基于ATP-EMTP某500kVGIS变电站防雷方案的配置

张瑞敏 章海亮 杜焱喆

摘要：500kV变电站是电力系统重要组成部分，当遇到雷电灾害将造成电力系统大范围的瘫痪.因此合理配置500kVGIS变电站防雷方案至关重要.本文通过对影响变电站雷击过电压的因素：运行方式、雷击点、工频电压、杆塔接地电阻、MOV与主变之间的电气距离.研究变电站内各设备的仿真模型，将变电站与进线部分结合起来考虑，通过EMTP-ATP建立整体模型后仿真分析.提出某新建500kV变电站雷电侵入波具体防护方案，同时满足绝缘裕度和经济性的要求.

关键词：500kVGIS变电站;雷电过电压;ATP-EMTP

中图分类号：TM86  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）06-0067-05

作为电力系统枢纽的500kV变电站，一旦遇到雷电灾害将影响电网的安全运行.雷击线路的概率远大于雷击变电站，沿线路侵入变电站的雷电过电压很常见，因此对500kV变电站进行雷电侵入波过电压仿真分析十分有必要.本文以某新建500kVGIS变电站研究对象，根据相关规程[1]-[3]，结合工程设计经验值，利用ATP-EMTP，考虑运行方式、设备参数、雷击点、杆塔类型及接地电阻、工频电压等因素建立系统模型后进行仿真，仿真计算中变压器等设备满足安全运行的标准：电气设备上出现的过电压不超过他们的雷电冲击绝缘水平，且站内各电气设备的保护裕度在15%以上[4].根据仿真结果结合考虑经济性能给出该新建变电站最佳防雷配置方案.

1 仿真模型的建立

一般我国雷暴日超过20的地区雷电峰值的概率分布为：

Lgp=-  （1-1）

式1-1中：p中为雷电流幅值超过I的概率，I为雷电流幅值，kA.

本文雷电波形按DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合标准取2.6/50μs斜角波，取等值波形为最接近设计雷电波形的双指数波[4].雷电通道波阻抗反击取300Ω，绕击取800Ω[5].选取负极性的雷电流最大值为250KA，概率为1.442‰.在ATPDraw中的仿真模型如图1-1所示.闪络模型运用的是ATPDraw中电压阀值模型调用ATPDraw自带flash.sup如图1-21所示.

该500kV电站中#0塔为门架塔，#1、#2为耐张塔、#3～#6为悬挂塔;在ATPDraw中的仿真图形[6]如图1-3、1-4、1-5示.本文中#0杆塔的接地电阻为7Ω，#1～#6杆塔的接地电阻为10Ω.杆塔的波速为2.5×108m/s.

采用ATPDraw中用非线性电阻来模拟MOV.MOV的参数如下表1-1示.

在仿真过程中考虑工频电压的影响，在仿真模型中加入了工频电流，使其通过三相电路与进线相连，调整初相角，全面分析工频电压对电过电压的影响[7]500kV的系统中，最高工作电压为550kV，单相的电压峰值为449kV.刚开始初相角设置为0°，三相正序，B、C相的初相角分别为240°、120°.频率为50Hz[8].在ATPDraw中用AC3PH模拟，双击图标设置参数.

输电线路以该变电站2km进线部分为研究对象，采用单回三相二线输电线路，水平排列，上面设有双避雷线.两根地线型号为GJ-80.

本文中使用的J.Marti模型是目前应用最广的具有频率相关参数的线路模型[9].输电线路采用的導线型号参数如表1-2示.

对于站内的设备连接线及母线则采用单相无损分布参数线路模型，用波阻抗Z和波速V表示.输电线路导线和避雷线的电气参数在表1-3示.

设备连接线及母线波阻抗取中Z=65Ω，波速为光速.仿真研究和绝缘配合研究时，对站内一些重要高压电器都可用入口电容表示.变压器用入口电容来模拟，公式如下[10]：

CT=k   （1-2）

CT为变压器入口电容，k为比例系数，对500kV变压器取940.

为保证设备的稳定运行一定留有配合系数即安全系数.规程规定变压器雷电耐受电压为1425kV，其他为1550kV.按标准内绝缘为1.15，外绝缘为1.05，则允许通过的电压为1239kV（变压器B），1348kV（CVT、REA、GIS、CT）.绝缘裕度的计算公式如下[11]：

K%=×100%   （1-3）

其中K%为绝缘裕度，BIL为雷击时变电站高压电器上的耐受电压，kV，Umax为雷击时高压电器上最大电压，kV.

