500kV AIS变电站雷电过电压防护研究

吴静子，丁胜强，甘凌霞，李雷

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412000；2.湖南湘潭电业局，湖南 湘潭 411101；3.江西九江供电公司，江西 九江 332000）

1 引言

随着我国电力的发展，500kV输变电工程不断的增多，高压设备的安全显得尤为重要，而雷电侵入波又是对变电站构成威胁的主要方式之一。处于可靠性和经济性的角度考虑，对雷电侵入波过电压进行研究，以确保有雷电侵入时对各种运行方式下站内各电气设备的过电压水平不超过其绝缘水平［1］。500kV变电站内电抗器入口电容较大（一般可取3000～5000pF），其上过电压很可能超过设备的绝缘水平。因此，是否对其加装避雷器需要进行进一步的计算研究。

文章采用ATPDraw对雷电波及变电站进行仿真，主要对变电站内避雷器架设的位置设置提出不同的方案，针对仿真结果进行计算分析，为站内避雷器的布置设计提供参考。

2 模型建立与参数选择

ATPDraw是世界上应用最广的数字式仿真电磁暂态现象软件，基于图形化界面使得在使用中非常方便准确［2］。在此次研究中，雷电模型、输电线路模型、杆塔模型、避雷器模型均根据参数特点自己定义，变电站内设备变压器、隔离开关、断路器、互感器，电抗器等，在雷电波作用下，均用等值冲击入口电容表示。

2.1 500kV变电站等效电路图

如图1所示为曲江500kV变电站等效电路图，装设一组离入线口接近200m距离的并联电抗器。出于系统安全性的考虑，文章选取“一线一变”这种雷电过电压最为严重的运行方式进行仿真计算。图中T为变压器；L为电抗器；CVT为电压互感器；TA为电流互感器；GW为隔离开关；QF为断路器，MOA为氧化锌避雷器［3］。

图1 500kV变电站等效电路图

2.2 雷电模拟

雷电流属于单极性脉冲波。对我国现行标准推荐雷电流幅值分布的概率如下［4，5］:

I

P—幅值大于I的雷电流概率。

本文中取0.14%概率的雷电流，幅值为240kA，波形为2.6/50为仿真雷电流。

2.3 进线段模拟

雷电侵入波是通过进线段流入变电站的，所以对于进线段的模拟尤为重要。落雷点可分为近区落雷和远区落雷，规定:一般应该保证2km外线路导线上出线雷电侵入波过电压时，不引起发电厂和变电站电气设备绝缘损坏。但考虑到实际情况中若变电站2km外线路上落雷，传输到变电站内后能量大大衰减，不会对变电站内设备绝缘构成威胁。本文选取2km进线段距离，模拟了6个基塔及导线，冲击接地电阻分别为15Ω（离变电站最近的杆塔为7Ω）考虑最为严重的情况故雷击点选择在距变电站第二基杆塔塔顶。

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［6］。本文雷击点杆塔选用门型杆塔模型，按自然尺寸用多段分布参数模拟，其波阻抗取120Ω，波速为 210m/μs。

进线段参数:导线为四分裂结构，型号为4LG－400/35，分裂间距为450mm，波阻抗取280Ω，波速为300m/μs。避雷线型号:LGJ－95/55计算直径16mm直流电阻0.3Ω/km。

ATPDraw模拟进线段模型如图2所示。

2.4 避雷器参数

站内氧化锌避雷器参数如下:额定电压，444kV；系统标称电压，500kV；工频参考电压，628kV［4－5，7］。氧化锌电阻片伏安特性曲线如图3所示。

图2 进线段模型

图3 氧化锌电阻片伏安特性曲线

2.5 站内设备参数（见表1）

表1 站内设备等值入口电容及冲击绝缘水平

3 仿真结果及计算分析

3.1 根据避雷器的配置提出两种方案

a.在电抗器（L）前设置避雷器（MOA2）和主变设置避雷器（MOA1）。

b.在线路入口处设置避雷器（MOA2’）和主变设置避雷器（MOA1）。（参考图1所示）

电抗器上过电压随时间变化曲线如图4、5所示。

图4 电抗器上电压随时间变化曲线（方案a）

图5 电抗器上电压随时间变化曲线（方案b）

3.2 仿真结果计算

设备保护裕度的计算

其中，UB为设备的冲击绝缘水平；U为设备上承受的最大冲击电压；K为设备保护裕度［2，8］。文章通过MATLAB对仿真结果进行处理，得出结果见表2。

3.3 数据分析

通过表2可以看出采用方案a，即在电抗器前设置避雷器和主变设置避雷器，站内主要设备上过电压值均小与其绝缘水平，保护裕度均在10%以上。而在方案b中电抗器的值超过了其绝缘水平，保护裕度为－36.8%，明显不符合要求。

表2 主要设备过电压值及保护裕度

4 结论

文本把进线段和变电站结合起来同时考虑，从而使仿真结果更接近实际。雷击点的选择，雷电流的幅值及变电站的运行，均采用对变电站设备造成危害最为严重的情况进行计算仿真。随着电压等级的提高，关于电抗器的保护越加受到重视，在变电站的建设中不仅只考虑变压器的安全，还要兼顾电抗器等其他设备的安全。以方案a的设计计算结果完全能够满足设备绝缘水平要求并能够达到其保护裕度均在8%以上，为实际工程提供一定的参考。

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