1 000 kV特高压系统雷击保护的建模与仿真分析

蔡 双, 蔡明山,曹文辉



1 000 kV特高压系统雷击保护的建模与仿真分析

蔡 双1, 蔡明山2,曹文辉3

(1. 华东交通大学 电气与电子工程学院, 江西 南昌, 330013; 2. 湖南文理学院 计算机科学与技术学院, 湖南 常德, 415000; 3. 华东交通大学 电气与电子工程学院, 江西 南昌, 330013)

利用国际通用的图形化电磁暂态计算程序ATP-EMTP对1 000 kV特高压系统雷击过电压进行了建模与仿真研究, 分别建立了杆塔、输电线路、避雷器模型; 进行了雷击杆塔及其母线、杆塔接地电阻对雷电过电压影响, 以及变电站母线处安装避雷器对过电压的影响、串联电感对雷电过电压影响的仿真研究. 仿真计算表明了避雷器在变电站防雷过程中的重要作用, 还给出了过电压的分布、变化规律, 为高压变电站雷击保护研究及其优化设计提供了有价值的参考依据和可行的工程方法.

ATP-EMTP; 雷击; 过电压; 建模; 仿真

特高压交直流输电工程是代表当今世界最高水平的电力工程, 是我国能源基础研究和建设领域的重大自主创新, 也是我国电网建设、运行整体水平迈上新台阶的重要标志, 对于解决我国能源区域分布不平衡问题以及推动“坚强智能电网”的建设起着极其重要的作用[1].

我国特高压工程建设是以1 000 kV等级特高压系统为骨干网架而展开, 因此对1 000 kV等级特高压工程过电压与防雷保护的研究就显得尤为重要. 由于国外特高压输电工程设计以及运行经验均不足[2], 国内学者已经进行的研究极少并且有相当的局限性, 因此留下了很大的安全隐患. 文献[3]只考虑了输电线路的防雷, 却忽略了变电站内的防雷. 文献[4]虽然对变电站雷电入侵波进行了仿真分析, 但是仅仅考虑了杆塔冲击接地电阻对雷击过电压的影响, 而忽略了其它因素的影响. 本文全面考虑各种影响因素, 将1 000 kV变电站和进线段充分结合起来, 通过对变电站进线段雷击点位置、母线是否架设避雷器、远近区杆塔的冲击接地电阻、在主变避雷器前串联电感进行全面系统的仿真分析, 为1 000 kV变电站过电压防雷保护方案提供新的工程参考.

1 雷电波侵入方式

变电站的雷电波侵入有3种方式: 绕击、远区反击和近区反击. 对有避雷线的线路来说, 常把变电站附近2 km长的一段线路叫进线段, 线路其余长度的避雷线用于线路防雷, 并担负避免或减少变电站雷电波侵入的作用. 离变电所2 km及以外的为远区雷击, 2 km以内的为近区雷击[5]. 对变电所进线段的保护目的在于限制流经避雷器的雷电流和限制侵入波的陡度.

研究近区雷击时, 选择2 km以内的l-5号杆塔, 研究远区雷击时, 选择在2 km处的6号杆塔.

2 ATP-EMTP模型构建

笔者对1 000 kV特高压系统进行分析, 其常见单线图见图1. 模拟事故是由雷击变电站900 m处的杆塔引起的单相反击雷闪络.

按规程处理考虑, 雷击电流波形参数的幅值选250 kA, 波前/波后的时间段为2.6/50 μs, 在该实验中, 只有线路1和线路2连在变压器母线上, 变压器由常规避雷器来保护.

图1 变电站的单线图(常见)

2.1 杆塔模型

在防雷计算中, 雷电冲击波作用下塔顶呈现的电位与塔顶注入的冲击电流的比值, 即杆塔的冲击响应波阻抗是非常重要的参数, 它直接影响塔顶电位的计算结果. 在工程近似计算上, 杆塔常被等效为集中参数的电感或分布参数长线. 将杆塔视为分布参数, 按波阻抗考虑, 用单相无损线来模拟杆塔.

2.2 输电线路模型

对变电站外的输电线路采用5线的JMarti LCC模型(相导线加架空地线), 即3条相导线和2条地线的模型. 因为这种架空线的模型直接计算了地线与导线之间的藕合关系, 所以在计算过程中就不必再考虑被击避雷线与已闪络导线对未闪络导线的藕合电压, 这样简化了计算, 提高了计算精度.

本文选取的进线段导线采用8×LGJ-500/45钢芯铝绞线, 8分裂导线为正多边形排列, 分裂间距为400 mm, 子导线半径为15 mm, 弧垂17 m; 两根底线均采用LBGJ-150-20AC铝包钢绞线, 弧垂15 m. 输电线路的电气参数和导线规格及参数见文献[6-7].

2.3 避雷器模型

无间隙金属氧化物或氧化锌避雷器是一种高度非线性的电阻, 在陡波电流下, 其阀片相当于一个极高阻值的非线性电阻与电容器的并联, 当加于阀片的电压低于某一临界值时, 阀片相当于极高阻值的电阻, 即正常电压范围内它的斜率趋于无限大, 而在较高电压时, 阀片在过电压保护范围内的斜率几乎是0, 这些避雷器电阻的非线性可用指数函数描述. 其电压电流的关系满足下式:

式(1)中的、和是常数.ref为参考电压, 通常取额定电压的两倍或接近两倍的值,的典型值为20～30. 一般难以用一个指数函数来描述整个范围内的特性, 因此在ATP-EMTP中将电压范围分成几段, 每一段有其自己的指数函数, 即采用分段线性函数模型来模拟. 但无间隙金属氧化物的模型只需要一个指数函数来描述其特性.

