考慮波形起始點(diǎn)的特高壓變電站雷電入侵過電壓分析

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(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

特高壓電網(wǎng)是中國(guó)解決資源分布與需求不平衡的必然選擇之一。長(zhǎng)距離大容量輸電是建設(shè)特高壓電網(wǎng)的主要目的。通過特高壓電網(wǎng)可優(yōu)化資源配置，提高經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。繼中國(guó)1 000 kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程投入運(yùn)行后，首條同塔雙回路特高壓交流輸電工程——“皖電東送”工程也于2013年9月25日投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入特高壓電網(wǎng)時(shí)代。

特高壓輸電系統(tǒng)已成為發(fā)展必然，但涉及的諸多問題在不斷進(jìn)行工程示范和實(shí)踐的過程中，仍值得開展更加深入的研究，其中，特高壓變電站的雷電過電壓是特高壓輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要危害之一。特高壓變電站又是交流電力系統(tǒng)的樞紐,它的安危維系著電力系統(tǒng)能否安全可靠的運(yùn)行，因此必須要有安全可靠的防雷措施。

特高壓變電站內(nèi)各設(shè)備的雷電過電壓保護(hù)以及絕緣配合(確定絕緣水平)取決于雷電過電壓計(jì)算數(shù)據(jù)[5]。對(duì)于1 000 kV的特高壓線路，工頻電壓對(duì)雷電過電壓的影響足以威脅到絕緣的安全，不容忽視[6]。而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的計(jì)算雷電過電壓和絕緣配合的相關(guān)文獻(xiàn)也只能定性地說明工頻過電壓對(duì)雷電過電壓有影響。文獻(xiàn)[6]根據(jù)日本的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提出的計(jì)算方法缺少中國(guó)的實(shí)踐證明。文獻(xiàn)[7]提出工頻電壓與雷電過電壓進(jìn)行線性疊加的方式來研究工頻電壓對(duì)雷電過電壓產(chǎn)生的影響。但因雷電流和工頻電壓的頻譜和時(shí)間特征不同，故這種方法也不能作為工程上定量的計(jì)算方法。

為了得到更符合實(shí)際的特高壓變電站雷電入侵過電壓，將根據(jù)對(duì)雷電流侵入時(shí)工頻電壓瞬時(shí)值的細(xì)化研究，提出雷電侵入波電壓波形起始點(diǎn)的概念，以此來準(zhǔn)確刻畫考慮工頻電壓的特高壓變電站雷電入侵過電壓，為完善國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)程提供參考。

1 系統(tǒng)雷擊仿真模型的建立

1.1 雷擊方式與雷擊點(diǎn)的選擇

雷擊變電站的方式：①直擊雷；②雷擊中輸電線路并且在線路上傳播到變電站(即雷電入侵波)。實(shí)踐表明，只要按照規(guī)程安裝避雷針、避雷線以及接地裝置的電站，對(duì)直擊雷的防護(hù)是安全且可靠的。特高壓線路的絕緣水平很高，雷擊跳閘率以及絕緣子閃絡(luò)造成線路短路事故概率很小。但由于塔高和走廊面積等因素，雷電入侵的現(xiàn)象更易出現(xiàn)，而變電站內(nèi)設(shè)備的絕緣水平要比線路低，因此該方式更易對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備造成損害。

雷擊輸電線路的方式又分為反擊和繞擊。反擊和繞擊時(shí)線路的工頻電壓對(duì)絕緣子閃絡(luò)電壓都會(huì)有影響。反擊時(shí)，桿塔會(huì)較大概率地對(duì)極性相反的工頻導(dǎo)線放電；繞擊時(shí)，極性與雷電流相反的導(dǎo)線將會(huì)提前形成下行先導(dǎo)，增大繞擊概率。在工頻電壓的影響方面，反擊和繞擊的效果一致，因此下面只選擇雷電反擊進(jìn)行研究。

近區(qū)雷擊是變電站內(nèi)電氣設(shè)備的主要威脅之一，因此在計(jì)算變電站的雷電入侵過電壓時(shí)，把2 km進(jìn)線段和變電站統(tǒng)一考慮，才比較符合實(shí)際[8]。研究表明，中國(guó)設(shè)計(jì)的輸電線路中，1號(hào)桿塔和變電站門型構(gòu)架距離較近，而且門型構(gòu)架的沖擊接地電阻比其他桿塔小，雷擊1號(hào)桿塔塔頂時(shí)，反射波從門型構(gòu)架處又經(jīng)過地線很快返回1號(hào)桿塔，使1號(hào)桿塔塔頂電位降低，減小了雷電入侵過電壓。而2號(hào)、3號(hào)桿塔距門型構(gòu)架相對(duì)較遠(yuǎn)，過電壓也較高。因此將把雷擊點(diǎn)選在2號(hào)桿塔。系統(tǒng)模型圖見圖1。

