500kV 变电站断路器雷电过电压仿真研究

2015-04-01靳彦辉郝竹筠于万祥

吉林电力 2015年3期

靳彦辉，郝竹筠，刘宸，于万祥

（1.国网长春供电公司，长春 130021；2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；3.国网吉林省电力有限公司培训中心，长春 130062）

随着我国电网的不断发展，500kV 及以上电压等级的超高压输电网络已成为我国的主干电网，因此其可靠性对保障电网稳定运行有着至关重要的作用。本文以500kV 变电站为例，采用国际通用的电磁暂态计算程序EMTP，对变电站断路器处于线路检修断开或因事故跳闸时的雷电侵入波过电压进行系统的仿真计算，并对防雷措施进行了分析。

1 500kV 断路器雷击事故及原因简析

1.1 雷击事故简述

文献［1］至文献［3］分别介绍了500kV、220kV及110kV 变电站断路器因雷击发生外绝缘击穿的事故案例，这些案例的共同点有：事故地区多雷雨；正常运行的线路侧断路器其外侧未安装避雷器；杆塔对地电阻略大，起不到足够的对雷电波的削弱作用；在断路器断开时，线路遭受雷击，雷电波在断路器断口处发生全反射，产生较高的过电压，导致断路器的绝缘闪络。

虽然断路器断开时线路受到雷击的事件发生概率很小，但从事故带来的损失和近年来国内发生的案例来看，多雷雨地区的变电站及输电线路应该对此类事故采取一定的防范措施。

1.2 事故原因简析

线路1与线路2在A点相连（见图1），线路1的波阻抗为z1，线路2的波阻抗为z2。u1q为雷电入射波，u2q为u1q的折射波，u1f为反射波。当线路末端因断路器跳开而开路时，相当于线路2的波阻抗是无穷大的。根据行波的传播理论［4］，当入射波传入到达开路的线路末端A点时，会在A点发生全反射，使A点的电压幅值变为原来的2倍。

当变电站的断路器处于断开状态下，变电站出线受到雷击产生雷电入侵波时，雷电入侵波的传播过程即相当于线路末端开路的情况，这种情况下会在断路器断口产生2倍的雷电过电压；同时由于变电站引线较多，雷电侵入波在换流站交就部分内部会发生多次折射和反射，导致断路器端口上多次形成较高的过电压值，造成断口外绝缘的绝缘击穿。

图1 行波的折射和反射示意图

2 断路器断开状态下雷电侵入波过电压仿真计算

2.1 仿真建模

仿真采用国际通用的电磁暂态计算程序EMTP。在进行EMTP 的仿真计算时要对变电站及其进线段的各电气设备进行合理地模拟，建立尽量准确的模型。过电压校核计算中的模型均根据事故具体情况进行选取。在建立模型时，为了更好地模拟事故时的实际情况，将变电站的进线段与变电站作为一个整体网络进行建模，输电杆塔、输电线路、避雷器、变压器、电压互感器等设备均采用了等效模型进行模拟［5］。

在EMTP的仿真模型中，雷电流的波形取2.6/50μs的三角波；铁塔模型采用四段模型；输电线路模型采用EMTP程序中的J.Marti模型；绝缘子闪络模型采用先导模型；变压器、断路器断口、电流互感器、电压互感器及避雷器等电气设备均采用相应的电容等值参数模拟。建模的500kV 变电站主接线见图2。

2.2 非完整串断路器断开时雷电侵入波过电压仿真

在非完整串的进线线路1上设置雷击故障，调节雷电冲击电流的峰值，计算雷击时的设备过电压值。GB 311.1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》中的规定500kV 断路器端口绝缘额定雷电冲击耐受电压需达到1 865kV，仿真中根据此规定判定断路器是否发生绝缘闪络。当雷电流的峰值为127kA 时，非完整串上的断路器103断口即可能发生闪络，此时各电气设备的过电压值见表1。

由以上仿真结果可知：当断路器101和103处于开断状态时，断路器的耐雷水平很低；断路器103断口电压明显高于断路器101，因而，雷电波侵入时距离线路避雷器较远的断路器103断口间发生闪络的概率远高于101。