萬成江， 邱曉燕， 邱 高， 閆天澤， 劉延博， 唐 可, 鄒龍輝

(1. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院， 智能電網(wǎng)四川省重點實驗室， 四川 成都 610065；2. 四川錦能電力設(shè)計有限公司， 四川 成都 610081)

高抗對500kV HGIS變電站防雷配置的影響分析

萬成江1， 邱曉燕1， 邱 高1， 閆天澤1， 劉延博1， 唐 可1, 鄒龍輝2

(1. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院， 智能電網(wǎng)四川省重點實驗室， 四川 成都 610065；2. 四川錦能電力設(shè)計有限公司， 四川 成都 610081)

在500kV HGIS變電站防雷分析中，線路高抗會對線路側(cè)電壓互感器(CVT)和GIS套管的雷電過電壓產(chǎn)生重大影響，以至于影響變電站的防雷保護配置，因此有必要對進線端設(shè)備的雷電過電壓進行仿真分析，以及優(yōu)化進線端設(shè)備的防雷保護配置。以某500kV HGIS變電站為例，采用國際通用的電磁暫態(tài)仿真計算程序EMTP，分析了高抗對變電站防雷配置的影響；研究了線路側(cè)避雷器的安裝位置對高抗以及線路側(cè)CVT的雷電過電壓水平的影響，結(jié)果表明避雷器安裝在高抗和CVT中間位置附近時，避雷器能同時保護高抗和CVT，并能提高進線端設(shè)備防雷的整體水平。根據(jù)仿真結(jié)果，提出了該變電站母線和高抗回路的防雷保護優(yōu)化配置方案。

HGIS變電站； 防雷保護； EMTP； 高抗； 避雷器

1 引言

在對500kV變電站防雷研究中發(fā)現(xiàn)，由于線路高抗的入口電容較大，雷電流會在高抗上產(chǎn)生較高的過電壓[1]。對于氣體絕緣組合式(GIS)變電站：①線路高抗距離GIS入口較近，一般為幾十米；②GIS套管的波阻抗遠小于架空線的波阻抗；③雷電流從架空線進入GIS反射波的極性與入射波極性相反。因此當高抗上的雷電過電壓還沒有達到峰值時，從GIS套管入口處返回的反射波已經(jīng)到達高抗，從而使得高抗上的雷電侵入波過電壓并不高[2]，且GIS變電站各設(shè)備的電氣距離較短，有利于整個變電站的防雷保護。對于進線端含有高抗的500kV GIS變電站防雷保護配置，往往采用在線路靠CVT側(cè)和主變側(cè)各安裝一組避雷器以及母線和高抗回路不安裝避雷器的配置方案。對于敞開式(AIS)變電站，站內(nèi)各設(shè)備相距較遠，高抗的雷電過電壓特別高，需要有特別的保護[3]。因此，對于500kV AIS變電站，往往在高抗、線路側(cè)CVT、母線以及主變側(cè)各安裝一組避雷器[4,5]。

介于GIS和AIS之間的新型混合式(HGIS)變電站的結(jié)構(gòu)與GIS變電站基本相同，但HGIS變電站母線為裸露的，可達幾百米長。當雷電波從含高抗的線路侵入時，變電站各設(shè)備的雷電過電壓會不同，尤其會對進線端設(shè)備產(chǎn)生很大的過電壓威脅[2]。一方面，母線的波阻抗與線路的波阻抗相差不大，雷電流從架空線進入母線后的反射波可忽略不計；另一方面，裸露的母線加大了高抗和GIS套管的距離，計算時采用的雷電流的波頭為2.6μs，當高抗上的雷電過電壓達到峰值時，從GIS入口處返回的反射波還沒到達高抗，這與GIS變電站的情況不同。線路高抗的雷電過電壓水平與進線端避雷器的安裝位置和數(shù)量有關(guān)，也受站內(nèi)設(shè)備復(fù)雜的折反射雷電波疊加的影響[6]，因此，對于500kV HGIS變電站各設(shè)備的雷電過電壓情況需要綜合考慮。

本文以某500kV HGIS變電站為例，采用國際通用的EMTP電磁暫態(tài)仿真計算程序，分析了線路高抗對變電站防雷配置的影響，以及線路側(cè)避雷器不同安裝位置對高抗和線路側(cè)CVT的過電壓水平的影響。根據(jù)仿真，提出了該變電站的防雷配置方案。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 雷電流

