程 翔

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 400040）

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)高效的遠(yuǎn)距離輸電，我國(guó)建設(shè)了越來(lái)越多的750 kV 高壓輸電線路，750 kV 變電站是其中重要的環(huán)節(jié)。通常750 kV 變電站建設(shè)在偏遠(yuǎn)空曠地區(qū)，并且?guī)У某鼍€回路多，線路長(zhǎng)度長(zhǎng)，容易受到雷電波侵入的影響，因此需要采取可靠措施進(jìn)行防雷保護(hù)。雷電侵入波過(guò)電壓計(jì)算可以檢驗(yàn)當(dāng)前防雷布置水平是否滿足設(shè)備絕緣要求，指導(dǎo)防雷方案的改進(jìn)。本文基于電磁暫態(tài)軟件ATP-EMTP 對(duì)某750 kV 變電站的雷電侵入波過(guò)電壓保護(hù)進(jìn)行研究。

1 計(jì)算模型和基本數(shù)據(jù)

針對(duì)不同的雷擊類型和位置，將雷電流作用在變電站出線的特定位置，對(duì)變電站出線的線路、避雷線及鐵塔和站內(nèi)的母線、連接線及主要電氣設(shè)備進(jìn)行建模，模擬一個(gè)等效的網(wǎng)絡(luò)。

1.1 電氣主接線

德令哈變電站750 kV 側(cè)采用一個(gè)半斷路器接線，遠(yuǎn)景進(jìn)出線回路共組成7 個(gè)完整串，帶4 臺(tái)主變10 回750 kV 出線，本期4 個(gè)完整串帶2 線2 變組成雙斷路器環(huán)形接線。750 kV 側(cè)主接線如圖1 所示。

1.2 雷電參數(shù)的模擬

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，雷電流的幅值超過(guò)1（kA）和發(fā)生的概率P 滿足關(guān)系[1]：

雷電流產(chǎn)生的概率隨雷電流幅值的增加而降低，在本站所處的地理位置，歷史情況統(tǒng)計(jì)表明，產(chǎn)生雷電流幅值為176 kA、200 kA 及216 kA 的概率分別為1%、0.53%及0.35%，幅值超過(guò)250 kA 的概率為0.14%。由于相關(guān)規(guī)程未做明確規(guī)定，偏嚴(yán)考慮采用216 kA 作為反擊計(jì)算中的雷電流。

圖1 變電站主接線圖

對(duì)于繞擊侵入波，在不同的線路幾何模型下，有不同的最大繞擊雷電流1m，幅值大于1m的雷電流不會(huì)繞擊導(dǎo)線，而是擊于避雷線或大地。根據(jù)相關(guān)資料，本站的2#桿塔1m最大14.9 kA，因此在計(jì)算中各桿塔的1m均按15 kA 計(jì)算。

雷電流的波形取2.6/50 μs 的三角波。雷擊塔頂時(shí)的過(guò)電壓高于擊于檔距中間，因此雷擊位置選取不同桿塔塔頂。反擊和繞擊的雷電通道波阻抗時(shí)分別取 300 Ω 和800 Ω。

1.3 進(jìn)線段模擬

進(jìn)線段的模擬影響雷電波傳導(dǎo)進(jìn)變電站的幅值和波形等，影響過(guò)電壓計(jì)算的準(zhǔn)確性。為了正確地計(jì)算波過(guò)程，采用多波阻抗模型模擬了德令哈750 kV 變電站的進(jìn)線段桿塔[2]。德令哈750 kV 變電站的進(jìn)線段 塔 型J1# 為51SDJ59-27，J2# 為51SJ53-30，J3# 為51SDJ59-30，J4#為51DJ59-33，桿塔結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 變電站進(jìn)線段雙回桿塔結(jié)構(gòu)圖

由于雷電波會(huì)隨傳輸距離增加而衰減，所以只需要考慮較近的幾號(hào)桿塔是否滿足要求，按照慣例選擇#1 ～#4 桿塔進(jìn)行計(jì)算，反擊位置為桿塔塔頂。桿塔的仿真根據(jù)桿塔的物理尺寸建立分布參數(shù)模型，圖2 中采用4 段模型，進(jìn)線段的線路構(gòu)成為雙回共6 相導(dǎo)線和雙避雷線，線路均采用分布參數(shù)線路模型。桿塔接地電阻設(shè)定為15 Ω，接地土壤電阻率120 Ω·m。

根據(jù)Q/GDW 152—2010《電力系統(tǒng)污區(qū)分級(jí)與外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，本站取爬電比距≥2.5 cm/kV，依系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓和爬電比距選擇絕緣子片數(shù)；根據(jù)導(dǎo)線荷載大小，本工程分別選用16 t 和21 t 強(qiáng)度的懸式絕緣子，型號(hào)為XSP-160 和XSP-210，單片絕緣子的爬電距離為550 mm，據(jù)此計(jì)算750 kV 絕緣子串片數(shù)為25×800/550=36.36。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，再考慮額外3 片零值絕緣子后，750 kV 絕緣子串片數(shù)取40 片。武高所對(duì)40 片XP-160絕緣子串進(jìn)行的正極性放電伏秒特性試驗(yàn)結(jié)果表明，其放電特性的擬合函數(shù)為：

