李國(guó)毅 姜聿涵 秦大海 徐 聞

（西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610039）

1000kV變電站雷電入侵波仿真研究

李國(guó)毅 姜聿涵 秦大海 徐 聞

（西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610039）

本文將進(jìn)線段和變電站結(jié)合起來(lái)，考慮輸電線路的沖擊電暈、工頻電壓對(duì)1000kV變電站雷電入侵波的影響?；陔姇灧鼛?kù)特性曲線，建立了沖擊電暈的模型，運(yùn)用ATP-EMTP仿真了1000kV GIS變電站的雷電入侵波，仿真結(jié)果表明：沖擊電暈?zāi)芙档腿肭植ǖ姆岛投付?，變電站?nèi)設(shè)備過(guò)電壓幅值會(huì)降低；處于負(fù)半周的工頻電壓會(huì)增大過(guò)電壓幅值，處于正半周的工頻電壓會(huì)減小過(guò)電壓幅值。

沖擊電暈；工頻電壓；1000kV變電站；ATP-EMTP

1000 kV變電站是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵樞紐，發(fā)生故障會(huì)引起嚴(yán)重的后果，雷害是變電站發(fā)生故障的主要因素。變電站遭受雷害來(lái)自兩個(gè)方面：雷直擊變電站，造成設(shè)備損壞；雷擊中輸電線路桿塔或避雷線，造成絕緣子閃絡(luò)，或者雷擊導(dǎo)線，波沿著線路傳進(jìn)變電站，造成設(shè)備損壞；前者稱為直擊雷，后者稱為雷電侵入波。造成雷害的主要因素是雷電侵入波[1]。

影響雷擊的兩個(gè)因素：沖擊電暈和線路參數(shù)的頻變特性，其中沖擊電暈起主要作用[2]。當(dāng)發(fā)生電暈時(shí)，導(dǎo)線對(duì)地電導(dǎo)和電容都將增大，行波會(huì)發(fā)生畸變，在變電站防雷設(shè)計(jì)中，忽略電暈將影響其設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。1000kV的工作電壓已經(jīng)達(dá)到其閃絡(luò)電壓的20%左右，工作電壓的影響已經(jīng)不能忽略。本文將考慮沖擊電暈和工作電壓對(duì)變電站防雷設(shè)計(jì)的影響。

1 考慮沖擊電暈的線路模型

1.1 電暈伏庫(kù)特性曲線

伏庫(kù)特性是研究沖擊電暈對(duì)波的影響—衰減或是變形的基礎(chǔ)，伏庫(kù)特性一般是實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，也可以經(jīng)過(guò)電場(chǎng)理論的電暈?zāi)Ｐ蛠?lái)進(jìn)行計(jì)算[3]。典型的伏庫(kù)特性如圖1所示，可將其分為3段[4]。

OA段：描述其波頭部分，此時(shí)的電壓 u小于電暈起始電壓 u0，該部分的斜率就是指導(dǎo)線的 C0=q0/u0。

AB段：該階段電壓u大于或等于電暈起始電壓u0。隨著電壓增大，游離增強(qiáng)，線路周圍極性相同的電荷越來(lái)越多。由于空間電荷的數(shù)量增加，大量的電荷就形成一個(gè)套子圍繞在導(dǎo)線的周圍，其徑向的導(dǎo)電性比較好。此段電暈的伏庫(kù)特性并不是線性的，該曲線有一點(diǎn)上翹，導(dǎo)線的對(duì)地電容具有動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)電容 Cd=dq/du＞C0。但由于電暈套軸向的電導(dǎo)非常的小，使得電流基本上都在導(dǎo)線內(nèi)，因此電暈對(duì)導(dǎo)線的電感造成的影響是可以不考慮進(jìn)去的。

BC段：對(duì)應(yīng)于波尾部分，此時(shí)u＜um（沖擊波幅值）。雷電波是一個(gè)快速的變化過(guò)程，過(guò)程中的空間電荷幾乎沒(méi)什么變化，所以因電壓變小，電荷也將變少，此時(shí)的特性近似平行。

由伏庫(kù)特性曲線可知：AB段近似直線，可以用最小二乘法來(lái)擬合成直線段，得到其斜率[5]Cd=dq/du=1.65C0。

分裂導(dǎo)線電暈起始電壓可用式（1）進(jìn)行計(jì)算[6]：

式中，n指分裂導(dǎo)線數(shù)，rd指導(dǎo)線半徑（cm），Ecor指起暈場(chǎng)強(qiáng)（kV/cm），hd指導(dǎo)線平均高度（cm），re指分裂導(dǎo)線的等效半徑（cm），d指分裂間距（cm）。

Ecor可由Peek公式得到[7]

式中，E0指空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，取30kV/cm，m指導(dǎo)線表面的粗糙系數(shù)，取0.82，f指電壓極性系數(shù)，正電壓取0.5，正電壓取1.0，δ 指相對(duì)空氣密度，取1.0，rd為導(dǎo)線半徑（cm）。

