基于ATP-EMTP某500kVGIS變電站防雷方案的配置

張瑞敏 章海亮 杜焱喆

摘要：500kV變電站是電力系統重要組成部分，當遇到雷電災害將造成電力系統大范圍的癱瘓.因此合理配置500kVGIS變電站防雷方案至關重要.本文通過對影響變電站雷擊過電壓的因素：運行方式、雷擊點、工頻電壓、桿塔接地電阻、MOV與主變之間的電氣距離.研究變電站內各設備的仿真模型，將變電站與進線部分結合起來考慮，通過EMTP-ATP建立整體模型后仿真分析.提出某新建500kV變電站雷電侵入波具體防護方案，同時滿足絕緣裕度和經濟性的要求.

關鍵詞：500kVGIS變電站;雷電過電壓;ATP-EMTP

中圖分類號：TM86? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）06-0067-05

作為電力系統樞紐的500kV變電站，一旦遇到雷電災害將影響電網的安全運行.雷擊線路的概率遠大于雷擊變電站，沿線路侵入變電站的雷電過電壓很常見，因此對500kV變電站進行雷電侵入波過電壓仿真分析十分有必要.本文以某新建500kVGIS變電站研究對象，根據相關規程[1]-[3]，結合工程設計經驗值，利用ATP-EMTP，考慮運行方式、設備參數、雷擊點、桿塔類型及接地電阻、工頻電壓等因素建立系統模型后進行仿真，仿真計算中變壓器等設備滿足安全運行的標準：電氣設備上出現的過電壓不超過他們的雷電沖擊絕緣水平，且站內各電氣設備的保護裕度在15%以上[4].根據仿真結果結合考慮經濟性能給出該新建變電站最佳防雷配置方案.

1 仿真模型的建立

一般我國雷暴日超過20的地區雷電峰值的概率分布為：

Lgp=-? （1-1）

式1-1中：p中為雷電流幅值超過I的概率，I為雷電流幅值，kA.

本文雷電波形按DL/T620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合標準取2.6/50μs斜角波，取等值波形為最接近設計雷電波形的雙指數波[4].雷電通道波阻抗反擊取300Ω，繞擊取800Ω[5].選取負極性的雷電流最大值為250KA，概率為1.442‰.在ATPDraw中的仿真模型如圖1-1所示.閃絡模型運用的是ATPDraw中電壓閥值模型調用ATPDraw自帶flash.sup如圖1-21所示.

該500kV電站中#0塔為門架塔，#1、#2為耐張塔、#3～#6為懸掛塔;在ATPDraw中的仿真圖形[6]如圖1-3、1-4、1-5示.本文中#0桿塔的接地電阻為7Ω，#1～#6桿塔的接地電阻為10Ω.桿塔的波速為2.5×108m/s.

采用ATPDraw中用非線性電阻來模擬MOV.MOV的參數如下表1-1示.

在仿真過程中考慮工頻電壓的影響，在仿真模型中加入了工頻電流，使其通過三相電路與進線相連，調整初相角，全面分析工頻電壓對電過電壓的影響[7]500kV的系統中，最高工作電壓為550kV，單相的電壓峰值為449kV.剛開始初相角設置為0°，三相正序，B、C相的初相角分別為240°、120°.頻率為50Hz[8].在ATPDraw中用AC3PH模擬，雙擊圖標設置參數.

輸電線路以該變電站2km進線部分為研究對象，采用單回三相二線輸電線路，水平排列，上面設有雙避雷線.兩根地線型號為GJ-80.

本文中使用的J.Marti模型是目前應用最廣的具有頻率相關參數的線路模型[9].輸電線路采用的導線型號參數如表1-2示.

對于站內的設備連接線及母線則采用單相無損分布參數線路模型，用波阻抗Z和波速V表示.輸電線路導線和避雷線的電氣參數在表1-3示.

設備連接線及母線波阻抗取中Z=65Ω，波速為光速.仿真研究和絕緣配合研究時，對站內一些重要高壓電器都可用入口電容表示.變壓器用入口電容來模擬，公式如下[10]：

CT=k? ?（1-2）

CT為變壓器入口電容，k為比例系數，對500kV變壓器取940.

為保證設備的穩定運行一定留有配合系數即安全系數.規程規定變壓器雷電耐受電壓為1425kV，其他為1550kV.按標準內絕緣為1.15，外絕緣為1.05，則允許通過的電壓為1239kV（變壓器B），1348kV（CVT、REA、GIS、CT）.絕緣裕度的計算公式如下[11]：

K%=×100%? ?（1-3）

其中K%為絕緣裕度，BIL為雷擊時變電站高壓電器上的耐受電壓，kV，Umax為雷擊時高壓電器上最大電壓，kV.

