趙晨惠，褚炳上

(東北電力大學(xué)，吉林吉林132012)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能的需求量日益增大，從而加速了大型火電站及核電站的發(fā)展建設(shè)［1］。雷電波沿輸電線路侵入變電站，就會(huì)對(duì)變電站設(shè)備構(gòu)成巨大的威脅［1-2］，因此變電站的保護(hù)成了繼電保護(hù)的重要部分［3］。近年來(lái)有關(guān)雷電侵入波方面的研究很多［4］，因建立的數(shù)學(xué)模型的不同，所用到的方法多種多樣。考慮到ATP/EMTP的自定義模型有很強(qiáng)大的功能，采用國(guó)際通用的先進(jìn)圖形化電磁暫態(tài)計(jì)算模型，將變電站和進(jìn)線段結(jié)合起來(lái)，對(duì)雷電侵入波進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算和研究。

1 ATP/EMTP仿真程序

采用國(guó)際通用先進(jìn)的圖形化電磁暫態(tài)計(jì)算程序ATP-EMTP對(duì)變電站的雷擊情況進(jìn)行計(jì)算分析。ATP程序和ATPDraw程序的聯(lián)合運(yùn)用，使得計(jì)算電磁暫態(tài)方面的問(wèn)題更加方便、準(zhǔn)確;求解速度快;精度能滿足工程計(jì)算的要求;Windows人機(jī)對(duì)話界面，計(jì)算模型圖形化輸入，操作性對(duì)比較方便。這兩個(gè)程序的功能和數(shù)據(jù)輸入相似，都是用于模擬計(jì)算電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過(guò)程，為電力系統(tǒng)的科研、設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供可靠依據(jù)［5］。

2 計(jì)算模型的建立

對(duì)變電站的雷擊情況進(jìn)行分析時(shí)，計(jì)算模型的確定是非常重要的，只有精確地計(jì)算模型，才能得到精確地?cái)?shù)據(jù)，從而進(jìn)一步提出的保護(hù)措施才是最有效的。主要的計(jì)算模型有雷電模型和變電站各部分元件的模型。

2.1 雷電模型

幅值、波頭和波尾時(shí)間是雷電流波形最重要的3個(gè)參數(shù)，現(xiàn)已積累了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其基本規(guī)律趨于一致。由于雷電放電本身有一定的隨機(jī)性，測(cè)量手段、技術(shù)水平也存在一定的缺陷，所以具體數(shù)據(jù)具有一定的分散性。

用簡(jiǎn)煉的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述典型的雷電流波形如圖1所示，它有助于定量分析，以便于進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。雷電流的雙指數(shù)表達(dá)式為

常數(shù)α和β的大小，可由閃電的3個(gè)特性推得，即沿先導(dǎo)通道的電荷密度、回?fù)羲俣?，以及回?fù)暨^(guò)程中先導(dǎo)電荷的復(fù)合率。圖1(a)為雙指數(shù)等值波形，由2個(gè)衰減速度不同的指數(shù)函數(shù)合成，對(duì)于常用的雷電流波形，通常有β?α。

雷電流幅值和波頭時(shí)間均按規(guī)程規(guī)定處理，如圖1(b)所示。此研究中取雷電流幅值240 kA，波形為2.6/50 μs，作為研究中的主要波形。

圖1 雷電流波形圖

2.2 桿塔模型

桿塔的沖擊響應(yīng)波阻抗，即雷電沖擊波作用下塔頂呈現(xiàn)的電位與由塔頂注入的沖擊電流的比值，是桿塔模型中非常重要的參數(shù)，它直接影響到塔頂電位的計(jì)算結(jié)果。雖然波阻抗沿桿塔是變化的，但給桿塔波阻抗確定1個(gè)不變的值所計(jì)算得到的結(jié)果很接近。故在工程近似計(jì)算上，桿塔常被等效為集中參數(shù)的電感或分布參數(shù)長(zhǎng)線。

2.3 輸電線路模型

輸電線路的模型有連續(xù)換位(Clarke)和不換位線路(KCLee)模型，Bergeron(貝杰龍)、RLPI型、RL耦合型、RL對(duì)稱型等的等值電路模型，輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的頻率特性線路模型有:JMARTI(馬蒂)、SEMLYEN(塞姆林)和NODA等，根據(jù)計(jì)算精度的需要選擇不同的輸電線路模型。

考慮到雷電流幅值為240 kA，波型是2.6/ 50μs，有可能發(fā)生三相閃絡(luò)，又因?yàn)橄嘈虻年P(guān)系，每相上的過(guò)電壓會(huì)有所不同，故此研究分別采用單相和三相模擬線路模型。

