郭宜果，魏鑫，盧福木，徐希霽

（1.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021；2.國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東棗莊277800）

敞開式變電站進(jìn)線避雷器布置形式分析

郭宜果1，魏鑫2，盧福木1，徐希霽2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021；2.國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東棗莊277800）

敞開式變電站進(jìn)線避雷器采用“T”形布置時，根據(jù)行波傳輸理論，對設(shè)備上的過電壓水平進(jìn)行分析，得出設(shè)備上的過電壓與引線長度成線性關(guān)系的結(jié)論。并結(jié)合實際500 kV變電站工程數(shù)據(jù)，通過EMTP程序?qū)υ摻Y(jié)論進(jìn)行了仿真驗證。兩種不同的布置形式的對比仿真計算表明：采用“一”形布置設(shè)備過電壓水平可降低9.6%。

避雷器；布置；侵入波過電壓；EMTP

0 引言

對于采用架空出線的敞開式變電站，為降低雷電侵入波過電壓的影響，DL／T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》要求在站內(nèi)電氣設(shè)備接口處安裝避雷器，該避雷器稱為進(jìn)線避雷器。按照110 kV及以上變電站設(shè)備配置及總平面布置的原則，在設(shè)計施工中，往往將進(jìn)線回路的電壓互感器與進(jìn)線避雷器組合起來進(jìn)行布置。在工程實際中，一般有兩種布置形式，并根據(jù)引下線的形狀，分別命名為“T”形布置方式和“一”形布置方式。兩種布置形式在工程中均有大量應(yīng)用。

文獻(xiàn)［1-2］研究表明，避雷器的接入方式應(yīng)盡量避免“T”形接入，且避雷器的引線越短，保護(hù)效果越好。但是文獻(xiàn)未給出“T”形布置引線長度與設(shè)備上過電壓值之間的定量關(guān)系，同時缺乏對兩種布置形式的對比分析結(jié)果。運用行波折反射理論，定量分析“T”形布置引線長度對侵入波過電壓的影響，結(jié)合EMTP程序?qū)Χ糠治鼋Y(jié)果進(jìn)行驗證，并對兩種布置形式進(jìn)行對比分析。

1 “T”形布置侵入波的折反射分析

由于電力系統(tǒng)是三相系統(tǒng)，某一相雷電波隨導(dǎo)線侵入變電站時，其余兩相導(dǎo)線的互阻抗將降低侵入波的幅值和陡度。從最嚴(yán)格等級考慮［3］，同時為了簡化分析過程，一般在研究雷電侵入波過電壓的影響時，僅對落雷相設(shè)備及連接導(dǎo)線進(jìn)行分析，不考慮另外兩相的影響。

根據(jù)行波傳輸理論，雷電波在導(dǎo)線上的傳播可用以下行波方程解釋［4］：

式中：u為導(dǎo)線上的電壓值，V；uq為入射波電壓，V；uf為反射波電壓，V；i為流過導(dǎo)線的電流，A；iq為入射電流，A；if為反射電流，A；Z為導(dǎo)線波阻抗，Ω。

對于“T”形布置進(jìn)線避雷器，侵入波進(jìn)入變電站內(nèi)的傳輸路徑如圖1所示。

圖1 雷電流傳播示意

為簡化避雷器引下線對侵入波過電壓影響的分析過程，將系統(tǒng)做出如下假定：

1）雷電流為一個斜角波I=at；

2）連接導(dǎo)線的波阻抗均相等；

3）暫不考慮電容器的影響；

4）避雷器引下點A到避雷器距離AC為l1，A點到變電站設(shè)備距離AB為l2，l2>l1。

1.1 雷電流到達(dá)A點時雷電波作用分析

t1時刻，雷電流到達(dá)A點，由于AB、AC段波阻抗相等，因而進(jìn)入兩段導(dǎo)線雷電流大小相等。此時雷電波尚未到達(dá)傳輸線末端，未發(fā)生折反射，流過線路AB、AC上的電流均為前行波。假設(shè)該時刻為零時刻，則流過線路AB、AC上的電流為

對應(yīng)傳輸線AB、AC上的電壓為前行波電壓，即

式中：a為斜角波的斜率，A／s；t為波的作用時間，s。

1.2 雷電流在AC導(dǎo)線上傳播分析

如圖2所示，隨著時間的推移，雷電流到達(dá)避雷器，并在t2時刻避雷器上的電壓超過其動作電壓，避雷器動作。根據(jù)避雷器的伏安特性曲線，動作點處避雷器阻值很低，相當(dāng)于一個小電阻。

圖2 雷電波在AC段導(dǎo)線上傳播示意

設(shè)避雷器動作后，避雷器上的殘壓為UC，則

式中：U為導(dǎo)線AC上的實際電壓，V；U2q為AC上的入射波電壓，V；U2f為AC上的反射波電壓，V。

式中：v為波速度，m/s。

由此可見，由于避雷線的引線影響，避雷線引下點的過電壓幅值除了避雷器殘壓之外，增加了一個幅值為的分量，這是影響過電壓大小的關(guān)鍵因素。

1.3 雷電流在AB段傳播分析

假設(shè)t4時刻雷電流到達(dá)B端，B端電壓

再經(jīng)過一段時間，t5時刻，由C點產(chǎn)生的反行波到達(dá)B點時，類似上面的分析過程可得B端電壓

由此可見，侵入變電站電壓幅值與避雷線引下點電壓幅值相同。

綜上，采用進(jìn)線避雷器防雷電侵入波過電壓時，避雷器引線的距離對侵入波過電壓具有重要影響，避雷器動作后，侵入波過電壓的幅值與避雷器引線長度呈線性關(guān)系，同時與雷電波的陡度以及引線波阻抗有關(guān)系。