1 000 kV特高压系统采用的金属氧化物避雷器主要技术参数见文献[8], 其电气性能参数见文献[9]. 根据表1提供的参数, ATP-EMTP中避雷器的模型生成的非线性伏安特性曲线如图2所示.

图2 避雷器的伏安特性曲线

2.4 变压器等电气设备的模型

表1 母线有/无安装避雷器各设备过电压/MV

因雷电波等值频率较高, 维持时间很短, 通常10 μs左右即可算出最大过电压幅值, 故变电站设备如变压器、隔离开关、断路器、互感器等, 在雷电流作用下均可等值成冲击入口电容, 它们之间有分布参数线段相隔. 计算变压器入口电容的经验公式为:

式(2)中,表示变压器的三相容量, 单位为MVA,=4(对500 kV级及以上的电压),=940.

3 仿真计算

当所有条件给定时, 运用ATP-EMTP可画出各种条件下的电路图[10-11].

3.1 雷击杆塔仿真研究

对于雷击杆塔的情况, 通过对变电站各个设备的过电压分别在有无避雷器的情况下进行仿真, 波形如图3和图4, 通过表2数据比较可以知道, 加避雷器后各个设备的最大过电压都有明显下降, 从而说明避雷器在雷电流过电压入侵变电站时起到十分重要的作用, 保护变电站内电器设备不受损害, 提高了电力系统的安全性和可靠. (注: 图3及图4中PT是电压互感器, TR是变压器).

图3 直击杆塔时无避雷器过电压

图4 直击杆塔时安装避雷器过电压

表2 直击杆塔有/无避雷器过电压比较/MV

表3 直击母线有/无避雷器过电压比较/MV

图5 直击母线时无避雷器过电压

3.2 雷击杆塔母线仿真研究

把雷击点移到变电站内母线处, 站内设备PT、TR的过电压波形如图5、6所示; 通过表3数据比较可以知道, 在雷电直击母线的情况下, 加避雷器后各个设备的最大过电压也有明显下降, 避雷器同样起到了重要的保护作用.

对于雷击杆塔母线时, 通过对变电站设备PT和TR的过电压仿真波形图5和图6与前面波形3和4比较分析知, 变电站内电器设备过电压比雷直击杆塔时的过电压高很多, 因此应尽量避免雷击近区杆塔而引起反击和雷击母线.

图6 直击母线时有避雷器过电压

3.3 杆塔接地电阻对雷电过电压影响

通过改变杆塔接地电阻大小, 得到相应接地电阻时变电站各个设备的过电压, 如表4所示, 随着接地电阻的增大, 各个设备的过电压也随着增大. 因此, 应尽可能降低杆塔的接地电阻, 使各设备的过电压值不超过其额定雷电冲击耐受电压, 这对限制过电压水平和节约成本也有极大的意义.

3.4 变电站母线处安装避雷器对过电压影响

在变电站内母线处加避雷器进行仿真, 得到相应的变电站各个设备的过电压, 如表1所示, 可以得知, 在母线处安装避雷器, 可以有效降低变电站各设备雷电过电压.

3.5 串联电感对雷电过电压的影响

在避雷器前串联一个电感, 取1 mH, 5 mH, 10 mH 不同等级进行仿真, 得出相应的雷电波波前陡度, 如表5所示, 可以得知, 随着串联电感的增大, 波前陡度下降很多, 说明串联电感越大, 对侵入波陡度的抑制作用就越强.

表4 不同杆塔接地电阻相应的变电站各设备过电压

表5 串联电感后雷电波波前陡度

4 结论

将进线段和变电站结合起来同时考虑, 仿真结果更加全面而接近实际. 仿真结果表明, 避雷器在变电站防雷过程中起着重要的作用; 随着杆塔接地电阻的增大、雷击点与变电站距离的减小, 设备过电压值将增大; 在避雷器前串联电感, 能有效降低侵入波陡度. 通过对电气设备上所产生的雷电过电压进行仿真计算, 可找出过电压的分布、变化规律, 为防护雷电过电压、保护电气设备提供了有价值的参考依据, 为高压变电站雷击保护研究分析提供了有利可行的方法, 可进一步优化变电站的工程设计.

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Analysis of 1 000 kV UHV system lightning protection by modeling and simulating

CAI Shuang1, CAI Ming-shan2, CAO Wen-hui3

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, East of China Jiao tong University, Nanchang 330013, China; 2. School of Computer Science and Technology, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China; 3. School of Electrical and Electronic Engineering, East of China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Applying international common graphical electromagnetic transient program ATP-EMTP, and by modeling and simulating, the lightning overvoltage on 1000kV UHV system is studied. The power tower, transmission lines and lightning arresters are modeled individually. The influences of thunderstruck on tower and bus, the influences of tower grounding resistance to lightning overvoltage, as well as the substation bus arresters’ influences to overvoltage and series inductors’ influences to lightning over-voltage, are studied by simulating. Simulation and calculation show lightning arresters’ important role for lightning protection insubstation, The distributing and varying law of overvoltage are also given. This work provides valuable reference data as well as a practical engineering method for high voltage substation lightning protection research and its optimized design.

ATP-EMTP; lighting; overvoltage; modeling; simulating

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.03.014

TM 862

1672-6146(2012)03-0050-04

2012-06-28

蔡双(1989-), 男, 研究生, 研究方向为电力系统及其自动化. E-mail: 814889149@qq.com

(责任编校:刘刚毅)