線路和設(shè)備的外絕緣放電電壓需要根據(jù)海拔進(jìn)行修正，修正系數(shù)如公式（3）所示：

本變電站海拔為3 000 m，可由式（3）計(jì)算為1.25。

1.4 避雷器的型號(hào)選擇

計(jì)算中所采用的MOA 參數(shù)如表1 所示。母線和變壓器側(cè)MOA 的型號(hào)為Y20W 系列氧化鋅避雷器，高抗的MOA 的型號(hào)為Y5W5-132/320W 型金屬氧化物避雷器，本計(jì)算中偏嚴(yán)考慮，分別采用Y20W-600/1380型和Y20W-648/1491型避雷器進(jìn)行建模計(jì)算。

1.5 計(jì)算等值模型

在計(jì)算中，由于雷電波的折反射十分迅速，各電氣設(shè)備的電感、電阻特性還沒(méi)有建立起來(lái)即完成了波的折反射過(guò)程，所以在計(jì)算時(shí)將各個(gè)電氣設(shè)備，如變壓器、電容式電壓互感器（CVT）等均簡(jiǎn)化為該設(shè)備的入口電容[3-4]，如表2 所示。

表1 MOA 的伏安特性

表2 設(shè)備代號(hào)和其入口電容

1.6 計(jì)算選用的運(yùn)行方式

為了探究各設(shè)備在可能運(yùn)行的最嚴(yán)苛的條件下是否能滿足防雷絕緣要求，選擇一線一變的運(yùn)行方式進(jìn)行侵入波過(guò)電壓計(jì)算，此時(shí)吸收雷電波能量的設(shè)備最少，過(guò)電壓的幅值最高，MOV 吸收的能量也最多，可以對(duì)其容量進(jìn)行校驗(yàn)。根據(jù)本站的具體情況，選擇如下兩種最嚴(yán)苛的運(yùn)行方式計(jì)算雷電侵入波的最大過(guò)電壓。

運(yùn)行方式1：無(wú)母線運(yùn)行方式，4#主變經(jīng)斷路 器直接帶海西1 出線，其他設(shè)備斷開。

運(yùn)行方式2：有母線運(yùn)行方式，3#主變經(jīng)過(guò) 750 kV-I 母線帶海西2 一回出線，其他設(shè)備斷開。兩種運(yùn)行方式接線如圖3 所示。

圖3 兩種最嚴(yán)苛的運(yùn)行方式

2 過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果

計(jì)算步驟：（1）按擊于#1 ～#4 桿塔塔頂計(jì)算； （2）按2 種運(yùn)行方式計(jì)算；（3）按不同的工頻工作電壓幅值和相位計(jì)算。

按這3 種條件計(jì)算各設(shè)備上最高繞擊反擊過(guò)電壓峰值、避雷器電流峰值，如表3 所示。

3 設(shè)備的絕緣水平和絕緣裕度

根據(jù)湖北省電力勘測(cè)院提供的數(shù)據(jù)，在3 000 m 海拔下，電流互感器、斷路器及隔離開關(guān)等HGIS 設(shè)備的額定雷電沖擊耐受電壓為2 658 kV，變壓器為2 495 kV， 支柱絕緣子、避雷器及電壓互感器的額定雷電沖擊耐受電壓也為2 658 kV。

表3 最大侵入波過(guò)電壓

為保證防雷可靠性各設(shè)備的耐壓應(yīng)對(duì)過(guò)電壓留有一定裕度，根據(jù)慣例內(nèi)外裕度系數(shù)為1.15 和1.05，變壓器的額定雷電沖擊耐受電壓除以裕度系數(shù)可得內(nèi)外絕緣允許的雷電過(guò)電壓分別為2 169 kV 和2 376 kV；CVT、斷路器及電流互感器的內(nèi)絕緣允許的雷電過(guò)電壓為2 335 kV，外絕緣允許過(guò)電壓為2 557 kV；隔離開關(guān)、支柱絕緣子以及母線外絕緣允許的雷電過(guò)電壓為2 557 kV。各設(shè)備絕緣裕度均滿足要求。

4 結(jié) 論

（1）按當(dāng)前避雷器的數(shù)量和安裝位置，本期工程在最嚴(yán)苛的運(yùn)行方式下的最大侵入波過(guò)電壓，不超過(guò)各設(shè)備的絕緣水平并有較大裕度。主變上最大過(guò)電壓為1 686 kV，CVT 上最大過(guò)電壓為1 665 kV，DS 上最大過(guò)電壓為1 949 kV（出現(xiàn)在母線末端DS）。

（2）當(dāng)投運(yùn)線路多于一線一變時(shí)，由于更多的線路和設(shè)備對(duì)雷電流有分流作用，因此設(shè)備越多侵入波過(guò)電壓越低。當(dāng)前防雷布置能滿足各種運(yùn)行方式的防雷要求。

（3）采用區(qū)間組合統(tǒng)計(jì)法計(jì)算防雷可靠性，德令哈變電站本期工程750 kV 側(cè)接線按推薦的避雷器布置和設(shè)備雷電沖擊絕緣水平，平均無(wú)故障時(shí)間為1 861 年，大于要求值（1 000 年）。