雷擊過電壓影響下發電廠變電站避雷器配置優化研究

譚永杰

（山西凱嘉煤層氣發電有限公司， 山西 介休 032000）

引言

火電廠供電線出現雷擊會給供電系統的穩定性帶來顯著影響，同時主要的電氣設備絕緣能力無法自動修復。就發電廠高壓變電站而言，若避雷器配置數量過少則無法有效應對雷擊影響。為此，對發電廠變電站雷電侵入波過電壓進行分析對避雷器配置方案合理布置及優化具有重要意義。文中以某火電廠變電站為研究對象，對避雷器配置進行優化，在一定程度上提高了變電站運行安全保證能力。

1 變電站主要設備模型

桿塔是雷擊入侵的重要元件，桿塔選用多波阻抗模型，可較為準確地反應桿塔布置形狀給雷電侵入波在畸變、折發射等方面造成的影響。絕緣子閃絡過程模擬采用長岡非線性電感模型；輸電線路導體建模使用馬蒂模型。避雷器使用呈現出非線性U-I特征，文中用非線性電阻模型（type99）表征避雷器。變電站內的其他電器設備模型構建則采用入口電容簡化處理。

分析使用雙指數雷電波模型，雷電波波頭、波尾時間為2.6、50 μs；反擊雷電流、繞擊雷電流波阻抗，幅值分別為 300 Ω、800 Ω，240 kA、30 kA。

2 變電站雷擊點位置的選擇

根據現場實測數據以及以往研究成果，火電廠500 kV 變電站運行時當進線段出現雷擊時影響最大、威脅最嚴重。變電線路直線段距離約為500 m，因而通過分析變電站附近4～6 個桿塔位置的雷擊情況即可對變電站內的雷擊過電壓進行估算，而無需考慮多桿落雷情況。

現實中變電站雷擊點位置具有隨機性，輸電線路中任意位置都可能遭受雷擊并將雷電波沿供電線路入侵到變電站。但為了便于分析，必須選擇一合適雷電點位置，同時該位置雷擊時產生的過電壓最大。

雷擊點位于桿塔頂部時產生的過電壓較大，在模擬仿真分析反擊時應將雷擊點選擇在桿塔頂部。對于繞擊而言，由于導線弧垂影響及桿塔處導線位置高的原因，更容易遭受雷擊，產生的繞擊雷電壓較大，為此在模擬仿真分析繞擊時落雷點可選在桿塔導線上。

3 仿真分析

3.1 基本條件

電廠變電站有4 臺容量為750 MVA 柱變電站，500 kV 電網通過半斷路器連接，采用架空形式出線，共計6 回。為了提高變電站設備運行的可靠性并降低后期設備維護、保養工作難度及工作量，500 kV 采用平高東芝HGIS 設備，具體側系統接線情況見圖1。

圖1 500kV 側系統接線情況

在對雷擊過電壓計算時，接線方式應為過電壓對變電站運行影響最顯著方式，文中擬將4 種不同的單接線方式（1 號主變—出線3、2 號主變—出線3、2 號主變—出線4、2 號主變—出線1）進行比對，在雷擊影響下對主變側、主變斷路器以及母線電壓互感器受沖擊電壓影響情況進行分析。

把主變壓器、其他設備雷電沖擊耐受電壓分別取為1 550 kV、1 675 kV，并將其絕緣裕度分別取為1.15、1.1，則主變壓器、其他設備允許過電壓值分別為1 348 kV、1 523 kV。

3.2 模擬仿真分析

采用ATPDraw 軟件構建變電站仿真模型，對變電站任一位置雷擊過電壓影響進行分析。下文就以桿塔及繞擊為雷擊點，對變電站主變壓器、母線電壓互感器及斷路器的繞擊過電壓、雷電反擊等情況進行分析。

3.2.1 繞擊過電壓

雷擊點選擇在桿塔繞擊導線處并結合一線一變情況，桿塔自身接地電阻為10 Ω，避雷器安裝位置與主變壓器距離在20 m 以內，具體仿真得到不同接線方式下的母線、斷路器及主變電站等位置繞擊過電壓值見表1。

從仿真結果看出，各位置的過電壓值均未超過允許值，同時均有一定的絕緣裕度。采用2 號主變-出線1 方式時主變、斷路器及母線位置繞擊過電壓值最小。

3.2.2 反擊過電壓

雷擊點選擇在2 號桿塔反擊導線處并結合一線一變情況，桿塔自身接地電阻為10 Ω，構建仿真模型，對不同接線運行方式下反擊過電壓影響情況進行分析，具體仿真得到不同接線方式下的母線、斷路器及主變電站等位置反擊過電壓值見表2。從仿真結果看出，各位置的過電壓值均未超過允許值且均有一定的絕緣裕度；反擊過電壓對母線、斷路器及主變電站等位置產生的過電壓趨勢與繞擊過電壓一致，均是1 號主變—出線3 最大、2 號主變—出線1最小。

表2 各位置反擊過電壓數值

3.2.3 避雷器與主變電站間距確定

避雷器與主變電站間距對主變電站上雷擊過電壓有顯著影響。為了確保避雷器可有效保護主變電站，對避雷器與主變電站不同距離時，雷擊影響下對主變電站過電壓、經流MOA 阻性電流進行監測，具體見表3。

表3 避雷器與主變電站間距對過電壓影響

從表3 看出，避雷器與主變站間距越小，主變電站過電壓越小。當間距在30 m 時，當母線位置未配備有避雷器時，則主變電側絕緣可能會被雷擊過電壓擊穿，從而影響設備正常運行。

4 結論

1）按照相關規程、規范要求，將主變壓器允許過電壓值1 348 kV，電流互感器及電壓互感器允許過電壓值1 523 kV，對雷擊影響下主變壓器、母線及斷路器等位置過電壓進行監測，發現各位置過電壓值均未超過允許時且有一定絕緣裕度；當避雷器與主變電站間距超過30 m 時，若母線側未配備避雷器則雷擊過電壓可能會擊穿主變電側絕緣；

2）根據模擬仿真結果，變電站避雷器配置建議采取下述方案：500 kV 入口位置布置一組444/1106避雷器（放電電流20 kA）、母線位置無需布置避雷器、主變電側距離25 m 內布置一組444/1106 避雷器（放電電流20 kA）。采取上述避雷器配置方案可有效避免雷擊給變電站運行帶來的影響。