1.2 沖擊電暈等效模型

建立沖擊電暈等效模型如圖2所示。

符號(hào)VD代表的是單向?qū)ǖ亩O管。Cf為電暈的附加電容，符號(hào)K代表的是一個(gè)受電壓控制的開(kāi)關(guān)。其中，Cf=Cd-C0=0.65C0。電壓小于電暈起始電壓時(shí)，受電壓控制的開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，由于頻率特性，線路此時(shí)處于自然狀態(tài)，因此可以模擬伏庫(kù)特性的第一段；K導(dǎo)通表示此時(shí)的電壓比電暈起始電壓高，AB段用把 Cf接通來(lái)表示；利用二極管將電暈附加電容切除，來(lái)模擬BC段。

圖2 電暈等效模型

2 仿真模型建立

2.1 1000kV GIS變電站電氣主接線圖

圖3是1000kV GIS變電站電氣主接線簡(jiǎn)圖[8]，在高壓電抗器R、電容式電壓互感器CVT、兩條母線及主變回路出線處各安裝一組避雷器。

圖3 1000kV GIS變電站電氣主接線簡(jiǎn)圖

2.2 雷電流模型

采用我國(guó)防雷設(shè)計(jì)推薦的2.6/50μs的雙指數(shù)波

仿真時(shí)選取的雷電流幅值 250kA，其發(fā)生概率為 1.44‰，取負(fù)極性。通過(guò)計(jì)算得，α=1500，β=1860000，A=1.058。雷電通道波阻抗取300Ω。

2.3 桿塔模型

現(xiàn)在桿塔模型眾多[9]，主要有：集中電感模型、單波阻抗模型和多波阻抗模型。GIS變電站2km進(jìn)線段內(nèi)采用的是單回輸電線路的酒杯桿塔，本文采用由日本推薦的用于超高壓和特高壓的多波阻抗模型，如圖4所示。

圖4 桿塔的多波阻抗模型（單位：mm）

其中 Z11=Z12=220Ω，Z13=220Ω；R11=8.32Ω、R12=20.37Ω、R13=33.47Ω；L11=3.49μH、L12=8.53μH、L13=14.01μH。

2.4 輸電線路模型

在本文的仿真運(yùn)用ATP-EMTP自帶的LCC模塊仿真輸電線路，選擇 Jmartii模型。可以不用再去考慮被雷電擊中的避雷線、已經(jīng)閃絡(luò)導(dǎo)線對(duì)未閃絡(luò)導(dǎo)線之間的耦合作用，同時(shí)這樣還能提高計(jì)算精度。再把輸電線路分成若干段，每一段插入上面提及的沖擊電暈等效模型，認(rèn)為每段當(dāng)中，附加電容是不變的。研究表明，線段取50～100m時(shí)對(duì)結(jié)果幾乎無(wú)影響，本文取50m。1#—6#桿塔接地電阻取10Ω，0#桿塔取7Ω。

2.5 絕緣子串模型

采用壓控開(kāi)關(guān)來(lái)模擬絕緣子串的閃絡(luò)，當(dāng)絕緣子串兩端電壓高于50%沖擊閃絡(luò)電壓時(shí)，認(rèn)為擊穿，取U50%=4MV[10]。

2.6 避雷器模型

1000 kV特高壓系統(tǒng)采用額定電壓為 828kV的金屬氧化物避雷器，雷電保護(hù)水平為1620kV，標(biāo)稱放電電流20kA[11]。ATP-EMTP形成的伏安特性曲線如圖5所示。

圖5 避雷器伏安特性曲線

2.7 變電站線路和設(shè)備參數(shù)

導(dǎo)線型號(hào)：8×LGJ-500/45，8分裂，分裂間距400mm，子導(dǎo)線半徑15mm，弧垂17m。

避雷線型號(hào)：LBGJ-150-20AC鋁包鋼絞線，弧垂15m。

站內(nèi)設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備入口電容和沖擊絕緣水平

3 仿真分析

雷擊進(jìn)線段2km內(nèi)的近雷區(qū)比遠(yuǎn)雷區(qū)嚴(yán)重，而在近雷區(qū)中，雷擊1#桿塔時(shí)，造成站內(nèi)設(shè)備過(guò)電壓往往是最嚴(yán)重的[12-13]，因此本文對(duì)雷擊桿塔1#進(jìn)行分析，考慮進(jìn)線段沖擊電暈和工作電壓，運(yùn)用ATP-EMTP建立的部分仿真圖如圖6所示。

圖6 ATP-EMTP建立的部分仿真圖

3.1 沖擊電暈的影響

雷擊1#桿塔時(shí)，變電站內(nèi)主要設(shè)備，電抗器R、電壓互感器CVT-L、電壓互感器CVT-T、主變壓器T的最大過(guò)電壓幅值和出現(xiàn)時(shí)刻見(jiàn)表2。

