出線、1#主變、母線Ⅰ、母線Ⅱ。

由表7結(jié)果可知，代入實(shí)際參數(shù)后，計算結(jié)果均有不同程度調(diào)整，過電壓水平有升有降。整體而言對GIS的影響較小，絕緣裕度依然較為充足，影響較大的主要是高抗和變壓器。在運(yùn)行方式一下，高抗處過電壓較原推薦參數(shù)結(jié)果有所上升，絕緣裕度為12.7%。影響最大的是變壓器，在運(yùn)行方式三下其過電壓接近絕緣水平，裕度僅為5.7%。因此，為最大限度保證設(shè)備安全，或可考慮提升主變絕緣水平從1 950 kV至2 100 kV，但是變壓器造價昂貴提升絕緣水平花費(fèi)較大，較為可行的是從運(yùn)行方式入手。由于GIS設(shè)備本身具有運(yùn)行可靠性高、維護(hù)工作量少、檢修周期長等特點(diǎn)，因此在運(yùn)行中可盡量保證雙母線同時連接運(yùn)行，如表7方案二、四所示，過電壓水平下降較大抑制效果明顯。雖然母線故障的概率較小，但是當(dāng)一段母線檢修時，系統(tǒng)仍有一定風(fēng)險，因此為降低過電壓風(fēng)險，此時應(yīng)盡可能保持2回或多回出線在線，為雷電流提供分流。總之盡量避免單線單變單母線的長期運(yùn)行方式，可保證設(shè)備絕緣裕度在合理范圍內(nèi)。

另外，750 kV設(shè)備國內(nèi)技術(shù)路線較為統(tǒng)一，不同廠家參數(shù)相差不大但略有差別，因此建議不同項目采用各自廠家的實(shí)測參數(shù)進(jìn)行校驗。

3 結(jié)論

本文對雷電侵入波仿真研究的細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究梳理，并以750 kV輸變電工程為例，得出以下結(jié)論：

1)變電站雷電侵入波過電壓水平與系統(tǒng)運(yùn)行方式和接線方式密切相關(guān)。就運(yùn)行方式而言，單線帶單變運(yùn)行時過電壓情況最為嚴(yán)重。出線越多，分流越多，過電壓水平越低。

2)母線避雷器對抑制設(shè)備上的過電壓效果顯著，雙母線同時運(yùn)行并與進(jìn)出線連接，可保證設(shè)備處有充足的絕緣裕度，因此運(yùn)行中應(yīng)盡量避免單線單變單母線方式長期運(yùn)行，在母線檢修時，可連接其它出線來加強(qiáng)分流。

3)取消出線高抗避雷器具有可行性，為進(jìn)一步降低高抗處過電壓，建議線路采用站內(nèi)型避雷器。取消后，各種運(yùn)行工況下過電壓未突破設(shè)備絕緣水平，且避雷器放電電流小于18 kA，滿足運(yùn)行要求。

4)雷電流在不同設(shè)備間呈現(xiàn)折反射特性，設(shè)備上的過電壓往往是多個波形的疊加，設(shè)備參數(shù)、組合型式等都會對過電壓的分布產(chǎn)生重大影響，因此建議后續(xù)工程根據(jù)設(shè)備實(shí)測參數(shù)對計算結(jié)果進(jìn)行校驗，尤其關(guān)注變壓器設(shè)備。