2.3.1 單相無(wú)損模型

單相無(wú)損模型是一切輸電線路模型的基礎(chǔ)，其參數(shù)特性為

R0=0，G0=0，C0和L0均為常參數(shù)，

2.3.2 三相均勻換位模型

對(duì)于均勻換位線路來(lái)說(shuō)，3個(gè)模量中有1個(gè)模量是以大地為回路的“地中模量”，即“0”模量;而其余2個(gè)模量都是以架空導(dǎo)線為回路的“空間模量”，即“α”和“β”模量。電力工程涉及的頻率范圍內(nèi)，架空線路的線模(正序波阻)是常數(shù)，地模(零序波阻)因大地回路的集膚效應(yīng)與頻率有密切的關(guān)系。因此，三相均勻換位模型并不是足夠精確，但是由于雷擊的假設(shè)很粗略，使用這種模型計(jì)算足夠了。

2.4 避雷器模型

在陡波電流下，避雷器閥片相當(dāng)于1個(gè)極高阻值的非線性電阻與電容器的并聯(lián)，當(dāng)加于閥片的電壓低于某個(gè)臨界值時(shí)，閥片相當(dāng)于極高阻值的電阻，即在正常電壓范圍內(nèi)它的斜率幾乎為無(wú)限大。而在較高電壓時(shí)，閥片在過(guò)電壓保護(hù)范圍內(nèi)的斜率幾乎是零。這些避雷器電阻的非線性用指數(shù)函數(shù)描述，其電流電壓之間的關(guān)系服從下述規(guī)律，表達(dá)式為

式中p、q和uref是常數(shù);uref為參考電壓，通常取額定電壓的2倍或接近于2倍的值;q的典型值為20～30。通常難以用1個(gè)指數(shù)函數(shù)來(lái)描述整個(gè)范圍內(nèi)的特性，因此，ATP中將電壓范圍分成幾段，每段有其自己的指數(shù)函數(shù)，即采用分段線性函數(shù)模型來(lái)模擬。

2.5 變壓器等電氣設(shè)備的模型

由于雷電侵入波等值頻率較高，維持時(shí)間短，通常10 μs左右即可算出最大過(guò)電壓幅值。則變電站設(shè)備如變壓器、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、互感器等，在雷電波作用下，均可等值成沖擊入口電容。

2.6 絕緣子串的閃絡(luò)模型

ATP程序的子程序TACS組件如圖2所示。

圖2 主要TACS組件示意圖

ATP程序的子程序TACS可將網(wǎng)絡(luò)電壓源、電流源、節(jié)點(diǎn)電壓、開(kāi)關(guān)電流、開(kāi)關(guān)狀態(tài)和一些內(nèi)部變量作為輸入量，網(wǎng)絡(luò)解以TACS的輸出信號(hào)作為電壓源或電流源，也可以作為打開(kāi)或閉合開(kāi)關(guān)的命令。

2.7 TACS子程序模擬絕緣子串閃絡(luò)的過(guò)程

絕緣子串兩端的電壓和伏秒特性分別是時(shí)間函數(shù)，可用1個(gè)或者多個(gè)FORTRAN表達(dá)式來(lái)表示。52號(hào)中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)模擬絕緣子串兩端的電壓曲線，有名+固定闕限值模擬絕緣子串的伏秒特性曲線;某時(shí)刻驅(qū)動(dòng)信號(hào)≥有名+固定闕限值時(shí)，52號(hào)特殊裝置內(nèi)部的開(kāi)關(guān)閉合，其輸出為正數(shù)，將1個(gè)由其輸出控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)的13號(hào)TACS開(kāi)關(guān)閉合。此TACS開(kāi)關(guān)相當(dāng)于絕緣子串，打開(kāi)狀態(tài)為絕緣子串正常狀態(tài)，閉合狀態(tài)為絕緣子串閃絡(luò)狀態(tài)。由于TACS開(kāi)關(guān)時(shí)閉時(shí)合，而絕緣子串閃絡(luò)后不會(huì)恢復(fù)正常，所以要采取措施，必須使TACS開(kāi)關(guān)1次閉合后就不再打開(kāi)?？尚械姆椒ㄊ窃?2號(hào)特殊裝置的輸出端，即在TACS開(kāi)關(guān)的控制端前加1個(gè)64號(hào)特殊裝置。這樣，52號(hào)特殊裝置輸出一旦為正數(shù)，就始終為此數(shù)不變，從而TACS開(kāi)關(guān)1次閉合后就不再打開(kāi)，正確地模擬了絕緣子串的閃絡(luò)特性(如圖3所示)。

圖3 TACS組合控制模型模擬絕緣子串閃絡(luò)特性

此以單回線路為例說(shuō)明，對(duì)于雙回線路，也可以用此方法來(lái)判斷絕緣子串閃絡(luò)的順序，只是模型更為復(fù)雜，要求也更精確。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)以上所介紹的各元件模型和在雷擊過(guò)程中絕緣子串的閃絡(luò)機(jī)理，應(yīng)用電磁暫態(tài)計(jì)算程序ATP-EMTP對(duì)變電站的雷擊情況進(jìn)行計(jì)算分析。此次計(jì)算中，采用新立變電站的數(shù)據(jù)，部分未提供的計(jì)算參數(shù)將按照國(guó)家規(guī)程和經(jīng)驗(yàn)取值。計(jì)算內(nèi)容主要包括雷擊點(diǎn)的比較、運(yùn)行方式的比較、桿塔沖擊接地電阻的比較。