表2 主要設(shè)備最大過(guò)電壓幅值和出現(xiàn)時(shí)刻

從表2可以看出，沖擊電暈使得過(guò)電壓波形衰減和變形，且有一定的延時(shí)，降低了過(guò)電壓幅值和陡度，對(duì)防雷設(shè)計(jì)是有利的。在很多仿真設(shè)計(jì)中，忽略電暈，使得絕緣要求提高，增加了成本，不夠經(jīng)濟(jì)。

3.2 工頻電壓的影響

1000 kV的工頻電壓已經(jīng)占到絕緣子串閃絡(luò)電壓的20%左右，應(yīng)該考慮其對(duì)雷電過(guò)電壓的影響，表3為計(jì)與不計(jì)工頻電壓時(shí)，變電站內(nèi)主要設(shè)備最大過(guò)電壓幅值。

表3 計(jì)與不計(jì)工頻電壓對(duì)過(guò)電壓的影響

由表3可以看出考不考慮工頻電壓對(duì)過(guò)電壓的影響是很大的，因?yàn)檫^(guò)電壓的最大值是工頻電壓和雷電波疊加的結(jié)果，計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮工頻電壓。而且工頻電壓隨著相角的不斷變化，其幅值也是不斷變化的，其不同幅值時(shí)和雷電波疊加的效果也就不同。應(yīng)當(dāng)考慮不同相角時(shí)，工頻電壓對(duì)雷電過(guò)電壓的影響。由于雷電為負(fù)極性，當(dāng)與處于正半周的工頻電壓疊加時(shí)，會(huì)降低過(guò)電壓幅值，與處于負(fù)半周的工頻電壓疊加時(shí)，則相反。表4為不同相角時(shí)，雷擊1#桿塔時(shí)，主變壓器T的最大過(guò)電壓幅值。

表4 不同相角時(shí)主變壓器T的最大過(guò)電壓幅值

由表4可看出，A相初相角為 180°時(shí)比初相角為0°的過(guò)電壓高了257.1kV，這就是由于工頻電壓不同瞬時(shí)值的疊加效果。對(duì)比表3和表4得到，不計(jì)工頻電壓和計(jì)工頻電壓初相角為90°時(shí)，主變壓器 T上過(guò)電壓近似相等，可以認(rèn)為0～90°時(shí)，雷電波與處于正半周的工頻電壓疊加，降低了過(guò)電壓幅值；90°～180°時(shí)，雷電波與處于負(fù)半周的工頻電壓疊加，增大了過(guò)電壓幅值。因此，建議防雷設(shè)計(jì)時(shí)，以雷電波正好與工頻電壓在負(fù)半周的最大幅值處疊加時(shí)，來(lái)從嚴(yán)考慮設(shè)備的絕緣保護(hù)。

4 結(jié)論

將進(jìn)線段和變電站結(jié)合起來(lái)，在ATP-EMTP中，建立了考慮沖擊電暈的輸電線路模型，仿真結(jié)果表明，沖擊電暈?zāi)芙档屠纂姴ㄈ肭謺r(shí)，變電站內(nèi)設(shè)備的過(guò)電壓幅值和陡度，有利于防雷保護(hù)，節(jié)約絕緣成本，我們應(yīng)該考慮。1000kV工頻電壓已經(jīng)達(dá)到絕緣子串50%放電電壓的20%左右，已經(jīng)不能忽略工頻電壓的影響；且工頻電壓隨著初相角的不同，不斷變化著，設(shè)備過(guò)電壓的幅值也不斷變化著，在負(fù)半周的工頻電壓會(huì)增大過(guò)電壓幅值，在正半周的工頻電壓會(huì)減小過(guò)電壓幅值。因此，建議在防雷設(shè)計(jì)時(shí)，以處于負(fù)半周的工頻電壓最大幅值來(lái)確定設(shè)備雷電過(guò)電壓保護(hù)。

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The Simulation of Lightning Invasion Wave on 1000kV Substation

Li Guoyi Jiang Yuhan Qin Dahai Xu Wen
(School of Electrical and Information Enginerring, Xihua University, Chengdu 610039)

Combining into lines and substations, this article considers impulse corona and the frequency voltage of transmission lines affect 1000kV Substation lightning invasion wave. Establish impulsive corona model based on Corona V characteristic curve library. Using ATP-EMTP simulates of lightning invasion wave of 1000kV GIS substation. Simulation results show that: Corona can reduce the impact of lightning invasion wave amplitude and steepness, and the amplitude of over-voltage of substation equipment will reduce; In the negative half cycle of the power frequency voltage will increase the amplitude of over-voltage, and the positive half cycle of the power frequency voltage will reduce the amplitude over-voltage.

impulse corona; frequency voltage; 1000kV substation; ATP-EMTP

李國(guó)毅（1988-），男，四川廣安人，碩士研究生，研究方向?yàn)檩旊娋€路防雷。