海上升压站主变避雷器雷电过电压保护距离研究

徐旸，朱晟，蓝磊，王羽，文习山

(1.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072;2.云南电网公司昆明供电局，昆明市 650000)

海上升压站主变避雷器雷电过电压保护距离研究

徐旸1，朱晟2，蓝磊1，王羽1，文习山1

(1.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072;2.云南电网公司昆明供电局，昆明市 650000)

国内早期的海上升压站为主变室外布置，主变油枕易遭受雷击。通过分析避雷器保护距离产生的原因，借助ATP/EMTP电磁暂态仿真软件，建立了变压器雷击暂态模型，并结合工程实例分析了雷电流幅值及避雷器安装位置对站内设备过电压的影响。研究发现：雷击主变油枕，站内主要受影响的设备为主变压器，且避雷器的安装位置很大程度上影响着变压器上的雷电冲击过电压值。因此，文章对避雷器保护距离进行了进一步的研究分析，指出在进行海上升压站设计时，避雷器应尽量靠近主变压器安装。最后，通过参数拟合得出避雷器保护距离与雷电流幅值配合曲线及避雷器保护距离与平台接地电阻配合曲线，为海上升压站内避雷器的安装提供了参考依据。

海上升压站；变压器；雷电过电压；避雷器(MOA)；保护距离

0 引 言

在全球节能减排、环保的大背景下，风电以其清洁、无污染的优势成为了新能源发电技术的研究重点，而海上风电更是以其不占土地资源、基本不受地线地貌影响、单机容量大等优点，成为了研究热点[1-2]。2010年3月，东海风电场成功完成首台风电机组的安装，标志着我国海上风电正式进入工程实施阶段[3]。根据最新统计数据显示，截止2013年，中国已建成的海上风电项目共计428.6 MW[4]，到2023年我国海上风电市场规模将达到130亿美元[5]。我国近海风力资源储量丰富，保守估计约750 GW[2]，但是海上风力发电建设进展较为缓慢，主要原因在于海上风电工程的高成本、复杂环境及其复杂配套措施，尽管如此，大力发展海上风电依然是我国未来风能利用和发展的重点。

目前对于海上风力发电的研究集中在机组设计[6-8]、并网规划[9-11]、接线优化[1]以及基础结构[12-14]。对于海上风力发电场的过电压研究，目前则主要集中在工频过电压、操作过电压及雷电侵入波过电压的系统建模分析上[15-19]。文献[20]对高压交流海底电缆在PSCAD EMTDC中的建模进行了详细叙述，并结合模型仿真分析了海上风电场进行并网时产生的暂态现象。文献[21-23]利用RV/EMTP建立了风力机组的雷电暂态模型，并分别仿真计算了风电机组落雷及机组附近地面落雷对二次系统的影响，并且结合实例比较了浪涌保护器(surge protective device, SPD)安装效果。但是目前对于海上风力发电站的直击雷防护仍停留在理论分析上[24-25]。对于避雷器保护距离的研究也主要局限于雷电侵入波作用时[26]，对海上风电场不一定具有普适性。

本文通过在ATP/EMTP中建立变压器的雷击暂态模型，研究分析变压器避雷器安装位置对于海上升压站雷电防护效果的影响。并结合计算结果拟合出避雷器保护距离与雷电流幅值配合曲线及避雷器保护距离与平台接地电阻配合曲线，为海上升压站内避雷器的安装提供参考。

1 海上升压站直击雷及其防护

根据欧洲海上升压站的设计和运行经验，提倡将主变压器布置在室内。但是国内早期投运的平板车式结构[3]海上升压站将主变压器布置于室外，油枕处于平台至高点。海上为雷电活动频繁地区，工程中常通过架设避雷针、敷设避雷带防止直击雷，如图1(a)所示。

如果保护措施不当，油枕将有遭受雷击的可能。当油枕遭受雷击后，产生的过电压会对升压站内设备造成绝缘损害。发、变电站常利用氧化锌避雷器限制雷电侵入波过电压，且避雷器具有一定的保护距离，安装时应尽量靠近变压器[27]。同样的，海上升压站可以通过安装避雷器来限制雷击主变压器对站内设备造成的雷电冲击过电压，如图1(b)所示。

图1 海上升压站直击雷防护Fig.1 Protection against direct lightning of offshore substation

2 变压器与避雷器间的保护距离

由此可见，为了保证变压器上的电压不能超过一定的允许水平，变压器与避雷器间的距离不能太远[26]。将这个临界距离称为避雷器的保护距离。

图2 避雷器与变压器电气距离简化分析示意图Fig.2 Simplified diagram of distance between MOA and transformer

3 模型建立

根据前期研究，雷击主变压器油枕，低压套管首先发生闪络，一部分雷电流将沿主变低压套管流入低压侧出线，导致低压侧设备电压升高。因此研究主要针对变压器35 kV侧设备开展[27]。以珠海某110 kV海上变电站电气布置为基础，建立仿真示意图如图3所示。

