張瑞敏 章海亮 杜焱喆

摘要：500kV變電站是電力系統(tǒng)重要組成部分，當(dāng)遇到雷電災(zāi)害將造成電力系統(tǒng)大范圍的癱瘓.因此合理配置500kVGIS變電站防雷方案至關(guān)重要.本文通過對影響變電站雷擊過電壓的因素：運(yùn)行方式、雷擊點、工頻電壓、桿塔接地電阻、MOV與主變之間的電氣距離.研究變電站內(nèi)各設(shè)備的仿真模型，將變電站與進(jìn)線部分結(jié)合起來考慮，通過EMTP-ATP建立整體模型后仿真分析.提出某新建500kV變電站雷電侵入波具體防護(hù)方案，同時滿足絕緣裕度和經(jīng)濟(jì)性的要求.

關(guān)鍵詞：500kVGIS變電站;雷電過電壓;ATP-EMTP

中圖分類號：TM86? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）06-0067-05

作為電力系統(tǒng)樞紐的500kV變電站，一旦遇到雷電災(zāi)害將影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行.雷擊線路的概率遠(yuǎn)大于雷擊變電站，沿線路侵入變電站的雷電過電壓很常見，因此對500kV變電站進(jìn)行雷電侵入波過電壓仿真分析十分有必要.本文以某新建500kVGIS變電站研究對象，根據(jù)相關(guān)規(guī)程[1]-[3]，結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗值，利用ATP-EMTP，考慮運(yùn)行方式、設(shè)備參數(shù)、雷擊點、桿塔類型及接地電阻、工頻電壓等因素建立系統(tǒng)模型后進(jìn)行仿真，仿真計算中變壓器等設(shè)備滿足安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)：電氣設(shè)備上出現(xiàn)的過電壓不超過他們的雷電沖擊絕緣水平，且站內(nèi)各電氣設(shè)備的保護(hù)裕度在15%以上[4].根據(jù)仿真結(jié)果結(jié)合考慮經(jīng)濟(jì)性能給出該新建變電站最佳防雷配置方案.

1 仿真模型的建立

一般我國雷暴日超過20的地區(qū)雷電峰值的概率分布為：

Lgp=-? （1-1）

式1-1中：p中為雷電流幅值超過I的概率，I為雷電流幅值，kA.

本文雷電波形按DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)取2.6/50μs斜角波，取等值波形為最接近設(shè)計雷電波形的雙指數(shù)波[4].雷電通道波阻抗反擊取300Ω，繞擊取800Ω[5].選取負(fù)極性的雷電流最大值為250KA，概率為1.442‰.在ATPDraw中的仿真模型如圖1-1所示.閃絡(luò)模型運(yùn)用的是ATPDraw中電壓閥值模型調(diào)用ATPDraw自帶flash.sup如圖1-21所示.

該500kV電站中#0塔為門架塔，#1、#2為耐張塔、#3～#6為懸掛塔;在ATPDraw中的仿真圖形[6]如圖1-3、1-4、1-5示.本文中#0桿塔的接地電阻為7Ω，#1～#6桿塔的接地電阻為10Ω.桿塔的波速為2.5×108m/s.

采用ATPDraw中用非線性電阻來模擬MOV.MOV的參數(shù)如下表1-1示.

在仿真過程中考慮工頻電壓的影響，在仿真模型中加入了工頻電流，使其通過三相電路與進(jìn)線相連，調(diào)整初相角，全面分析工頻電壓對電過電壓的影響[7]500kV的系統(tǒng)中，最高工作電壓為550kV，單相的電壓峰值為449kV.剛開始初相角設(shè)置為0°，三相正序，B、C相的初相角分別為240°、120°.頻率為50Hz[8].在ATPDraw中用AC3PH模擬，雙擊圖標(biāo)設(shè)置參數(shù).

輸電線路以該變電站2km進(jìn)線部分為研究對象，采用單回三相二線輸電線路，水平排列，上面設(shè)有雙避雷線.兩根地線型號為GJ-80.

