王 亮，賈東瑞，屈彥明，趙東成

（河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031）

0 引言

特高壓變電站是整個(gè)電力系統(tǒng)的樞紐站，一旦雷擊損壞，將直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此變電站要求有可靠的防雷保護(hù)措施。變電站遭受雷害來(lái)自?xún)煞矫妫褐睋衾祝蠢字睋糇冸娬?，造成設(shè)備損壞；雷電侵入波，即雷擊中輸電線(xiàn)路桿塔或避雷線(xiàn)，造成絕緣子閃絡(luò)或者雷擊導(dǎo)線(xiàn)，侵入波沿著線(xiàn)路傳進(jìn)變電站。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)由于雷擊造成設(shè)備損壞的主要因素是雷電侵入波過(guò)電壓［1－3］。

以下利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件ATPEMTP，對(duì)典型1 000kV 特高壓GIS變電站的雷電侵入波過(guò)電壓進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算研究，著重分析影響變電站內(nèi)主要電氣設(shè)備過(guò)電壓水平及分布的各種因素，并對(duì)避雷器初始配置方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算與分析。

1 系統(tǒng)參數(shù)

以國(guó)內(nèi)某1 000kV 特高壓GIS變電站為例，利用ATP－EMTP 建立完善的計(jì)算模型。雷電模型、進(jìn)線(xiàn)段線(xiàn)路模型、絕緣子閃絡(luò)模型、避雷器模型均根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。變電站內(nèi)的設(shè)備，如變壓器、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、互感器、電抗器等均采用等值沖擊入口電容表示。

1.1 特高壓變電站主接線(xiàn)

該變電站1 000kV 配電裝置側(cè)采用3／2接線(xiàn)方式。本期工程建設(shè)4回出線(xiàn)及1號(hào)、2號(hào)主變壓器，配成2個(gè)完整串及2個(gè)不完整串。其中3回線(xiàn)路裝有1 000kV 高壓電抗器。圖1為變電站電氣主接線(xiàn)圖。以該變電站的電氣主接線(xiàn)方式及設(shè)備選型作為典型算例，進(jìn)行雷電侵入波過(guò)電壓的分析計(jì)算。

1.2 雷電流參數(shù)

我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦雷電流幅值概率曲線(xiàn)可用下式表示：logP＝－I／88，其中，P表示幅值等于和大于I（kA）的雷電流概率。

圖1 1 000kV 特高壓變電站電氣主接線(xiàn)示意

按慣用法進(jìn)行反擊計(jì)算時(shí)可根據(jù)變電站防雷可靠性要求，選取某一累積概率下的幅值。對(duì)于正常運(yùn)行方式，其反擊雷電流計(jì)算值取為250kA；對(duì)于繞擊方式，可根據(jù)電氣幾何模型求出最大的繞擊電流Im。

表1列出了該變電站1 000kV 側(cè)地面傾斜角按3°考慮時(shí)，采用電氣幾何模型計(jì)算出的最大繞擊電流值和計(jì)算選取的繞擊電流值。

表1 1 000kV側(cè)進(jìn)線(xiàn)段最大繞擊電流

1.3 進(jìn)線(xiàn)段模擬

該變電站進(jìn)線(xiàn)段采用同桿雙回塔架設(shè)?？紤]近區(qū)雷擊和遠(yuǎn)區(qū)雷擊，根據(jù)桿塔的具體情況，反擊和繞擊的雷擊點(diǎn)均選在線(xiàn)路的1－5號(hào)桿塔塔頂。進(jìn)線(xiàn)段的導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為8×LGJ－630／45，地線(xiàn)型號(hào)為JLB40－185。

輸電線(xiàn)采用單相導(dǎo)線(xiàn)和雙避雷線(xiàn)構(gòu)成的多導(dǎo)線(xiàn)耦合系統(tǒng)，用多相分布參數(shù)線(xiàn)路模擬。同桿雙回塔按自然尺寸用多段分布參數(shù)模擬［4－5］。特高壓進(jìn)線(xiàn)段桿塔尺寸、塔型見(jiàn)圖2。