雷電放電過程分為先導(dǎo)過程和主放電過程。研究表明，先導(dǎo)通道具有分布參數(shù)的特征，可近似為一個具有電感、電容均勻分布參數(shù)的導(dǎo)電通道，波阻抗為Z0。其過程可以簡化為一個數(shù)學(xué)模型，將其考慮為一電流源，彼德遜等值電路如圖1所示。

圖1 雷電流源等值電路Fig.1 Equivalent circuit of lightning current source

本次計算選取概率為0.35%的雷電流，其幅值為216kA，雷電流的波形選擇為2.6/50μs[7]。反擊時，雷電通道的波阻抗Z0取300Ω[8]。

2.2 絕緣子串閃絡(luò)模型

絕緣子串的閃絡(luò)由絕緣子串的伏秒特性曲線和電壓曲線確定。如圖2所示，絕緣子串的伏秒特性曲線和電壓曲線的相交時刻t2為閃絡(luò)時刻，相交點電壓U2為閃絡(luò)電壓，且閃絡(luò)時刻和閃絡(luò)電壓都不是固定值。

圖2 絕緣子串的閃絡(luò)原理Fig.2 Flashover theory of insulator

對于500kV輸電線路，導(dǎo)線上絕緣子串處工頻電壓不可忽略。雷擊桿塔塔頂時，其絕緣子串的工頻電壓瞬時值不確定，考慮絕緣子串最易閃絡(luò)的情況，即雷擊發(fā)生時，導(dǎo)線上絕緣子串處的工頻電壓達到幅值，且極性與塔頂電位的極性相反。本次計算中，工頻電壓取輸電線路的相電壓峰值429kV[2]。

采用EMTP程序中的TACS(數(shù)值仿真)功能，考慮絕緣子串沖擊伏秒特性，并準確計算作用在絕緣子串上的過電壓，模擬絕緣子串閃絡(luò)過程。

2.3 輸電線計算模型

變電站的雷電侵入波分為繞擊和反擊。本文考慮雷電過電壓情況更嚴重的反擊波侵入方式[9]。反擊分為近區(qū)雷擊和遠區(qū)雷擊，離變電站2km及以外的為遠區(qū)雷擊，2km以內(nèi)的為近區(qū)雷擊。對于500kV變電站進線段，仿真計算時以雷擊1#～5#桿塔為近區(qū)雷擊，雷擊6#桿塔為遠區(qū)雷擊。

該500kV HGIS變電站的進線段采用雙避雷線，同桿單回五導(dǎo)線輸電系統(tǒng)。仿真中，采用ATP中LCC架空線路模塊仿真輸電線路，并選擇JMARTI模型。實測結(jié)果表明，JMARTI模型的計算結(jié)果與實際的結(jié)果較接近[10]。

站內(nèi)導(dǎo)線視為無畸變線，波阻抗為常數(shù)且不計電暈影響。站內(nèi)導(dǎo)線的波阻抗由式(1)決定：

ZC=60ln(ha/re)

(1)

式中，re為導(dǎo)體半徑；ha為導(dǎo)體平均高度。

對于SF6 GIS管線，忽略導(dǎo)體電阻的焦耳損耗，視其為理想的無損傳輸線。

GIS管道中導(dǎo)體的波阻抗為：

ZGIS=60ln(R/r)

(2)

式中，R為管道半徑；r為導(dǎo)體半徑。R/r通常大于或等于e，故GIS管線波阻抗在60～75Ω之間。本次計算，GIS管線波阻抗取65Ω[11]。

2.4 電暈?zāi)Ｐ?/p>

線路上產(chǎn)生的電暈是雷電波的衰減和畸變的主要因素。在研究變電站雷電過電壓時，應(yīng)將進線段電暈考慮進去。采用動態(tài)電容模擬電暈引起的衰減和變形[12]，基于線路的伏秒特性，用TACS 組合模型模擬電暈，如圖3所示。