1.2 仿真模型

以某特高壓GIS變電站為例，選擇合理的雷電流模型、桿塔模型、進(jìn)線段架空線路模型、絕緣子閃絡(luò)模型、避雷器模型以及參數(shù)的確定。

1.2.1 雷電流模擬

圖1 系統(tǒng)等值模型

雷電流值，kA；P為幅值大于I的雷電流概率。綜合考慮中國(guó)500 kV變電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及1 000 kV特高壓變電站的重要性，這里選取幅值250 kA的負(fù)極性雷電流，雷電通道波阻抗為300 Ω。

1.2.2 進(jìn)線段模擬

采用除了基于EMTP的多波阻抗模型來對(duì)桿塔進(jìn)行仿真計(jì)算[9-11]，如圖2所示。參考DL/T-1997《交流電氣裝置的接地》，桿塔沖擊接地電阻按照10 Ω計(jì)算；門型構(gòu)架沖擊接地電阻按7 Ω計(jì)算。

圖2 進(jìn)線段酒杯塔的模型

進(jìn)線段架空線路用隨頻率變化的非線性線路參數(shù)模型“JMarti”模擬。

絕緣閃絡(luò)的判據(jù)用相交法[12]，當(dāng)絕緣子串上雷電過電壓波形與絕緣子串伏秒特性曲線有交點(diǎn)時(shí)，絕緣子串閃絡(luò)，否則就不閃絡(luò)。絕緣子串閃絡(luò)模型見圖3， 52號(hào)器件是比較器，將絕緣子串兩側(cè)探測(cè)的過電壓與其用函數(shù)編輯的已知絕緣子伏秒特性比較；64號(hào)器件是控制開關(guān)的輸出，當(dāng)絕緣子串過電壓波形與它的伏秒特性曲線相交時(shí)，判據(jù)部分輸出一個(gè)電平給控制開關(guān)，控制開關(guān)部分保持該輸出，絕緣子串閃絡(luò)。

圖3 絕緣子串閃絡(luò)模型

1.2.3 避雷器模型

ATP-EMTP用分段線性函數(shù)模型模擬避雷器的伏安特性，計(jì)算中采用額定電壓為828 kV的避雷器，其伏安特性如表1所示。

表1 采用的避雷器的伏安特性

1.2.4 1 000 kV GIS變電站的電氣主接線圖

1 000 kV特高壓GIS變電站的等效電路圖如圖4，采用雙斷路器雙母接線方式，僅考慮一回出線(L1)和一臺(tái)主變壓器(T)運(yùn)行，出線接至雙斷路器串，主變壓器經(jīng)臨時(shí)接線連接兩條母線。

圖4 1 000 kV 特高壓GIS變電站的電氣主接線圖

1.2.5 變電站內(nèi)電氣設(shè)備參數(shù)

由于雷電入侵波的高頻特性，站內(nèi)設(shè)備可粗略等效為沖擊入口電容。變電站內(nèi)設(shè)備入口電容如表2所示。

2 仿真與分析

表2 站內(nèi)設(shè)備等值入口電容

2.1 雷電入侵過電壓波形起始點(diǎn)

在過去的變電站雷電入侵波分析中，大都沒有考慮工頻電壓對(duì)雷擊的影響(即認(rèn)為雷擊時(shí)工頻分量Ug=Umsinφ的φ為0°)，或者只是簡(jiǎn)單的幅值疊加考慮。為了將頻譜特征和時(shí)間特征不同的雷電侵入波和工頻電壓進(jìn)行疊加，提出雷電過電壓波形起始點(diǎn)的概念。定義雷擊產(chǎn)生過電壓時(shí)的相應(yīng)工頻電壓相位角為雷電過電壓波形起始點(diǎn)，分別設(shè)定輸電線路A相雷電過電壓波形起始點(diǎn)為0°、90°、270°三種極端情況，對(duì)250 kA的負(fù)極性雷電流雷擊桿塔反擊導(dǎo)線A相進(jìn)行仿真。

