基于EMTP的500kV變電站雷電防護(hù)與絕緣配合研究

李 曉，劉蘇云，徐 晨，史 靜，姜 凱，周春泉

（1.濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源 459000；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，江蘇 南京 211100；3.南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210044）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電能需求與日俱增，從而促使電力系統(tǒng)向大容量、長(zhǎng)距離、超高壓方向發(fā)展。目前在我國(guó)已形成了以500kV輸電線路為主干，覆蓋華北、華中、華東、西北和東北的五個(gè)跨省電網(wǎng)，跨大區(qū)電網(wǎng)還采用了500kV直流輸電技術(shù)，華東與華中兩大電網(wǎng)之間，通過500kV葛洲壩至上海直流線路。500kV變電站作為電網(wǎng)的樞紐［1］，在電力系統(tǒng)中的地位極其重要，一旦發(fā)生雷害將使設(shè)備遭受過電壓損害，直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全可靠性，嚴(yán)重影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活，因此要求其必須有可靠地防雷保護(hù)措施。變電站的雷害主要來自兩個(gè)方面:一是雷直擊變電站:二是雷直擊輸電線路產(chǎn)生的雷電過電壓波沿線路侵入變電站。雷擊線路的概率比雷擊變電站的概率大得多，所以沿線路侵入變電站的雷電過電壓是研究超高壓變電站雷電過電壓保護(hù)問題的主要對(duì)象。

1 避雷器保護(hù)分析［2，3］

一切被保護(hù)設(shè)備都可以近似地用一只等值電容C來表示，如圖1示，變電設(shè)備與避雷器之間就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓差U。

圖1 計(jì)算U的簡(jiǎn)化接線圖

先看最簡(jiǎn)單的只有一路進(jìn)線的終端變電站的情況，這時(shí)圖1中的Z2＝∞，C即為電力變壓器的入口電容。由于電力變壓器的等值電容一般都不大，可以忽略波剛到達(dá)時(shí)電容使電壓上升速度減慢的影響，而討論電容充電后相當(dāng)于開路的情況。例如取過電壓波到達(dá)避雷器端子1的瞬間作為時(shí)間的起始即t＝0，避雷器上的電壓即按照u1＝αt的規(guī)律上升。當(dāng)t＝T時(shí)波到達(dá)設(shè)備端子2上，此時(shí)取C＝0，波在此將發(fā)生全反射，所以設(shè)備絕緣上的電壓表達(dá)式應(yīng)為

當(dāng)t＝2T時(shí)，端子2上的反射波將再次到達(dá)端子1上，從而使避雷器上的電壓上升陡度加大，如圖2中的線段mB所示。由圖1、2可知:由于有反射波的影響，避雷器將提前動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)刻為t＝tA，此時(shí)擊穿電壓為

圖2 被保護(hù)絕緣和避雷器的電壓波形

由于一切通過端子1的電壓波都將到達(dá)端子2上，但時(shí)間上要推遲T，因此避雷器放電后所產(chǎn)生的限壓效果要到時(shí)刻t＝（tA＋T）才能對(duì)設(shè)備絕緣上電壓產(chǎn)生影響，這時(shí)u2已經(jīng)達(dá)到

此時(shí)可得壓差U為

進(jìn)波陡度α越大，電壓差值U也就越大。我國(guó)普遍采用雷電流的波形為2.6／50μs，由于雷電流的波頭長(zhǎng)度變化范圍不大，所以認(rèn)為雷電流的平均陡度和幅值線性相關(guān)（α＝kA／μs）。

一般在防雷計(jì)算中，為了使設(shè)備不被擊穿應(yīng)該按照下式選擇絕緣的沖擊耐壓水平:

式中，uc為避雷器的殘壓，近似等于uA；uj為絕緣的雷電沖擊耐壓值。

從而可以得出被保絕緣與避雷器之間的最大容許距離為

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 距離對(duì)避雷器保護(hù)的影響研究

下面以某500kV變電站中主變與避雷器的距離對(duì)過電壓的影響來討論，如表1所示。

表1 主變與避雷器距離對(duì)過電壓的影響

從表1中可以直觀的看出，隨著主變與避雷器距離的增加，主變上的雷電過電壓幅值逐步增加，而且當(dāng)距離為56m時(shí)，主變上的過電壓幅值1420kV，該值接近于主變的耐受電壓1425kV，因此可以得出避雷器離主變?cè)浇胶?，距離不宜超過56m，且加裝氧化鋅避雷器對(duì)于限制過電壓具有顯著的效果。

2.2 一個(gè)半斷路器接線模擬實(shí)驗(yàn)

