陳 功，段 濤，許 ，陳 柏 森，曹 陽，肖 軍

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.重慶長電聯(lián)合能源有限責任公司，重慶 401121)

1 研究背景

2013年，中國提出了“一帶一路”倡議，從此，中國企業(yè)“走出去”的步伐得以加速。厄瓜多爾特殊的地理位置，使其成為中國企業(yè)到達拉美國家的第一站[1-3]。厄瓜多爾擁有豐富的水電資源，其中裝機容量1 500 MW的科卡科多-辛克雷水電站為500 kV互聯(lián)系統(tǒng)和項目中230 kV系統(tǒng)提供電源。

據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)50%以上的事故由雷電災害造成[4]。雷電作為十大自然災害之一，嚴重影響著變電站的安全穩(wěn)定運行，400 kV以下變電站設備的絕緣配合主要由雷電過電壓決定[5-7]。

因此，筆者采用國際通用的電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP-RV，選取工程中新建的230 kV EPF變電站作為研究對象。根據(jù)該變電站的電氣主接線圖、電氣總布置圖與斷面圖，對變電站雷電過電壓計算模型進行了建模。同時，考慮到工頻電源電壓、進線段桿塔布線結(jié)構(gòu)以及絕緣水平等影響因素，對雷電波不同侵入方式、不同雷擊點、變電站不同運行方式下設備上產(chǎn)生的雷電過電壓進行了仿真計算，并對站內(nèi)設備進行了雷電沖擊絕緣配合的校核。

2 仿真模型

2.1 變電站電氣主接線

該水電站新建的230 kV EPF變電站在230 kV側(cè)采用GIS雙母線接線的方式，230 kV系統(tǒng)母線有2條送出線路(同塔雙回)到CPT變電站與SHUSHUFINDI，以及有2條變壓器進線回路。230 kV EPF變電站的主接線圖如圖1所示，由圖1可知，各進線間隔與變壓器間隔配有一組MOA，額定電壓Ur=200 kV，沒有配置母線避雷器。

圖1 230 kV EPF變電站主接線示意Fig.1 Main connection of 230 kV EPF substation

2.2 計算條件

2.2.1計算選取的運行方式

一般情況下，變電站投運設備越少，則雷電泄放通道越少，因此雷電侵入波過電壓越嚴重。但由于EPF變電站出線均為同塔雙回線路，雷擊時，如果2回線路均閃絡，則侵入變電站的雷電流相較于單回線路時將會增大，雷電侵入波過電壓可能也會隨之變大。為了驗證以上結(jié)論，計算所用的變電站運行方式如表1所列。

表1 計算采用的變電站運行方式Tab.1 Operation mode of substation in calculation

2.2.2雷擊點位置選取

在變電站的侵入波防雷設計中，應保證距離變電站2 km以外的遠區(qū)雷擊產(chǎn)生的雷電侵入波過電壓不會引起站內(nèi)設備的絕緣損壞。因此，進線段線路對避雷線保護角與桿塔接地電阻提出了更高的要求，進線段的耐雷水平也是優(yōu)于架空輸電線路的耐雷水平。在變電站的雷電過電壓研究中，應以進線段線路遭受雷擊作為重點研究現(xiàn)象，這是因為距離變電站2 km以外的輸電線路遭受雷擊時，由于電暈衰減和線路阻尼效應，導致雷電侵入波的陡度和幅值都明顯較小，在站內(nèi)設備上形成的過電壓一般不會損壞設備絕緣。因此，本文主要考慮變電站的近區(qū)雷擊，對進線段不同桿塔時的設備雷電侵入波的過電壓水平進行分析。

2.3 計算參數(shù)選擇

2.3.1雷電流模型

雷電流波形采用2.6/50 μs的雙指數(shù)波，雷電流極性為負極性，選取的最大計算反擊雷電流為185 kA[7]。

對最大繞擊雷電流幅值，借助于EGM模型進行計算[8-10]。通過計算，得到了分別雷擊進線段的6基桿塔時不同相導線的最大繞擊雷電流值，計算結(jié)果如表2所列。

表2 最大繞擊雷電流Fig.2 Maximum shielding failure lightning current kA

2.3.2桿塔模型

對于進線段的桿塔，采用EMTP-RV軟件中的桿塔模型進行計算，如圖2所示。模型中為單避雷線同塔雙回線路桿塔，桿塔采用多波阻抗模型，工頻接地電阻取20 Ω，絕緣子采用氣隙放電模型，放電電壓為1 400 kV。