2.2 仿真結(jié)果與分析

對(duì)于幅值250 kA的負(fù)極性雷電流擊中2號(hào)桿塔，A相導(dǎo)線反擊閃絡(luò)后，變電站內(nèi)主要設(shè)備在不同波形起始點(diǎn)的雷電入侵過電壓見表3。

表3 各設(shè)備在不同波形起始點(diǎn)的過電壓比較 /kV

從表3可以看出A相導(dǎo)線反擊閃絡(luò)后，在不同雷電過電壓波形起始點(diǎn)下，電站各設(shè)備的過電壓值差異較大，設(shè)備的過電壓保護(hù)裕度需要根據(jù)雷電過電壓波形起始點(diǎn)的不同進(jìn)行修訂，重點(diǎn)考慮變電站的核心設(shè)備變壓器。

圖5、6、7為主變壓器(T)上不同波形起始點(diǎn)的過電壓波形曲線圖。

從過電壓波形可以看出，在不同的雷電過電壓波形起始點(diǎn)情況下，工頻電壓與雷電過電壓的疊加并不是簡(jiǎn)單的線性疊加，這是因?yàn)槔纂姴ǖ念l率遠(yuǎn)大于工頻，在輸電線路上雷電波按照線路分布參數(shù)特性傳播時(shí)，在不同的波阻抗間存在折反射情況。

圖5 波形起始點(diǎn)為0°主變壓器上過電壓波形

圖6 波形起始點(diǎn)為90°主變壓器上過電壓波形

圖7 波形起始點(diǎn)為270°主變壓器上過電壓波形

由于雷電沖擊放電具有一定的隨機(jī)性，對(duì)于雷電反擊、繞擊具體的放電波形起始點(diǎn)只能按照概率統(tǒng)計(jì)。通過仿真分析得出：當(dāng)發(fā)生負(fù)極性雷擊時(shí)，由于三相絕緣子兩端電壓不同以及導(dǎo)體的下行先導(dǎo)產(chǎn)生原理，導(dǎo)體在正極性下發(fā)生繞擊與反擊概率都較負(fù)極性的大，而且概率隨幅值的增大而增大。一般情況下交流線路在運(yùn)行時(shí)受到雷擊的概率是以相電壓最大時(shí)的波形起始點(diǎn)為均值的正態(tài)分布。所以，當(dāng)雷擊輸電線路時(shí)，通常都發(fā)生在與雷電極性相反的最大電壓導(dǎo)線相，比如在發(fā)生負(fù)極性雷擊時(shí)，雷擊時(shí)刻導(dǎo)線電壓的波形起始點(diǎn)主要集中在90°附近。這基本符合與日本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(交流導(dǎo)體在工頻電壓為正時(shí)被負(fù)極性雷擊中的次數(shù)比工頻電壓為負(fù)時(shí)更多)[14]。

在發(fā)生反擊時(shí)，波形起始點(diǎn)為0°時(shí)的擊穿相主變壓器過電壓波形與不考慮工頻疊加基本一致，波形起始點(diǎn)為90°擊穿相主變壓器上過電壓幅值增加了近300 kV，而波形起始點(diǎn)為90°發(fā)生雷電閃絡(luò)的概率較大，推薦將波形起始點(diǎn)為90°時(shí)雷電入侵過電壓值作為絕緣配合參考值。

3 結(jié) 論

1)只有考慮波形起始點(diǎn)才能得到更符合實(shí)際的雷電入侵過電壓。特高壓線路反擊、繞擊的工頻電壓波形起始點(diǎn)分布基本一致，都是在90°位置概率最大。將波形起始點(diǎn)為90°時(shí)雷電入侵過電壓值作為變電站設(shè)備絕緣配合參考值，可以減少變電站的雷電故障率。

2)在進(jìn)行工頻電壓與雷電侵入波的疊加時(shí)，由于兩者頻率特性的不同，不能簡(jiǎn)單地線性疊加，需要根據(jù)高頻雷電波的分布參數(shù)特性，對(duì)雷電波的折反射進(jìn)行逐步計(jì)算。

3)導(dǎo)線電暈、變電站內(nèi)部元件波阻抗差異等因素都對(duì)雷電侵入變電站的過電壓波形產(chǎn)生復(fù)雜的影響，要研究出更準(zhǔn)確的工頻電壓下雷電過電壓疊加規(guī)律還需要對(duì)導(dǎo)線加入電暈?zāi)Ｐ停?duì)電站各設(shè)備的暫態(tài)分布參數(shù)模型做更細(xì)致的研究。

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