周艷青 諶 陽(yáng)

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663）

0 引言

500kV某變電站位于昌都縣卡諾鎮(zhèn)瓦約村，該站海拔高度為3 200m，年平均雷電日為51.3天。前期為220kV變電站，本期建設(shè)為500kV變電站；本期建設(shè)2臺(tái)主變1×750MV·A主變壓器。500kV某變電站終期規(guī)劃500kV出線6回，分別至500kV芒康站2回，備用4回。

1 計(jì)算參數(shù)

1.1 電氣主接線

500kV某變電站最終2回主變進(jìn)線，6回出線，采用3/2斷路器接線，形成4個(gè)完整串。前期無(wú)500kV配電裝置。本期擴(kuò)建2臺(tái)500kV主變，2回500kV出線，原來(lái)至巴塘2回降壓220kV線路恢復(fù)至500kV運(yùn)行并開斷接入芒康 500kV變電站，組成 2個(gè)完整串。

本期500kV配電裝置配串，如圖1所示。

圖1 500kV某變電站本期500kV配串簡(jiǎn)圖

1.2 設(shè)備參數(shù)

變電站電氣設(shè)備如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器等用不同電容值的對(duì)地等值電容表示，它們之間有分布參數(shù)線段相隔，各設(shè)備的對(duì)地等值電容見表1。

表1 500kV配電裝置各設(shè)備對(duì)地等值電容

500kV GIS均為單相單筒式結(jié)構(gòu)，在防雷計(jì)算中用波阻抗模擬，其波阻抗一般在60～100Ω 之間。本文取GIS的波阻抗為70Ω，波速270m/μs。

避雷器伏安特性采用單指數(shù)擬合。站內(nèi)避雷器和線路避雷器采用的伏安特性見表2。

表2 500kV避雷器的伏安特性

1.3 線路及構(gòu)架模型

本文采用 T. Hara提出的等值分布多波阻抗模型對(duì)500kV桿塔進(jìn)行建模，塔形對(duì)應(yīng)等值分布多波阻模型示意圖如圖2所示。一般情況下，反擊雷電侵入波在雷擊進(jìn)線段 1～3號(hào)桿塔時(shí)過電壓幅值較高，本文對(duì)進(jìn)線段1～3號(hào)桿塔進(jìn)行建模，不考慮4號(hào)桿塔以后桿塔的散流[1-2]。本文僅列舉芒康一、二線進(jìn)線段1#桿塔分布參數(shù)，分別見表3和表4。

線路導(dǎo)體采用4×JL/GIA—500/45導(dǎo)線，分裂間距 450mm，避雷器一根采用 JLB20A—100導(dǎo)線，另一根采用OPGW—120（24芯）光纜。

變電站內(nèi)門型構(gòu)架參照“Transmission Line Reference Book/345kV and Above/Second Edition”EPRI, P556.

Figure12.5.5.Approximations for tower surge impedance中的方法，采用Gantry模型模擬。

構(gòu)架地線柱波阻抗為

構(gòu)架柱波阻抗為

圖2 塔形對(duì)應(yīng)等值分布多波阻模型示意圖

表3 芒康一進(jìn)線段#1桿塔等值分布多波阻模型參數(shù)

表4 芒康二進(jìn)線段#1桿塔等值分布多波阻模型參數(shù)

橫梁波阻抗為

以上式中各參數(shù)含義如圖3所示。

圖3 門型架模型參數(shù)示意圖

某變電站500kV出線門型構(gòu)架，其模型各參數(shù)見表5。

表5 門型構(gòu)架模型參數(shù)

1.4 侵入波參數(shù)

雷電先導(dǎo)通道具有分布參數(shù)的特征，可以近似假定它是一個(gè)具有電感、電容的均勻分布參數(shù)的導(dǎo)電通道，即雷電通道，其波阻抗為Z0。從工程實(shí)用的角度出發(fā)，本文將雷電放電過程簡(jiǎn)化為一電流源[3]。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，負(fù)極性雷擊均占 75%～90%，再加上負(fù)極性雷電波沿線路傳播時(shí)衰減較少且較慢，對(duì)設(shè)備絕緣的危害較大，故防雷計(jì)算中按負(fù)極性考慮。

根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》，我國(guó)雷電流幅值概率曲線可表示[4]為

式中，P為幅值等于或大于I的雷電流概率。按慣用的方法進(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。200kA的概率0.53%、216kA的概率為 0.35%、230kA的概率為0.24%、250kA的概率為0.14%。我國(guó)規(guī)程未對(duì)雷電流計(jì)算值予以明確規(guī)定，根據(jù)我國(guó)500kV變電站和開關(guān)站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，反擊雷電侵入波過電壓計(jì)算時(shí)的最大雷電流幅值可取為 200kA。對(duì)于繞擊雷電侵入波計(jì)算，可根據(jù)電氣幾何模型求出變電站出線最大的繞擊電流20kA。