圖2 輸電線路桿塔模型Fig.2 Tower model of transmission line

2.3.3輸電線路模型

EPF變電站230 kV側(cè)出線為同塔雙回出線，輸電線路采用單避雷線進行防雷保護。避雷線型號為OPGW-48，外徑為11.988 mm，20 ℃時的直流電阻為0.476 157 Ω/km；導線型號為2×750 MCM，外徑為25.300 mm，20 ℃時的直流電阻為0.082 Ω/km。導線與避雷線模型采用參數(shù)隨頻率變化的Frequency dependent line模型(FD線路模型)，導線為雙分裂，分裂間距為40 cm，導線集膚效應系數(shù)為0.363 6。根據(jù)線路設計資料，線路段土壤電阻率取500 Ω·m，進線段桿塔導線參數(shù)如表3所列。其中，1～6號塔的呼高分別為20，19，22，19，30 m和31 m。

表3 230 kV EPF變電站進線段線路參數(shù)Tab.3 Incoming transmission line parameters of 230 kV EPF substation m

2.3.4變電站內(nèi)連接線模型

變電站內(nèi)連接線主要包括設備之間的接線與匯流母線。變電站內(nèi)導線與母線模型采用Constant Parameter線路模型(CP模型)，戶外設備的連接線波阻抗為300 Ω，波速為300 m/μs；GIS內(nèi)部設備連接線與匯流母線波阻抗為73 Ω，波速為231 m/μs。模型中各個設備之間連接線長度按照斷面圖中導線的實際長度選取。

2.3.5避雷器參數(shù)

變電站采用Y10W-200/520型號避雷器，避雷器額定電壓為200 kV，直流1 mA參考電壓為290 kV，8/20 μs雷電沖擊殘壓為520 kV，30/60 μs操作沖擊殘壓為442 kV。模型采用EMTP-RV軟件中ZnO避雷器模型，模型中可以輸入避雷器伏安特性曲線與參考電壓等參數(shù)。

2.3.6變電站內(nèi)電氣設備計算模型

在防雷設計時，除了需要考慮設備的分布自電感和對地容，還必須考慮到匝間電容的影響。以變壓器為例，在雷沖擊波作用下，由于電感的阻流作用，流過電感的電流可以忽略。因此，變壓器繞組等效為K0C0組成的電容鏈，對首端來說，可以視其為具有一定電容值的集中電容，稱其為入口電容Cr[11]。各設備入口的電容值列于表4。

表4 各設備入口電容值Fig.4 Entrance capacitance of the equipment pF

在雷電沖擊電壓下，GIS套管、電壓互感器、電流互感器、隔離開關(guān)、斷路器與主變壓器可用對地等值電容等效，其中，變壓器入口電容Cr的近似計算公式如下[12]：

(1)

式中：S為三相變壓器容量；n、K為擬合系數(shù)。

2.3.7電氣設備的雷電沖擊耐壓水平

雷電過電壓下，變電站電氣設備內(nèi)、外絕緣的雷電沖擊絕緣水平，適宜以避雷器雷電沖擊保護水平為基礎，采用確定法確定[5]。標準條件下，各個設備的絕緣水平如表5所列。用確定法確定變電站設備的絕緣水平時，在雷電侵入波過電壓作用下，變電站內(nèi)設備的絕緣應留有一定的裕度。一般運行情況下，內(nèi)絕緣的安全裕度不應低于15%特殊方式下內(nèi)絕緣的安全裕度要求。因此，在計算雷電過電壓的絕緣配合裕度時，需要考慮到老化等因素對設備耐壓的影響。外絕緣劣化系數(shù)按1.05計算，內(nèi)絕緣按1.15計算[7]。

表5 標準條件下設備絕緣水平Tab.5 Insulation levels of equipment under standard conditions kV

根據(jù)劣化系數(shù)對設備外絕緣水平進行修正，變電站設備所能承受的最大過電壓幅值如表6所列。

表6 修正后的設備絕緣水平Tab.6 Revised insulation levels of equipment

3 計算結(jié)果

3.1 不同雷擊點的影響

近區(qū)雷擊是指變電站2 km左右范圍內(nèi)的線路遭受雷擊，通常是計算變電站出線前6基桿塔遭受雷擊的情況。在運行方式4～5情況下，分別計算雷擊1～6號桿塔時變電站主要設備上的過電壓，計算結(jié)果如表7所列。