3.1 雷擊點(diǎn)及雷擊侵入方式的比較

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，反擊時(shí)主變上最大過(guò)電壓出現(xiàn)在雷擊TW2桿塔;繞擊時(shí)主變上最大過(guò)電壓出現(xiàn)在雷擊TW2附近線路，但反擊時(shí)TW2的過(guò)電壓值大于繞擊時(shí)的過(guò)電壓值。因此可知，反擊時(shí)電站各個(gè)設(shè)備上的過(guò)電壓更嚴(yán)重，而且反擊TW2的過(guò)電壓最大，故計(jì)算中采用TW2反擊最大過(guò)電壓。

3.2 運(yùn)行方式比較

從計(jì)算可以看出:a.當(dāng)母線運(yùn)行方式、線路運(yùn)行情況、雷擊點(diǎn)及雷電幅值等均相同時(shí)，運(yùn)行的變壓器臺(tái)數(shù)越多，則泄流通道也增多，設(shè)備整體過(guò)電壓水平也越低。b.對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主變壓器最嚴(yán)重的運(yùn)行方式是在雷擊線路TW2桿塔時(shí)，單線單變運(yùn)行情況:此時(shí)投入設(shè)備少，線路少，電容小，雷電流分流情況差，過(guò)電壓高，這是較危險(xiǎn)的運(yùn)行方式。各運(yùn)行方式下的變壓器電壓波形如圖4—圖8所示。

圖4 單線單變運(yùn)行方式下主變壓器T1上的過(guò)電壓曲線

圖5 兩線單變運(yùn)行方式下主變壓器T1上的過(guò)電壓曲線

圖6 兩線兩變運(yùn)行方式下主變壓器T1上過(guò)電壓曲線

圖7 兩線兩變運(yùn)行方式下主變壓器T2上的過(guò)電壓曲線

圖8 2號(hào)主變壓器上的電壓波形

3.3 桿塔沖擊接地電阻的比較

在最嚴(yán)重的運(yùn)行方式下，改變桿塔沖擊接地電阻進(jìn)行計(jì)算，以觀察過(guò)電壓與遠(yuǎn)桿塔沖擊接地電阻的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明:桿塔的沖擊接地電阻越小，設(shè)備上的過(guò)電壓越低。因此，應(yīng)盡量減小其沖擊接地電阻。

4 結(jié)論

雷擊桿塔時(shí)，絕緣子串沖擊閃絡(luò)電壓是由絕緣子串的沖擊伏秒特性與作用其上的沖擊電壓共同決定的;同時(shí)，絕緣子串閃絡(luò)的時(shí)刻對(duì)于主變(電氣設(shè)備)上的過(guò)電壓數(shù)值的影響很大。因此，不能將侵入波幅值作為固定值。

從不同運(yùn)行方式下的過(guò)電壓數(shù)值可以看出:變電站網(wǎng)絡(luò)的大小對(duì)計(jì)算的結(jié)果有較大的影響，網(wǎng)絡(luò)越大，主變上所出現(xiàn)的過(guò)電壓最高幅值就越低。這是因?yàn)槔讚魲U塔放電的總能量是一定的，如果變電站網(wǎng)絡(luò)越大，設(shè)備越多，網(wǎng)絡(luò)的總電容量就越大，主變上出現(xiàn)的過(guò)電壓數(shù)值就越低。因此，從雷擊點(diǎn)、運(yùn)行方式、絕緣子串閃絡(luò)的時(shí)刻、工頻電壓的大小等影響因素綜合考慮，主變上出現(xiàn)最大雷電過(guò)電壓值的成因很復(fù)雜，主要取決于幾個(gè)來(lái)波的幅值以及相遇的時(shí)機(jī)。

一般高度的進(jìn)線段桿塔，其沖擊接地電阻對(duì)變電站的雷電過(guò)電壓的影響很大，沖擊接地電阻越小，站內(nèi)設(shè)備上的過(guò)電壓幅值和流過(guò)避雷器的雷電流值也越低，這對(duì)變電站雷電侵入波保護(hù)具有一定的工程價(jià)值。因此，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)盡力降低進(jìn)線段桿塔的沖擊接地電阻。

總而言之，對(duì)大幅值、高陡度的雷電波侵入超高壓系統(tǒng)變電站的防護(hù)，應(yīng)重點(diǎn)放在防止近區(qū)反擊，加強(qiáng)進(jìn)線保護(hù)。

［1］ 四川省電力工業(yè)局，四川省電力教育協(xié)會(huì).500 kV變電所［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2000.

［2］ 王春杰，祝令瑜，汲勝昌，等.高壓輸電線路和變電站雷電防護(hù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電磁避雷器，2010，3(6):35-46.

［3］ 謝海，尹志民.一起220 kV SF6斷路器事故原因分析［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(11):170-171.

［4］ 小崎正光.高電壓與絕緣技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.