500 kV变电站雷电过电压仿真与分析

王 婷，王 娜

(沈阳化工大学信息工程学院，辽宁 沈阳 110142)

据统计，每年约有40%～70%的电力系统故障是由雷击引起的。因此，良好的防雷措施对系统具有很好的保护作用。国内外对雷电过电压有大量研究，主要集中在雷电过电压建模仿真和雷电过电压抑制措施两个方面。在建模研究过程中，忽略电晕及杆塔冲击电阻等因素的影响，从实际情况来看，这种模型精确度较低。将变电站与进线段相结合，只考虑与门型构架很近的1号杆塔，作为雷电侵入波最严重的情况进行研究，这与实际变电站运行不相符；抑制措施方面，避雷器对防雷工作的机能，给出避雷器不同的装设方案，现有最好用的方法是在全线三相加装线路避雷器，但未考虑实际杆塔的结构特点[1-4]。本文以500 kV变电站为研究对象，通过ATP-EMTP仿真研究，分别考虑雷击不同位置时，变电站内各电气设备过电压的变化；将杆塔接地电阻分为远雷区和近雷区，分别改变其值，观察主变压器侧过电压值的变化以及主变侧安装避雷器等因素，并兼顾经济性和可靠性，保证绝缘裕度的前提下，对避雷器配置方案进行合理优化研究。

1 仿真计算电路图及参数设置

1.1 仿真计算电路图

图1为某500 kV变电站等效电路图，出于变电站系统安全性考虑，本文选取“一线一变”最严重的运行方式进行仿真分析。图中CVT为电容电压互感器；TA为电流互感器；DS为隔离开关；CB为断路器；F为避雷器；T为变压器。

1.2 仿真模型参数设置

a.雷电流模型

实际超高压输变电路运行中，产生的雷电流大多数为负极性雷电流。由于指数波更能反映雷电流波形的实际波形，仿真中选用雷电流波形的波头时间为2.6 μs，波长时间为50 μs的双指数波雷电流。其波形函数如式(1)。

U(t)=A(e-αt-e-βt)

(1)

式中：A为雷电流幅值；ɑ﹑β为与雷电波波头波尾时间有关的常数。根据电力行业标准DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中的规定，我国一般地区雷电流幅值概率曲线可表示为

lg(P)=-I/88

(2)

式中：I为雷电流幅值，kA；P为幅值大于I的雷电流出现的概率。在仿真中，雷电流幅值取210 kA,大于此值的概率小于 4.1%。

b.杆塔模型

根据国家标准GB/T 50064—2014，仿真中杆塔模型选用多波阻抗模型，杆塔的波阻抗参考值为150 Ω，杆塔波速取为 2.1×108m/s。在仿真时将杆塔等效为一个集中电感模型。杆塔模型如图2所示。

c.变电站内部设备模型

变压器﹑断路器﹑隔离开关及其他电气设备用阻值入口电容来代替[5-8],其中变压器参数根据式(3)选取：

(3)

式中：S为变压器三相容量(MVA)；对于500 kV以上电压等级，n=4，K=940。

2 雷击点对主变过电压的影响

在500 kV变电站中，雷击点是影响系统各个设备的重要因素。本文仿真计算时将变电站和进线段结合起来，离变电站2 km以内的1-5号杆塔为近雷区，离变电站在2 km及以外的6号杆塔为远雷区。由于1号杆塔与变电站门型构架距离较近，而变电站门型构架的接地电阻一般都很小，当雷击1号杆塔的塔顶位置时，雷电波通过地面地线返回的负反射波很快回到1号杆塔，因此1号杆塔的电位相对降低，使雷击1号杆塔所产生的过电压大大降低[9-11]。