1.4 避雷器（MOA）布置方案

通過(guò)研究，1 000kV 特高壓避雷器可選用額定電壓為828kV 的氧化鋅避雷器。線(xiàn)路CVT 和線(xiàn)路高壓電抗器共用一組避雷器，主變壓器側(cè)裝設(shè)一組避雷器。由于本期僅上四回出線(xiàn)，在本期初步計(jì)算時(shí)GIS 母線(xiàn)按暫不裝設(shè)避雷器布置，計(jì)算該變電站本期各設(shè)備上的雷電過(guò)電壓。避雷器的伏安特性如圖3所示。

圖2 進(jìn)線(xiàn)段桿塔尺寸

圖3 避雷器伏安特性曲線(xiàn)

2 系統(tǒng)模型

2.1 計(jì)算等值圖

在計(jì)算中，變電站設(shè)備如特高壓變壓器、電容式電壓互感器（CVT）、GIS內(nèi)部的斷路器、電流互感器、隔離開(kāi)關(guān)和母線(xiàn)電壓互感器等均采用該設(shè)備的入口電容，各設(shè)備的入口電容數(shù)值見(jiàn)表2。

GIS波阻抗取值95 Ω，波速為250 m／μs。GIS到變電站設(shè)備間連線(xiàn)波阻抗取250Ω，波速為300m／μs。

由此得到該變電站1 000kV 側(cè)雷電侵入波計(jì)算電氣等值圖見(jiàn)圖4。

表2 各設(shè)備的入口電容數(shù)值

圖4 1 000kV 側(cè)雷電侵入波計(jì)算電氣等值示意

2.2 計(jì)算選用的運(yùn)行方式

該變電站1 000kV 側(cè)本期正常運(yùn)行方式為四線(xiàn)兩變。計(jì)算選用的運(yùn)行方式除正常運(yùn)行方式外，一般可按線(xiàn)路N－1 和N－2 選擇［6］。選擇運(yùn)行方式的依據(jù)為使得變電站運(yùn)行元件數(shù)量最少以及雷電侵入波經(jīng)過(guò)GIS母線(xiàn)最長(zhǎng)。研究中偏嚴(yán)考慮選“一線(xiàn)一變”以及“兩線(xiàn)一變”中最嚴(yán)重運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算。選用的運(yùn)行方式編號(hào)和電氣接線(xiàn)簡(jiǎn)圖見(jiàn)表3。

3 雷電侵入波過(guò)電壓計(jì)算

3.1 設(shè)備絕緣允許過(guò)電壓

根據(jù)研究結(jié)果［7］，高壓電抗器與變壓器的內(nèi)絕緣雷電沖擊耐受電壓為2 250kV，外絕緣雷電沖擊耐受電壓為2 400kV，其余設(shè)備的內(nèi)外絕緣雷電沖擊耐受電壓為2 400kV。

考慮絕緣裕度，“一線(xiàn)一變”及“兩線(xiàn)一變”運(yùn)行方式下，內(nèi)絕緣取1.15，外絕緣取1.05，則變壓器和高壓電抗器內(nèi)絕緣允許過(guò)電壓為1 956kV，其余設(shè)備的內(nèi)絕緣允許過(guò)電壓為2 087kV，1 000kV設(shè)備的外絕緣允許過(guò)電壓為2 286kV。

表3 本期最嚴(yán)重運(yùn)行方式電氣接線(xiàn)簡(jiǎn)圖

3.2 繞擊侵入波過(guò)電壓

該變電站1 000kV 側(cè)本期建設(shè)2臺(tái)主變壓器及4回出線(xiàn)，配成2個(gè)完整串及2個(gè)不完整串。由于本期所建設(shè)母線(xiàn)較短，初步計(jì)算時(shí)按母線(xiàn)不裝設(shè)避雷器計(jì)算。計(jì)算時(shí)，繞擊電流按表1選取。表4列出了雷電流繞擊于1－5號(hào)塔時(shí)變電站各設(shè)備上的繞擊侵入波過(guò)電壓最大值。