图3 仿真示意图Fig.3 Scheme of simulation

3.1 变压器外壳模型

对于室外变压器，若不考虑冷却器的影响，其金属外壳形状近似为长方体。采用纵向和横向的波阻抗对雷电流在外壳上的传播特性进行等效，如图4所示。

图4 变压器外壳等效模型Fig.4 Equivalent model of transformer casing

3.2 变压器绕组模型

采用理想变压器模型及高压侧绕组对变压器外

壳电容，低压侧绕组对变压器外壳电容，及高低压绕组间的电容对变压器绕组进行模拟。图5所示为变压器单相绕组传递过电压模型。

图5 变压器单相绕组模型Fig.5 Model of single phase winding in transformer

3.3 套管闪络模型

变压器高、低压侧绝缘套管的闪络利用压控开关模型进行模拟。高压侧套管雷击闪络电压取550 kV，低压侧套管的雷击闪络电压取185 kV[28-29]。

3.4 海缆模型

与海上风力发电场、远景负荷相连的35 kV海底电缆分别为3×400 mm2和3×300 mm2三芯交联聚乙烯光电复合电缆。表1所示为工程选用的4种规格的海底电缆参数。

表1 35 kV海底电缆参数

Table 1 35 kV undersea cable parameters

mm

3.5 其他参数

由于雷电波的高频特性，升压站内设备如断路器、电流互感器、母线PT等均对外呈现明显的电容效应，因此可近似采用等值入口电容进行等效。35 kV侧主要电气设备入口电容取值[28]见表2。

表2 35 kV设备等值入口电容

Table 2 Equivalent capacitance of 35 kV devices

pF

主变35 kV侧安装避雷器型号为 Y5WZ-51/134。其伏安特性参数如表3所示。

4 仿真计算结果及数值分析

4.1 雷电流幅值的比较

当平台接地电阻为0.1 Ω，1号避雷器

表3 35 kV 氧化锌避雷器主要技术参数

Table 3 Main technology parameters of 35 kV MOA

安装在主变压器低压绕组出口处时，比较不同雷电流幅值下，主变35 kV侧各设备的过电压水平，计算结果如表4所示。

可以看出，随着雷电流幅值的增大，沿低压套管流入35 kV侧的雷电流增大，低压侧各设备上的过电压也逐渐增大；伴随着低压套管的闪络，主变过电压显著增大。同时还可以看到，低压侧主要受影响的设备是变压器。

4.2 避雷器安装位置的影响

根据该工程实际，主变低压绕组出线经过一段共

表4 不同雷电流幅值下各设备过电压值

Table 4 Overvoltage of devices under different

lightning current amplitudes

注：在雷电流幅值为170 kA时，变压器低压套管未发生闪络。

箱封闭母线(长度为50 m)接至站内低压设备。根据工程需要，对避雷器的安装位置进行校核。

在雷电流幅值为240 kA，平台接地电阻为0.1 Ω时，分别比较1号避雷器安装点到主变低压绕组出口距离L不同时各设备上过电压幅值，结果如表5所示。

表5 不同避雷器安装位置下各设备过电压值

Table 5 Overvoltage of devices under different

MOA positions

kV

分析可知，避雷器安装位置主要影响变压器的过电压幅值，变压器的过电压幅值随避雷器距主变低压绕组出口距离的增大逐渐增大。

同时也可以看到，在该种雷电流幅值下，除了变压器上的过电压值超出了设备的雷电冲击耐受电压200 kV[29]，其余的各设备均在耐受电压185 kV[29]内，且具有较高的绝缘裕度。因此，在后面研究中主要关注变压器的过电压幅值。

4.3 避雷器保护距离与平台接地电阻配合曲线

海上升压站通常利用平台基础作为自然接地体，利用海水层泄流，因此海上风电场平台的接地电阻较小，一般在0.1～0.5 Ω。

不同接地电阻值时，变压器上的雷电冲击过电压幅值随避雷器安装距离变化情况(选用雷电流幅值为200 kA)如表6所示，并对其进行拟合，如图6所示。

可以明显地看出，在不同的接地电阻下，变压器上的雷电冲击过电压均随着避雷器的安装距离增大而增大。且在同一避雷器安装距离下，平台接地电阻越大，变压器上的雷电冲击过电压值也越大。

以变压器内绝缘额定雷电冲击耐受电压200 kV为界作图，分析可以看出：当平台接地电阻超过 0.3 Ω时，改变避雷器安装位置不再能保证主变压器的安全；当平台散流效果极佳，等效接地电阻很小(在0.04 Ω以下)时，避雷器的安装距离具有相对较大的裕度；平台的接地电阻为0.3，0.2，0.1，0.08 Ω时，对应的临界安装距离分别为0.057，0.171，0.355，0.410 m。根据计算结果获得接地电阻与避雷器安装距离的配合曲线，如图7所示。