1.5 設(shè)備的雷電沖擊保證強(qiáng)度

考慮各種設(shè)備運(yùn)行老化因素，計(jì)算中對(duì)各設(shè)備允許的最大過電壓的大小取設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓（lightning impulse withstand voltage, LIWV）除以相應(yīng)的安全因數(shù)，在進(jìn)行變電站雷電侵入波過電壓絕緣配合時(shí)，各運(yùn)行方式下的內(nèi)絕緣安全裕度要求不低于15%。對(duì)于設(shè)備外絕緣，安全因數(shù)取1.05，按此求得的變電站設(shè)備外絕緣保證強(qiáng)度，適用于設(shè)備安裝點(diǎn)海拔高度不超過1 000m的情況，當(dāng)海拔高度超過1 000m時(shí)，需按照式（5）進(jìn)行海拔修正[5-6]。

式中：kα為海拔修正系數(shù)；對(duì)于雷電沖擊電壓，km=1.0。

某500kV變電站所處站址海拔高度為3 200m，超過1 000m，需進(jìn)行海拔修正。某500kV變電站經(jīng)海拔修正后的站內(nèi)設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓見表6。

2 典型運(yùn)行方式下的計(jì)算結(jié)果

2.1 運(yùn)行方式

通常變電站運(yùn)行中會(huì)有很多種接線方式，例如帶多回出線、多條母線、多臺(tái)變壓器同時(shí)運(yùn)行等。由于變電站出線越多，雷電侵入波過電壓的能量越分散，雷電過電壓就越低?？紤]某擴(kuò)建工程本期500kV僅建設(shè)2回線路、2回主變，進(jìn)出線單元較少，所以，在本文考慮單條出線單臺(tái)變壓器（單線單變）這種較嚴(yán)酷的運(yùn)行方式。單線單變方式對(duì)于雷電侵入波來(lái)講，容易出現(xiàn)高幅值的過電壓，并且這種接線方式在變電站實(shí)際運(yùn)行中是存在的。

表6 500kV設(shè)備雷電沖擊耐受電壓

對(duì)于單線單變運(yùn)行方式，在計(jì)算中考慮了四種典型接線方式，運(yùn)行方式如圖4所示。

圖4 四種典型運(yùn)行方式接線圖

2.2 最大侵入波過電壓

利用電磁暫態(tài)程序（ATP），對(duì)某500kV變電站的雷電侵入波過電壓進(jìn)行了仿真計(jì)算[7]，其中單線單變運(yùn)行方式一（芒康一線—1號(hào)主變）下，雷電發(fā)生反擊侵入時(shí)，主變出現(xiàn)最大過電壓，此運(yùn)行方式下最嚴(yán)重。

運(yùn)行方式一下設(shè)備上的最大過電壓值見表7。

表7 運(yùn)行方式一下設(shè)備上的最大侵入波過電壓

由表7可知，運(yùn)行方式一下，主變?cè)O(shè)備上的最大雷電過電壓值高于相應(yīng)的雷電沖擊耐受電壓允許值，其他設(shè)備上的最大雷電過電壓值普遍較高。

2.3 采取的改進(jìn)措施

由于主變?cè)O(shè)備上的最大雷電過電壓值高于相應(yīng)的雷電沖擊耐受電壓允許值，需采取措施使最大雷電侵入波電壓低于設(shè)備雷電沖擊耐受電壓值。

綜合考慮并反復(fù)試算，建議采取的措施如下：

1）500kV某站芒康一、二進(jìn)線段 2km內(nèi)桿塔接地電阻降至10Ω。

2）站內(nèi) 500kV主變與避雷器之間的電氣距離控制在10m內(nèi)。

采取上述兩項(xiàng)措施后，仿真計(jì)算結(jié)果表明：主變以及其他設(shè)備上的最大雷電過電壓值均低于相應(yīng)的雷電沖擊耐受電壓允許值，滿足雷電防護(hù)要求[8-9]。采取改進(jìn)措施后最大侵入波過電壓見表8。

表8 采取改進(jìn)措施后最大侵入波過電壓

3 結(jié)論

利用電磁暫態(tài)程序，通過對(duì)500kV某變電站在典型運(yùn)行方式下的雷電侵入波過電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，初步計(jì)算主變的最大雷電過電壓值高于相應(yīng)的雷電沖擊耐受電壓允許值，其他設(shè)備上的最大雷電過電壓普遍接近相應(yīng)的雷電沖擊耐受電壓允許值。采取相應(yīng)的措施后，重新計(jì)算表明：主變以及其他設(shè)備上的最大雷電過電壓值均低于相應(yīng)的雷電沖擊耐受電壓允許值，滿足雷電防護(hù)要求。