表7 不同雷擊點時設備反擊雷電過電壓Tab.7 Back flashover overvoltage of equipment at different lightning strike points kV

從表7可以看出：一般情況下，雷擊點離變電站越近，其雷電侵入波過電壓越高，但某些設備上的過電壓在雷擊2號桿塔時最大，所有設備的過電壓最大值出現(xiàn)在雷擊1號或2號桿塔。雖然1號桿塔距離變電站最近，但是由于該塔與變電站門型構(gòu)架之間的距離僅有50 m，而變電站的接地電阻為0.5 Ω，雷電侵入波會在此處形成負反射波，從而減小了原波形的幅值。

3.2 變壓器、母線以及出線數(shù)量影響

運行方式1～4，6時，變電站主要設備上的反擊雷電侵入波過電壓情況如表8所列。表8中僅列出了設備過電壓最大的雷擊1號與2號桿塔的情況。

表8 變電站設備反擊雷電過電壓Tab.8 Back flashover overvoltage of substation equipment kV

對比運行方式1～3下的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雙回線路運行時，反擊雷電過電壓明顯高于單回線路的反擊雷電過電壓。這是由于輸電線路遭受雷擊時，2回線路均閃絡而且同時侵入雷電波，因此導致進入變電站的雷電流增大。

對比運行方式3與4下的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)變電站雙母線運行情況下，GIS內(nèi)部設備的過電壓比單母線運行時的高，而線路側(cè)CVT與主變壓器等AIS設備的過電壓較低。這是因為GIS母線上僅安裝了VT，沒有安裝避雷器，增加一組母線不會增加雷電流的泄流通道，反而會導致雷電波在母線上折反射，從而使得設備過電壓明顯增加。

對比運行方式4與6下的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當增加主變壓器的臺數(shù)時，設備上的過電壓會明顯降低。這是因為主變壓器的入口電容一般較大，增加主變壓器運行臺數(shù)相當于增加了雷電波的泄流通道，從而使得設備過電壓水平降低。

3.3 不同雷電侵入方式的影響

由本文3.2節(jié)可以看出，運行方式4下的設備過電壓水平最高。表9中列出了運行方式4下雷擊塔頂反擊和繞擊導線時變電站主要設備上的過電壓情況，最大反擊和繞擊雷電流按照本文2.3.1節(jié)選取。可以看到：雷電繞擊導線時，設備過電壓水平是明顯低于雷擊塔頂反擊時的過電壓水平，這主要是由于最大繞擊雷電流比最大計算反擊雷電流要小的多，因此，即使雷電繞擊導線時線路絕緣子不閃絡，變電站設備上的過電壓水平也不高。

表9 不同雷電侵入方式下雷電過電壓Tab.9 Lightning overvoltage under different intrusion mode kV

3.4 變電站設備絕緣配合裕度校驗

設備上的絕緣配合裕度可根據(jù)公式(2) 進行計算[12]：

(2)

式中：Kp為設備保護裕度；Up為設備雷電沖擊絕緣水平；Um為設備上承受的最大雷電沖擊電壓。

由表10的計算結(jié)果可以看出：以EPF變電站現(xiàn)有的進線段雷電防護方式和變電站的避雷器配置，在變電站遭受最大反擊和繞擊雷電流的情況下，變電站設備絕緣的配合滿足安全運行的要求，設備上最小的絕緣配合裕度為38.14%。

表10 230 kV EPF變電站主要設備的絕緣裕度Tab.10 Insulation margin of main equipment in 230 kV EPF substation

4 結(jié) 論

本文對厄瓜多爾辛克雷水電站送出工程中230 kV GIS變電站雷電侵入時的過電壓水平以及絕緣配合情況進行了仿真計算研究，計算結(jié)果表明：

(1) 變電站進線段遭受雷擊時，在不同的運行方式下，1號或2號桿塔為過電壓最嚴重的情況；

(2) 雙回線路-雙母線-單變壓器運行時，變電站設備上的雷電過電壓水平最高；

(3) 雷電最大繞擊雷電流水平遠小于最大反擊雷電流，雷電繞擊過電壓水平明顯小于反擊過電壓水平；

(4) 在現(xiàn)有進線段雷電防護方式和變電站避雷器配置下，在變電站遭受最大反擊和繞擊雷電流情況時，變電站設備的絕緣配合能夠滿足安全運行的要求，設備上最小的絕緣配合裕度為38.14%。