表6 不同接地电阻下主变压器过电压值

Table 6 Overvoltage of main transformer under different grounding resistances kV

图6 不同接地电阻时变压器雷电冲击过电压幅值分析Fig.6 Analysis on lightning overvoltage of transformer under different grounding resistances

图7 避雷器保护距离与接地电阻配合曲线Fig.7 Curves of MOA’s protection distance with earth resistances

因此，在实际工程中，应尽量选取散流效果好的接地基础。同时有必要结合测得的基础接地电阻值，对避雷器的安装位置进行校核。

4.4 避雷器保护距离与雷电流幅值配合曲线

分别计算不同雷电流幅值时，变压器上的雷电冲击过电压幅值随避雷器安装距离变化情况，取平台接地电阻为0.1 Ω，结果如表7，并对其进行拟合，如图8所示。

由图分析可知，变压器上的雷电冲击过电压幅值随避雷器的安装距离增大而增大，且过电压幅值上升趋势随雷电流幅值增大而变陡。

根据获得的拟合曲线，获得变压器雷电冲击过电压值为200 kV时的临界距离，即避雷器的保护距离。如图8所示，240，200，180 kA分别对应的避雷器保护距离为0.214，0.355，0.836 m。当避雷器安装位置距变压器低压绕组出口距离超过该临界值时，雷击主变油枕产生的过电压值将超过主变内绝缘耐受电压，可能造成主变压器发生雷害事故。根据结果对避雷器保护距离与雷电流幅值的关系进行曲线拟合，如图9所示。

因此在实际工程中，应尽量将避雷器安装在靠近主变压器低压绕组出口处，且必要时可以结合当地雷电监测数据，根据避雷器保护距离与雷电流幅值配合曲线对避雷器的安装进行校核。

表7 不同雷电流幅值下主变压器过电压值

Table 7 Overvoltage of main transformer under different lightning current amplitudes kV

图8 不同雷电流幅值时变压器雷电冲击过电压幅值分析Fig.8 Analysis on lightning overvoltage of transformer under different lightning current amplitudes

图9 避雷器保护距离与雷电流幅值配合曲线Fig.9 Curves of MOA’s protection distance with lightning current amplitude

5 结 论

本文结合某海上升压站设计实例，通过建立雷击主变油枕暂态模型，计算分析了雷电流幅值及主变低压侧避雷器安装距离对于站内设备雷电冲击过电压影响，并详细分析了避雷器安装距离对主变压器保护效果的影响。结果显示：(1)雷电流幅值超过170 kA后，低压套管发生闪络，主变过电压显著增大，且随着雷电流幅值的增大，各设备上的过电压逐渐增大；(2)雷击主变压器油枕，主要受影响的是主变压器，其余设备均在耐受电压范围内，且具有较大绝缘裕度；(3)对海上升压站进行防雷设计时，低压侧避雷器应尽量靠近变压器设置，必要时应结合当地雷电监测数据，对避雷器的安装位置进行校核；(4)工程中应尽量选取散流效果好的接地基础，同时有必要结合实测的基础接地电阻值，对避雷器的安装位置进行校核。

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(编辑 刘文莹)

MOA’s Lightning Overvoltage Protection Distance of Main Transformer in Offshore Substation

XU Yang1，ZHU Sheng2，LAN Lei1，WANG Yu1，WEN Xishan1

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Yunnan Power Grid Corporation Kunming Power Supply Bureau, Kunming 650000, China)

Domestic main transformer was exposed in early time and its conserver was likely to be stroke by lightning. Through the analysis on the causes of the protection distance of metal oxide arrester (MOA), this paper constructs the transient model of transformer during lightning stroke with using electromagnetic transient simulation software ATP/EMTP, and analyzes the influences of lightning current amplitude and MOA’s position on the overvoltage of substation devices combined with engineering examples. The results show that, the main transformer is the mainly influenced device in the platform, and the MOA’s position has a great effect on the lightning overvoltage of the transformer, during the lightning stroke on the conserve in main transform. Therefore, this paper further analyzes the protection distance of MOA, whose results show that MOA should be installed as close as possible to the main transformer during the design of offshore substation. At last, through the parameter fitting, we obtain the curves of MOA’s protection distance with lightning current amplitude and that with earth resistance, which can a reference for the MOA’s installment in offshore substation.

offshore substation; transformer; lightning overvoltage; metal oxide arrester (MOA); protection distance

TM 862

A

1000-7229(2016)02-0138-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.020

2015-10-24

徐旸(1991)，女，硕士，主要从事海上风电防雷与过电压研究工作；

朱晟(1991)，男，学士，助理工程师，主要从事电力系统继电保护整定研究工作；

蓝磊(1969)，女，博士，博导，主要从事电力系统防雷方面研究工作；

王羽(1983)，男，博士，讲师，主要从事电力系统防雷方面研究工作；

文习山(1962)，男，博士，博导，主要从事电力系统过电压及绝缘技术方面研究工作。