以A發(fā)電廠500kV升壓站和B 500kV變電站模擬實(shí)驗(yàn)為例，說明一個(gè)半斷路器接線電氣設(shè)備的雷電過電壓幅值以及避雷器配置方案。

2.2.1 基本條件

（1）侵入波電壓幅值取3000kV和2200kV兩級(jí)。

（2）500kV電氣設(shè)備絕緣水平如表2所示。

（3）500kV避雷器參數(shù)如表3所示。

表2 電氣設(shè)備絕緣水平

表3 500kV避雷器參數(shù)

2.2.2 典型接線保護(hù)

一回線路和一組變壓器加臨時(shí)跨條的一個(gè)半斷路器接線。

某發(fā)電廠500kV升壓站初期采用這種接線，按三組避雷器考慮，見圖3。500kV主變壓器出口安裝一組XAL－444L電站型避雷器，500kV線路和500kV并聯(lián)電抗器出口各自安裝一組XAL－468L線路型避雷器。

圖3 某發(fā)電廠500kV保護(hù)接線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正常情況下避雷器的配置都能滿足雷電過電壓的保護(hù)要求。但是在圖3中，當(dāng)打開1號(hào)和3號(hào)斷路器檢修的情況下，將發(fā)生很大的變化。其中當(dāng)侵入波幅值為2200kV時(shí)候，最大雷電過電壓為1544kV，滿足電容式電壓互感器的雷電沖擊絕緣水平；但當(dāng)侵入波幅值為3000kV時(shí)，最大雷電過電壓為1730kV，超過了電容式電壓互感器雷電沖擊水平1675kV。為了保證安全，應(yīng)采取在母線上增設(shè)一組避雷器。

3 不同運(yùn)行方式對(duì)雷電過電壓和絕緣裕度配合的影響

下面以一機(jī)一線結(jié)合EMTP仿真為例，說明雷電過電壓與絕緣配合受哪些因素影響。本次計(jì)算條件:侵入雷電波幅值210kA、波形2.6／50μs、桿塔沖擊電阻為24.5Ω；變壓器、電壓互感器、斷路器、電流互感器、隔離開關(guān)的沖擊電容取值分別為4800pF；4000pF；600PF；1000PF；300pF。

（1）其中帶母線，僅有T6一臺(tái)變壓器運(yùn)行，主要的電氣設(shè)備過電壓幅值如表4。

表4 一機(jī)一線、帶母線運(yùn)行方式下的主要電氣設(shè)備過電壓幅值

由表4可以直觀地看出電氣設(shè)備均未超出其絕緣裕度。

（2）僅T6一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，不帶母線的情況主要的電氣設(shè)備過電壓幅值如表5。

表5 一機(jī)一線、不帶母線運(yùn)行方式下的主要電氣設(shè)備過電壓幅值

對(duì)比表4和表5不難發(fā)現(xiàn):一機(jī)一線運(yùn)行方式下，帶母線與不帶母線的情況下比較，可以看出主變、RT3、VT12、NRT3、CVT上的過電壓幅值都有不同程度的上升，但都能夠滿足雷電絕緣配合的要求，上升幅度最快與最慢的分別是RT3和CVT，且上升幅度分別為14.428%和3.248%。由此可以得出在考慮變電站絕緣配合的時(shí)候應(yīng)該考慮不帶母線的情況。

（3）僅T6一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，帶母線但取消母線避雷器的情況主要電氣設(shè)備的過電壓幅值如表6。

表6 一機(jī)一線取消母線避雷器后的主要電氣設(shè)備過電壓幅值

表5和表6對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):一機(jī)一線運(yùn)行方式下，取消母線避雷器時(shí)，主變、RT3、VT11、VT12、NRT3、CVT上電壓都有不同程度的變化，所以變電站要取消母線上的避雷器時(shí)應(yīng)當(dāng)慎重考慮。其中可以清楚看出CVT上的過電壓幅值最高，其值為1206kV，且可以計(jì)算出絕緣裕度為1.2852，能夠滿足雷電絕緣裕度的配合要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)以上研究并結(jié)合已有的研究成果，對(duì)于500kV變電站在初步確定適合該變電站的防雷方案時(shí)，建議在進(jìn)線側(cè)、主變側(cè)和母線上均裝設(shè)金屬氧化物避雷器。在一機(jī)一線運(yùn)行方式下應(yīng)該考慮不帶母線情況下變電站的絕緣裕度配置，對(duì)于電力系統(tǒng)防雷害以及變電站過電壓的研究具有借鑒意義。

［1］張緯鈸，何金良，高玉明.過電壓防護(hù)及絕緣配合［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［2］肖穩(wěn)安，張小青.雷電與防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:氣象出版社，2005.

［3］Rakosh Das Begamudre（著），從偉（譯）.超高壓交流輸電工程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.