2 EMTP仿真計算

按照典型500 kV變電站的參數(shù)利用EMTP進(jìn)行仿真分析，雷電流取標(biāo)準(zhǔn)的1.2／50 μs雙指數(shù)波，幅值為10 kA。傳輸線波阻抗取370 Ω，避雷器利用非線性電阻模擬，非線性電阻伏—安特性曲線如表1所示。

表1 避雷器的伏安特性

各段連接線按工程實際情況進(jìn)行考慮，避雷器引下點到變電站設(shè)備距離取40 m，避雷器引線長度分別取4 m、8 m、12 m、16 m、20 m，對應(yīng)不同的引下線長度，仿真計算得到變電站內(nèi)設(shè)備上的最大電壓值與避雷器引線長度的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 過電壓值與避雷器引線長度的關(guān)系

由圖3可知，隨著引線長度變化，侵入波過電壓幅值與之呈線性關(guān)系，進(jìn)行最小二乘擬合后得：U=1.65×104l+1.43×106。電壓幅值U與引線長度l關(guān)系的比例系數(shù)為1.65×104V／m。

根據(jù)公式（10），過電壓值與引線長度之間呈線性關(guān)系，比例系數(shù)為：。計算雷電流波頭斜率a=8.3×109A／s，雷電波在導(dǎo)線上的傳播速度v取 2.6×108A／s，代入計算得：。仿真計算得到的比例系數(shù)與理論分析結(jié)果較為接近，可以支持理論分析的結(jié)論。同時可以看到，由于該比例系數(shù)在10 kV／m的量級，每降低1 m的引線長度將降低10 kV左右的過電壓值，因而縮短避雷器引線長度對降低變電站侵入波過電壓水平效果顯著。

某500 kV變電站設(shè)計中提供兩種避雷器布置方案，如圖4所示。按照其提供的具體參數(shù)，在仿真計算的基礎(chǔ)上，同時考慮變電站內(nèi)其他設(shè)備的影響，分別驗算進(jìn)線避雷器“T”形布置與“一”形布置，當(dāng)雷擊1號桿塔發(fā)生反擊時，變電站內(nèi)各設(shè)備上的過電壓如表2所示。

圖4 某500 kV敞開式變電站進(jìn)線避雷器的布置

表2 不同布置形式時各設(shè)備上的最大電壓幅值對比kV

計算表明，避雷器的布置形式對設(shè)備上過電壓影響巨大。進(jìn)線避雷器與電壓互感器采用“一”形布置時，電壓互感器過電壓水平可降低9.6%，斷路器過電壓水平可降低9.13%。推薦敞開式變電站進(jìn)線避雷器與電壓互感器結(jié)合布置時采用“一”形布置。

3 結(jié)語

對于敞開式變電站，進(jìn)線避雷器采用“T”形布置時，站內(nèi)設(shè)備上的過電壓值與避雷線的引線長度大致呈線性關(guān)系。改變敞開式變電站進(jìn)線避雷器的布置形式，在進(jìn)線回路中將其呈“一”形布置；盡可能縮短避雷器引線長度對于降低變電站內(nèi)設(shè)備上的雷電侵入波過電壓水平具有十分積極的意義。根據(jù)EMTP仿真計算結(jié)果，500 kV變電站電壓互感器過電壓水平可降低9.6%，站內(nèi)其他設(shè)備上的過電壓水平也可降低6%~9%。

［1］張緯鈸.大型水電工程變電站雷電波保護(hù)和絕緣配合的研究［J］．水力發(fā)電，1995（3）：41-45.

［2］李妮，文習(xí)山.500 kV GIS電站仿真計算的影響因素研究［C］.中國電機(jī)工程學(xué)會高壓專委會2007年學(xué)術(shù)年會論文集，2007.

［3］衰兆祥，周洪偉.500 kV HGIS變電站雷電侵入波的計算分析［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（6）：71-75.

［4］周澤存，沈其工，方瑜，等.高電壓技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2007.

Analysis for the Layout of Entrance Line Arrester in Open Type Substions

GUO Yiguo1，WEI Xin2，LU Fumu1，XU Xiji2
（1.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；2.State Grid Zaozhuang Power Supply Company，Zaozhuang 277800，China）

On basis of the wave transmission theory，the equipment over-voltage of open type substations with"T"type entrance line arrester is analyzed.It is found out that the equipment over-voltage is linearly related to the length of arrester conductor.This is verified by EMTP program with the real data of 500 kV substation.The result shows that the over-voltage can be reduced up to 9.6%by means of“—”type.

arrester；layout；over-voltage of intruding surge；EMTP

TM863

B

1007－9904（2015）05－0038－03

2014-12-18

郭宜果（1986），男，工程師，從事輸變電工程設(shè)計研究工作；

魏鑫（1985），女，工程師，從事電網(wǎng)運行方式計劃工作；

盧福木（1981），男，工程師，從事輸變電工程工程設(shè)計研究工作；

徐希霽（1970），男，工程師，從事變電運維檢修工作。