圖3 電暈?zāi)Ｐ虵ig.3 Corona model

圖3中兩個DEVICES裝置分別為線路相對地、相與相之間發(fā)生起始電暈的判據(jù)。

2.5 避雷器模型

500kV輸電系統(tǒng)中已大量采用氧化鋅避雷器，本次研究的變電站采用兩種500kV金屬氧化鋅避雷器，分別為變電站型和線路型避雷器。

研究中避雷器采用IEEE Std C62.22-2009推薦的計算模型，在EMTP程序中用分段指數(shù)化的方法模擬避雷器的伏安特性[13]，其電氣特性見表1。

表1 氧化鋅避雷器的電氣特性Tab.1 Electrical characteristics of MOA

2.6 桿塔模型

從塔頂侵入桿塔的雷電流將在桿塔、避雷線、絕緣子串及導(dǎo)線、大地組成的系統(tǒng)中發(fā)生復(fù)雜的波過程。雷電波沿桿塔傳播時，不同位置桿塔的波阻抗是不同的。近幾年，國外一些專家使用多波阻抗來模擬輸電線路的桿塔，建立了桿塔的多波阻抗計算模型，其具體的等值電路如圖4所示。

圖4 桿塔的等值多波阻抗等值電路Fig.4 Equivalent distributed constant line model of transmission tower

主架每部分阻抗ZTk為：

(3)

rek=21/8(rTk1/3rB2/3)1/4(RTk1/3RB2/3)3/4

(4)

式中，k=1,2,3,4；hk為第k節(jié)橫擔(dān)的高度；RB、rB分別為桿塔塔基的內(nèi)直徑和外直徑；RTk、rTk分別為橫擔(dān)處桿塔的內(nèi)直徑和外直徑。

支架每部分的波阻抗ZLk為：

ZLk=9ZTk

(5)

桿塔橫擔(dān)波阻抗ZAk為：

(6)

2.7 變電站設(shè)備模型

站內(nèi)設(shè)備如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器等，在雷電波作用下均可等值為沖擊入口電容，它們之間由分布參數(shù)線段相隔[14]。站內(nèi)各設(shè)備的等值沖擊入口電容值見表2。

表2 變電站電氣設(shè)備過電壓計算等值參數(shù)Tab.2 Equivalent capacitance of equipments of station

3 運行方式

3.1 運行方式的選擇

某500kV HGIS變電站一次接線圖如圖5所示。

圖5 500kV HGIS變電站一次接線圖Fig.5 Wiring diagram of 500kV HGIS substation

變電站不同的運行方式對設(shè)備雷電過電壓水平影響較大。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)較簡單的運行方式的雷電過電壓較拓撲結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的運行方式更為嚴重[6]。一般認為，一線一變運行方式下設(shè)備的過電壓最為嚴重。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)最簡單的原則，分別確認各回線路的運行方式。該變電站有四回線路帶有高抗回路，分別為布拖(一)、布拖(二)、備用(五)以及備用(六)，分別對應(yīng)為運行方式一至運行方式四，共四種運行方式。以布拖(一)為例，一線一變運行方式下的計算等值電路如圖6所示。

圖6 布拖(一)進波的等值電路圖Fig.6 Equivalent circuit of Butuo (1)

3.2 避雷器的安裝位置

線路側(cè)避雷器的安裝點為距離線路側(cè)CVT 4m，距離高抗30m。高抗避雷器的安裝位置為距離高抗4m，距離線路側(cè)CVT30m。母線側(cè)避雷器的安裝位置為布拖(二)間隔兩端的母線處，距離母線上端66m。根據(jù)工程要求，各主變側(cè)均安裝避雷器，安裝位置為距離主變30m。

4 仿真分析

高抗對500kV HGIS變電站防雷計算的影響主要體現(xiàn)在對進線端設(shè)備、母線設(shè)備、GIS設(shè)備入口處。線路高抗離主變的電氣距離較遠，因此對主變的雷電過電壓影響不大。

仿真研究以下三個方面：①高抗對線路側(cè)CVT、母線的防雷保護的影響；②線路側(cè)避雷器的安裝位置對高抗和CVT雷電過電壓的影響；③對500kV HGIS變電站防雷保護配置方案分析。