本文中使用的J.Marti模型是目前應(yīng)用最廣的具有頻率相關(guān)參數(shù)的線路模型[9].輸電線路采用的導(dǎo)線型號參數(shù)如表1-2示.

對于站內(nèi)的設(shè)備連接線及母線則采用單相無損分布參數(shù)線路模型，用波阻抗Z和波速V表示.輸電線路導(dǎo)線和避雷線的電氣參數(shù)在表1-3示.

設(shè)備連接線及母線波阻抗取中Z=65Ω，波速為光速.仿真研究和絕緣配合研究時，對站內(nèi)一些重要高壓電器都可用入口電容表示.變壓器用入口電容來模擬，公式如下[10]：

CT=k? ?（1-2）

CT為變壓器入口電容，k為比例系數(shù)，對500kV變壓器取940.

為保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行一定留有配合系數(shù)即安全系數(shù).規(guī)程規(guī)定變壓器雷電耐受電壓為1425kV，其他為1550kV.按標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)絕緣為1.15，外絕緣為1.05，則允許通過的電壓為1239kV（變壓器B），1348kV（CVT、REA、GIS、CT）.絕緣裕度的計算公式如下[11]：

K%=×100%? ?（1-3）

其中K%為絕緣裕度，BIL為雷擊時變電站高壓電器上的耐受電壓，kV，Umax為雷擊時高壓電器上最大電壓，kV.

2 仿真計算分析

該變電站的主接線圖如圖2-1所示，整個變電站進(jìn)線有四回：雙珠I、雙珠II、雙港I、雙港II，對站內(nèi)設(shè)備供電.其中雙珠I、雙珠II并聯(lián)有電抗器REA.

本文將近區(qū)雷作為重點研究部分，2km之外的雷擊不進(jìn)行分析.#2桿塔有較高的侵入波過電壓[12].故將雷擊位置選擇#2塔.

桿塔接地電阻是關(guān)系線路耐雷水平的關(guān)鍵因素，本文取經(jīng)驗值門塔接地電阻取7Ω，塔腳接地電阻取10Ω.

考慮最極端的單線單母單變的運(yùn)行方式，研究雙港Ⅱ線經(jīng)Ⅱ母給#2號變壓器供電、雙珠Ⅰ線經(jīng)Ⅱ母給#2號變壓器供電.運(yùn)行ATPDraw得到各設(shè)備的過電壓波形.雙港Ⅱ線經(jīng)Ⅱ母給#2號主變供電仿真如圖2-2.

根據(jù)公式（1-3），由雷擊時變電站高壓電器上耐受電壓，和雷擊時高壓電器上最大電壓，計算出絕緣裕度k%，如圖2-3可知雷擊#2塔時，最大電壓達(dá)到6.4MV遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)備的絕緣水平.如圖2-4可知變壓器上的過電壓達(dá)到了1372kV只有3.7%遠(yuǎn)低于15%，必須采取相應(yīng)措施.如圖2-5主變側(cè)CVT5上的過電壓達(dá)到1275kV，絕緣裕度為17.74%滿足15%的絕緣裕度.GIS上的過電壓波形如圖2-6過電壓為1148kV，絕緣裕度為25.94%滿足15%的要求.如圖2-7MOV5上的電流14.02KA，MOV9上的電流比較大達(dá)到了19.91KA，快超過避雷器的耐受值.

3 配置最佳防雷方案

考慮極端的單線單母單變的運(yùn)行方式，及帶電抗器和不帶電抗器運(yùn)行的兩種方式.研究雙港Ⅱ線經(jīng)Ⅱ母給#2號變壓器供電、雙珠Ⅰ線經(jīng)Ⅱ母給#2號變壓器供電，運(yùn)行方式及符號表如表3-1所示.

OP1運(yùn)行方式下防雷方案及設(shè)備過電壓情況如下表3-2示.