2 仿真计算分析

该变电站的主接线图如图2-1所示，整个变电站进线有四回：双珠I、双珠II、双港I、双港II，对站内设备供电.其中双珠I、双珠II并联有电抗器REA.

本文将近区雷作为重点研究部分，2km之外的雷击不进行分析.#2杆塔有较高的侵入波过电压[12].故将雷击位置选择#2塔.

杆塔接地电阻是关系线路耐雷水平的关键因素，本文取经验值门塔接地电阻取7Ω，塔脚接地电阻取10Ω.

考虑最极端的单线单母单变的运行方式，研究双港Ⅱ线经Ⅱ母给#2号变压器供电、双珠Ⅰ线经Ⅱ母给#2号变压器供电.运行ATPDraw得到各设备的过电压波形.双港Ⅱ线经Ⅱ母给#2号主变供电仿真如图2-2.

根据公式（1-3），由雷击时变电站高压电器上耐受电压，和雷击时高压电器上最大电压，计算出绝缘裕度k%，如图2-3可知雷击#2塔时，最大电压达到6.4MV远远超出设备的绝缘水平.如图2-4可知变压器上的过电压达到了1372kV只有3.7%远低于15%，必须采取相应措施.如图2-5主变侧CVT5上的过电压达到1275kV，绝缘裕度为17.74%满足15%的绝缘裕度.GIS上的过电压波形如图2-6过电压为1148kV，绝缘裕度为25.94%满足15%的要求.如图2-7MOV5上的电流14.02KA，MOV9上的电流比较大达到了19.91KA，快超过避雷器的耐受值.

3 配置最佳防雷方案

考慮极端的单线单母单变的运行方式，及带电抗器和不带电抗器运行的两种方式.研究双港Ⅱ线经Ⅱ母给#2号变压器供电、双珠Ⅰ线经Ⅱ母给#2号变压器供电，运行方式及符号表如表3-1所示.

OP1运行方式下防雷方案及设备过电压情况如下表3-2示.

根据表3-2中可知C方案下设备的过电压和MOV上最大电流都是最小的.但是C方案是使用MOV最多的不符合经济性的要求.B方案下设备的过电压比A方案要低，且MOV的数值合适满足经济性的要求.根据（1-3）计算B方案设备绝缘裕度分别为B为33.26%;CVT为26.9%;GIS为26.45%;均满足绝缘裕度的要求MOV上最大电流为9.48KA远远小于20KA.该运行方式下雷电防护采取方案B.OP2运行方式下防雷方案及过电压情况如表3-3示.

从表3-2知.方案D各设备上的过电压水平最低，但是所用MOV的器件数太多.不能满足经济性.综合考虑过电压水平和经济性还是方案C最合适.各设备的绝缘裕度为CVT 31.29%;GIS 30.58%;REA 34.26%;B 33.61%满足绝缘裕度15%的要求.MOV上最大电流为8.52KA远远小于20KA.所以采取方案C最合适.在过电压最严重的单母单线单变且未并联REA采用表3-2中的方案B，有REA的情况则采用3-3中的方案C.即满足绝缘裕度的要求又经济合理.

在考虑反击、绕击情况下上的防雷方案在绕击时是否也能适用，绝缘裕度表如表3-4示.

表3-4可知，在OP1、OP2方式下运行B、C方案在该变电站单线单母单变反击时各设备上的过电压均满足绝缘裕度，且都在20%以上.MOV上最大电流均10KA以下.因此B、C方案的可行性高;绕击时各高压电器上的过电压均不超过耐受电压（1425kV、1550kV），且绝缘裕度均在18%以上.MOV上最大电流均小于20KA.所以该防雷方案在绕击的情况下也适用.

4 结论

经仿真分析得出500kV变电站防雷方案如下：未并联REA单线单母单母运行方式下，在进线部分加线路型MOV，母线上加电站型MOV，主变侧加电站型MOV;并联REA的各种单线单母单变方式下运行防雷措施是进线部分加线路型MOV，母线上加电站型MOV，主变侧加电站型MOV，REA加线路型MOV.虽然这种方案比上中方案中多加了MOV，但是有效防止REA上的过电压接近它的耐受电压，保障REA安全可靠的运行.

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