4.1 高抗對線路側(cè)CVT、母線的防雷保護的影響

考慮以下三種保護配置情況：

(1)線路側(cè)CVT加裝避雷器，高抗和母線不加裝避雷器。

(2)線路側(cè)CVT和母線不加裝避雷器，高抗回路加裝避雷器。

(3)線路側(cè)CVT和高抗不加裝避雷器，母線加裝避雷器。

本文根據(jù)某500kV HGIS變電站實際參數(shù)，用EMTP軟件進行建模仿真。本次研究變電站各相鄰節(jié)點的最短電氣距離為1m，波速為光速，因此步長取0.001μs即可，仿真計算時間為50μs。雷擊點為進線段的2#～6#桿塔塔頂[6]，雷電過電壓檢測點為線路側(cè)CVT、高抗、GIS套管以及母線。由于母線長度達到了150m，所以母線上過電壓檢測點有三個，分別為雷電進波處以及母線兩端處。三種配置下各設(shè)備的雷電過電壓仿真結(jié)果見表3。

表3 各設(shè)備的雷電過電壓值Tab.3 Lightning over-voltage of each equipment

在三種配置下各設(shè)備的雷電過電壓最大值分別為1573.2kV、1501.8kV和1639.8kV，取站內(nèi)除變壓器以外設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓為1550kV，設(shè)備絕緣裕度參考IEC71-2標準，內(nèi)絕緣裕度取1.15，則各設(shè)備允許的最大過電壓為1348kV。三種配置下都存在設(shè)備過電壓超標的情況。因此，可得以下三個結(jié)論：①線路側(cè)的避雷器不管是安裝在高抗回路還是CVT處，都不能有效保護進線端設(shè)備；②線路側(cè)安裝的避雷器不能保護母線及母線上設(shè)備；③母線上避雷器距離線路側(cè)CVT和高抗都比較遠，不能起到保護作用，但可以有效降低GIS套管處的過電壓值。

4.2 線路側(cè)避雷器的安裝位置對線路側(cè)CVT和高抗的雷電過電壓的影響

在實際工程中，線路側(cè)避雷器安裝在離線路側(cè)CVT較近的位置，這樣往往不能保護高抗回路，且對進線端設(shè)備的防雷水平也沒有優(yōu)化考慮。本研究考慮四種運行方式下母線側(cè)均不安裝避雷器的情況，調(diào)整線路側(cè)避雷器的安裝位置(高抗與線路側(cè)CVT的電氣距離為28m)，線路側(cè)CVT和高抗的雷電過電壓仿真結(jié)果見表4。

表4 線路側(cè)避雷器不同安裝位置下各設(shè)備的過電壓值Tab.4 Over-voltage of each equipment by change installation location of arrester next to line

由表4可得，當避雷器的安裝位置在靠近高抗、遠離線路側(cè)CVT的過程中，高抗處的雷電過電壓逐漸降低，CVT處的雷電過電壓逐漸升高；當避雷器安裝在它們中間位置附近(距離高抗14m)時，避雷器能同時有效地保護高抗回路和線路側(cè)CVT。

因此，從變電站防雷的可靠性和經(jīng)濟性出發(fā)，合理調(diào)整線路側(cè)避雷器的位置，可使線路側(cè)避雷器有效保護線路側(cè)CVT和高抗。

4.3 防雷保護配置選擇

由表2可知，單獨的避雷器配置方案不能滿足變電站的防雷要求，所以考慮母線與進線端設(shè)備相互配合加裝避雷器的方案，考慮以下三種配置：

(1)線路側(cè)CVT加裝避雷器，母線加裝避雷器，高抗不加裝避雷器。

(2)高抗加裝避雷器，母線加裝避雷器，線路側(cè)CVT不加裝避雷器。

(3)高抗、線路側(cè)CVT和母線都加裝避雷器。

以四種運行方式為例，三種配置下各設(shè)備的最大過電壓值仿真結(jié)果見表5。

由表5可知，配置(1)方式下高抗的過電壓達到了1638kV，不滿足設(shè)備的絕緣要求；在配置(2)和配置(3)下，各設(shè)備的最大雷電過電壓分別為1329kV和1158kV，滿足該變電站設(shè)備絕緣要求，因此配置(2)與配置(3)是可行的。

配置(2)比配置(3)少裝一組避雷器，更經(jīng)濟。因此，從變電站防雷的可靠性和經(jīng)濟性出發(fā)，高抗和母線側(cè)安裝避雷器的配置方案能有效滿足該500kV HGIS變電站的防雷要求。