2 仿真計算分析

該變電站的主接線圖如圖2-1所示，整個變電站進線有四回：雙珠I、雙珠II、雙港I、雙港II，對站內設備供電.其中雙珠I、雙珠II并聯有電抗器REA.

本文將近區雷作為重點研究部分，2km之外的雷擊不進行分析.#2桿塔有較高的侵入波過電壓[12].故將雷擊位置選擇#2塔.

桿塔接地電阻是關系線路耐雷水平的關鍵因素，本文取經驗值門塔接地電阻取7Ω，塔腳接地電阻取10Ω.

考慮最極端的單線單母單變的運行方式，研究雙港Ⅱ線經Ⅱ母給#2號變壓器供電、雙珠Ⅰ線經Ⅱ母給#2號變壓器供電.運行ATPDraw得到各設備的過電壓波形.雙港Ⅱ線經Ⅱ母給#2號主變供電仿真如圖2-2.

根據公式（1-3），由雷擊時變電站高壓電器上耐受電壓，和雷擊時高壓電器上最大電壓，計算出絕緣裕度k%，如圖2-3可知雷擊#2塔時，最大電壓達到6.4MV遠遠超出設備的絕緣水平.如圖2-4可知變壓器上的過電壓達到了1372kV只有3.7%遠低于15%，必須采取相應措施.如圖2-5主變側CVT5上的過電壓達到1275kV，絕緣裕度為17.74%滿足15%的絕緣裕度.GIS上的過電壓波形如圖2-6過電壓為1148kV，絕緣裕度為25.94%滿足15%的要求.如圖2-7MOV5上的電流14.02KA，MOV9上的電流比較大達到了19.91KA，快超過避雷器的耐受值.

3 配置最佳防雷方案

考慮極端的單線單母單變的運行方式，及帶電抗器和不帶電抗器運行的兩種方式.研究雙港Ⅱ線經Ⅱ母給#2號變壓器供電、雙珠Ⅰ線經Ⅱ母給#2號變壓器供電，運行方式及符號表如表3-1所示.

OP1運行方式下防雷方案及設備過電壓情況如下表3-2示.

根據表3-2中可知C方案下設備的過電壓和MOV上最大電流都是最小的.但是C方案是使用MOV最多的不符合經濟性的要求.B方案下設備的過電壓比A方案要低，且MOV的數值合適滿足經濟性的要求.根據（1-3）計算B方案設備絕緣裕度分別為B為33.26%;CVT為26.9%;GIS為26.45%;均滿足絕緣裕度的要求MOV上最大電流為9.48KA遠遠小于20KA.該運行方式下雷電防護采取方案B.OP2運行方式下防雷方案及過電壓情況如表3-3示.

從表3-2知.方案D各設備上的過電壓水平最低，但是所用MOV的器件數太多.不能滿足經濟性.綜合考慮過電壓水平和經濟性還是方案C最合適.各設備的絕緣裕度為CVT 31.29%;GIS 30.58%;REA 34.26%;B 33.61%滿足絕緣裕度15%的要求.MOV上最大電流為8.52KA遠遠小于20KA.所以采取方案C最合適.在過電壓最嚴重的單母單線單變且未并聯REA采用表3-2中的方案B，有REA的情況則采用3-3中的方案C.即滿足絕緣裕度的要求又經濟合理.

在考慮反擊、繞擊情況下上的防雷方案在繞擊時是否也能適用，絕緣裕度表如表3-4示.

表3-4可知，在OP1、OP2方式下運行B、C方案在該變電站單線單母單變反擊時各設備上的過電壓均滿足絕緣裕度，且都在20%以上.MOV上最大電流均10KA以下.因此B、C方案的可行性高;繞擊時各高壓電器上的過電壓均不超過耐受電壓（1425kV、1550kV），且絕緣裕度均在18%以上.MOV上最大電流均小于20KA.所以該防雷方案在繞擊的情況下也適用.

4 結論

經仿真分析得出500kV變電站防雷方案如下：未并聯REA單線單母單母運行方式下，在進線部分加線路型MOV，母線上加電站型MOV，主變側加電站型MOV;并聯REA的各種單線單母單變方式下運行防雷措施是進線部分加線路型MOV，母線上加電站型MOV，主變側加電站型MOV，REA加線路型MOV.雖然這種方案比上中方案中多加了MOV，但是有效防止REA上的過電壓接近它的耐受電壓，保障REA安全可靠的運行.

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