表1 主变过电压值和MOA最大电流值

由仿真数据可以看出，雷击不同位置对雷电过电压会存在较大影响；MOA避雷器最大电流值不受雷击位置的影响。雷击2号杆塔时主变过电压值最高。这是由于2号与变电站距离很近，在传输过程中雷击波衰减很小，故其过电压值较大，与2号相比，其他杆塔与变电站之间距离相对较远，随着距离不断增大，线路的电晕损耗不断减小，雷击波衰减导致其幅值和陡度降低，形成的过电压值减小。雷击2号和6号杆塔时的波形如图3所示。

由仿真结果可以看出，当雷击2号杆塔时，主变过电压值最大达到2.38 pu左右；而雷击6号杆塔时主变过电压值在1.99 pu左右。因此，雷击近雷区杆塔对主变压器以及主要电气设备影响较大。

3 杆塔接地电阻对主变过电压的影响

杆塔冲击接地电阻值的大小是一个重要的影响因素。在杆塔遭受雷击时，杆塔模型会通过避雷线分流到相邻杆塔中，使杆塔接地装置产生电压降，这样就使杆塔顶端电位升高，增加了绝缘子保护装置击穿的可能性[12-13]。在以往研究中，只改变杆塔接地电阻的取值，而在本文将杆塔接地电阻分为远雷区与近雷区，分别取远雷区和近雷区杆塔接地电阻值为7 Ω、10 Ω、12 Ω、15 Ω，以2号杆塔为例。分析主变过电压变化情况，得到对变电站最有利的电阻仿真结果，如图4所示。

由图4可以看出，随着接地电阻增加，主变过电压不断增加。主变过电压过大，会对变电站内设备稳定运行造成很大的威胁。因此，降低接地电阻不仅能降低主变过电压，也会对变电站有很大保护。由图4(a)和图4(b)对比可以看出，改变近雷区接地电阻要比改变远雷区接地电阻的变化趋势要明显。将杆塔接地电阻分为近雷区和远雷区，可更有利于减小主变过电压。因此为保证系统稳定运行，可改变近雷区杆塔接地电阻。

4 避雷器安装位置对主变过电压的影响

变压器是整个变电站内最主要装置，故必须对主变压器实施保护措施[14]。由仿真可知，当主变侧未加避雷器时，主变过电压值为3.73 pu,而在主变侧加一组避雷器时主变侧过电压值为2.38 pu，两值相差1.35 pu。因此，加装避雷器可有效保证系统稳定运行。进而分析避雷器与主变距离对主变过电压值的影响，以便确定安装避雷器的理想位置，其仿真结果如表2所示。

表2 不同电气距离下主变过电压值分析

由表2可以看出，主变过电压不断增加，而避雷器的电流先随主变与避雷器的距离增大而上升，然后在距离达到40～50 m时避雷器电流明显降低。在避雷器与主变的距离达到60～70 m甚至更远时，主变的过电压与主变侧未加避雷器时的过电压差不多。综合考虑，变电站的设计过程中，根据变电站的实际运行情况，综合考虑避雷器与主变压器的电气距离对主变过电压和避雷器电流的影响建议主变与避雷器的安装距离不超过50 m。

5 结论

本文以500 kV变电站作为研究对象，主要研究变电站雷电侵入波过电压的影响因素以及防雷保护措施。由以上的ATP-EMTP仿真可以得到以下结论。

a.研究500 kV雷电侵入波过电压时，采用ATP-EMTP仿真，将变电站及进线段看作一个整体。由于2号与变电站距离很近，在传输过程中雷击波衰减很小，故其过电压值较大。

b.杆塔冲击接地电阻越小，变电站内设备的过电压值越小，研究时区分近区(1-5号杆塔)和远区(6号杆塔)雷击，改变近雷区的杆塔接地电阻比改变远雷区的杆塔接地电阻，主变过电压减小更明显。因此，在工程中应尽量减小近雷区杆塔接地电阻。

c.主变侧避雷器保护距离对过电压水平有很重要的影响。随着距离的不断增加，主变压器的过点压值越大。距离主变侧50 m之内加装避雷器，可有效保护变电站稳定运行。