在配置(2)下，線路側(cè)CVT的最大雷電過電壓達到了1329kV，遠高于其它設(shè)備的過電壓，這是因為線路側(cè)避雷器安裝位置離線路側(cè)CVT距離較遠(30m)。調(diào)整線路側(cè)避雷器的安裝位置，使進線端

表5 三種配置下各設(shè)備的雷電過電壓值Tab.5 Lightning over-voltage of each device under three configurations

設(shè)備的最大過電壓值降低?？紤]優(yōu)化配置方案，即將高抗回路的避雷器安裝在高抗和線路側(cè)CVT的中間位置處(距離高抗14m)。在配置(2)和優(yōu)化配置方案下，各設(shè)備的雷電過電壓值見表6。

表6 兩種配置下各設(shè)備的雷電過電壓值Tab.6 Lightning over-voltage of each device under two configurations

在配置(2)下，各設(shè)備的最大過電壓為1329kV，其絕緣裕度為16.63%。采用優(yōu)化方案時，雖然高抗的雷電過電壓最大值從1078kV上升到1131kV，但與設(shè)備允許的最大過電壓值1384kV仍有不小差距，而線路側(cè)CVT的雷電過電壓最大值從1329kV降到了1136kV，其絕緣裕度從16.63%提高到36.44%，且優(yōu)化方案下各設(shè)備的絕緣裕度最小值為35.96%?？梢?，優(yōu)化方案下，設(shè)備整體絕緣裕度比配置(2)方案有很大提升，把高抗避雷器安裝在高抗和線路側(cè)CVT中間位置時，有利于提高進線端設(shè)備防雷的整體水平。

5 結(jié)論

本文以某500kV HGIS變電站為對象，用EMTP仿真軟件分析了線路高抗對變電站進線端設(shè)備和母線的雷電過電壓保護的影響，研究了進線端防雷保護配置的優(yōu)化方案，提出了該500kV HGIS變電站的防雷保護配置。根據(jù)仿真得出以下結(jié)論。

(1)當母線不安裝避雷器時，線路側(cè)避雷器不能有效保護高抗回路，高抗回路安裝的避雷器也不能保護線路側(cè)CVT。

(2)當線路側(cè)避雷器安裝在高抗和線路側(cè)CVT中間位置附近時，線路側(cè)避雷器能同時保護高抗和線路側(cè)CVT，且有助于提高進線端設(shè)備的防雷水平。

(3)對于500kV HGIS變電站的防雷保護，需采用高抗回路安裝一組線路型避雷器、母線和主變各安裝一組變電站型避雷器的配置方案，且高抗回路避雷器最好安裝在高抗與線路側(cè)CVT的中間位置。

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Analysis of impacts of reactor on 500kV HGIS substation lightning protection calculation

WAN Cheng-jiang1, QIU Xiao-yan1, QIU Gao1, YAN Tian-ze1, LIU Yan-bo1, TANG Ke1, ZOU Long-hui2

(1. Key Laboratory of Sichuan Province of Smart Grid, School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2. Sichuan Jinneng Electric Power Design Co. Ltd., Chengdu 610081, China)

In the analysis of 500kV HGIS substation lightning protection, the line’s shunting reactor has impacts on the lightning over-voltage of line’s CVT and the GIS, so the whole substation’s lightning protection scheme will be changed. It is necessary to analyze the lightning over-voltage of the line end equipments, and to optimize the lightning protection scheme. Take a 500kV HGIS substation as example and use the Electromagnetic Transient Program(EMTP) as simulation tool, the impacts of line’s shunting reactor on substation lightning protection are analyzed. And also the effects of installation position of the lightning arrester on lightning over-voltage level of the reactor and line’s CVT are studied. The results show that when the lightning arrester is installed in the middle of the reactor and CVT, the lightning arrester can both protect the reactor and CVT, and improve the lightning protection level of the station. Based on the research, the bus bar and line’s reactor need to install a lightning arrester.

HGIS substation; lightning protection; Electromagnetic Transient Program (EMTP); reactor; lightning arrester

2015-06-23

萬成江(1988-)， 男， 重慶籍， 碩士研究生， 研究方向為高壓絕緣技術(shù)、 變電站防雷保護； 邱曉燕(1964-)， 女， 四川籍， 教授， 碩士生導(dǎo)師， 研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和計算。

TM81

A

1003-3076(2016)04-0049-07