表4 本期繞擊侵入波過(guò)電壓（母線(xiàn)無(wú)避雷器）

由表4可以看出，本期工況下，線(xiàn)路高壓電抗器與線(xiàn)路CVT 共用一組避雷器，主變壓器側(cè)布置一組避雷器，母線(xiàn)不裝設(shè)避雷器時(shí)，“一線(xiàn)一變”及“兩線(xiàn)一變”最嚴(yán)苛工況下變電站各設(shè)備繞擊侵入波過(guò)電壓值均能滿(mǎn)足絕緣裕度的要求。

3.3 反擊侵入波過(guò)電壓

對(duì) 于1 000kV 變 電 站，1 000V 進(jìn) 線(xiàn) 段 線(xiàn) 路的絕緣水平較高，一般不發(fā)生反擊閃絡(luò)，沿進(jìn)線(xiàn)段傳入變電站的主要是感應(yīng)過(guò)電壓，其幅值較低。表5列出了本期母線(xiàn)未裝設(shè)避雷器時(shí)，正常運(yùn)行時(shí)最嚴(yán)重運(yùn)行方式下的反擊侵入波過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果。從表中可以看出，本期正常運(yùn)行方式下各設(shè)備反擊侵入波過(guò)電壓幅值均較低，均能滿(mǎn)足絕緣裕度要求。

表5 本期反擊侵入波過(guò)電壓（母線(xiàn)無(wú)避雷器）

4 絕緣水平校驗(yàn)

4.1 最大侵入波過(guò)電壓

表6列出了該變電站本期工況下運(yùn)行時(shí)，主變壓器上安裝一組額定電壓828kV 避雷器，線(xiàn)路CVT 與高壓電抗器共用一組避雷器，母線(xiàn)上不裝設(shè)避雷器時(shí)，最嚴(yán)重運(yùn)行方式下的最大侵入波過(guò)電壓。

表6 本期最大侵入波過(guò)電壓（母線(xiàn)無(wú)避雷器）

4.2 絕緣水平校驗(yàn)

表7列出了該變電站本期運(yùn)行時(shí)推薦的設(shè)備絕緣水平和相應(yīng)的絕緣配合裕度對(duì)于設(shè)備絕緣裕度，IEC 60071－2標(biāo)準(zhǔn)和GB／T 311－2推薦：對(duì)內(nèi)絕緣，正常運(yùn)行方式裕度系數(shù)取1.15，單線(xiàn)運(yùn)行方式裕度系數(shù)取1.1；外絕緣的裕度系數(shù)取1.05。該變電站所處海拔高度低于1 000m，可不進(jìn)行海拔修正。

表7 設(shè)備絕緣水平校驗(yàn)

由表7可以看出，該變電站本期的設(shè)備絕緣額定雷電沖擊耐受電壓值均有較大的裕度，能夠滿(mǎn)足雷電侵入波過(guò)電壓的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)仿真分析可知，該變電站1 000kV 配電裝置均采用額定電壓為828kV 的避雷器，變壓器側(cè)裝設(shè)一組避雷器，出線(xiàn)回路CVT 與高壓電抗器共用一組避雷器，本期母線(xiàn)不裝設(shè)避雷器。此種避雷器布置方案優(yōu)化了站內(nèi)設(shè)備布置和工程投資，按“一線(xiàn)一變”方式運(yùn)行情況，本期各設(shè)備上的反擊、繞擊侵入波過(guò)電壓水平均在絕緣允許范圍內(nèi)，可以滿(mǎn)足在出現(xiàn)雷電侵入波工況下變電站設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

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