根據(jù)表3-2中可知C方案下設(shè)備的過電壓和MOV上最大電流都是最小的.但是C方案是使用MOV最多的不符合經(jīng)濟(jì)性的要求.B方案下設(shè)備的過電壓比A方案要低，且MOV的數(shù)值合適滿足經(jīng)濟(jì)性的要求.根據(jù)（1-3）計算B方案設(shè)備絕緣裕度分別為B為33.26%;CVT為26.9%;GIS為26.45%;均滿足絕緣裕度的要求MOV上最大電流為9.48KA遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20KA.該運(yùn)行方式下雷電防護(hù)采取方案B.OP2運(yùn)行方式下防雷方案及過電壓情況如表3-3示.

從表3-2知.方案D各設(shè)備上的過電壓水平最低，但是所用MOV的器件數(shù)太多.不能滿足經(jīng)濟(jì)性.綜合考慮過電壓水平和經(jīng)濟(jì)性還是方案C最合適.各設(shè)備的絕緣裕度為CVT 31.29%;GIS 30.58%;REA 34.26%;B 33.61%滿足絕緣裕度15%的要求.MOV上最大電流為8.52KA遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20KA.所以采取方案C最合適.在過電壓最嚴(yán)重的單母單線單變且未并聯(lián)REA采用表3-2中的方案B，有REA的情況則采用3-3中的方案C.即滿足絕緣裕度的要求又經(jīng)濟(jì)合理.

在考慮反擊、繞擊情況下上的防雷方案在繞擊時是否也能適用，絕緣裕度表如表3-4示.

表3-4可知，在OP1、OP2方式下運(yùn)行B、C方案在該變電站單線單母單變反擊時各設(shè)備上的過電壓均滿足絕緣裕度，且都在20%以上.MOV上最大電流均10KA以下.因此B、C方案的可行性高;繞擊時各高壓電器上的過電壓均不超過耐受電壓（1425kV、1550kV），且絕緣裕度均在18%以上.MOV上最大電流均小于20KA.所以該防雷方案在繞擊的情況下也適用.

4 結(jié)論

經(jīng)仿真分析得出500kV變電站防雷方案如下：未并聯(lián)REA單線單母單母運(yùn)行方式下，在進(jìn)線部分加線路型MOV，母線上加電站型MOV，主變側(cè)加電站型MOV;并聯(lián)REA的各種單線單母單變方式下運(yùn)行防雷措施是進(jìn)線部分加線路型MOV，母線上加電站型MOV，主變側(cè)加電站型MOV，REA加線路型MOV.雖然這種方案比上中方案中多加了MOV，但是有效防止REA上的過電壓接近它的耐受電壓，保障REA安全可靠的運(yùn)行.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕DL/T5352-2206高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].北京：中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，2006.

〔2〕DL/T620-1997交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].北京：中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，1997.

〔3〕GB/T50064-2014交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計規(guī)范[S].北京：中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2014.

〔4〕徐開仁.800kV特高壓直流輸電線路綜合耐雷性能研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

〔5〕張睆曦，符晏，徐婷婷，等.500kV變電站雷電波侵入過電壓建模與分析[J].電力學(xué)報，2014（06）：505-509.

〔6〕吳文輝.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算與EMTP應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2012.72-77.

〔7〕莊秋月.1000kV變電站雷電侵入波的分析研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

〔8〕Christoudoulou C A，Perantzakis G，Spanakis G E， et al.Evaluation of lightning performance of tranmission lines protected by metal oxide surge arresters using artificial intelligence techniques[J].Energy Systems.2012，3（4）：329-399.

〔9〕楊光照，黃繁朝.500kV變電站雷電侵入波保護(hù)探究[J]技術(shù)與市場2015（11）：161.

〔10〕李洪濤.ATP-EMTP及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2016.

〔11〕胡勁松.貝杰龍算法在墨江500kV變電站雷擊過電壓計算中的應(yīng)用[D].四川大學(xué)，2005.

〔12〕Stojkovic Z，Savic M S.The high-voltage substation configuration influence on the estimated lightning performance[J] Electrical Engineering.1997，80（4）;275-283.

〔13〕Boufenneche L.Nekhoul B.Kerroumk. Analysis of the response to a lightening strike of a towers cascade equiped with its grounding system [J] Electrical Engineering，2014，96（3）：211-225.