基于EMTP-RV的GIS变电站雷电过电压研究——以厄瓜多尔辛克雷水电站送出工程为例

陈 功，段 涛，许 ，陈 柏 森，曹 阳，肖 军

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.重庆长电联合能源有限责任公司，重庆 401121)

1 研究背景

2013年，中国提出了“一带一路”倡议，从此，中国企业“走出去”的步伐得以加速。厄瓜多尔特殊的地理位置，使其成为中国企业到达拉美国家的第一站[1-3]。厄瓜多尔拥有丰富的水电资源，其中装机容量1 500 MW的科卡科多-辛克雷水电站为500 kV互联系统和项目中230 kV系统提供电源。

据统计，电力系统50%以上的事故由雷电灾害造成[4]。雷电作为十大自然灾害之一，严重影响着变电站的安全稳定运行，400 kV以下变电站设备的绝缘配合主要由雷电过电压决定[5-7]。

因此，笔者采用国际通用的电磁暂态仿真软件EMTP-RV，选取工程中新建的230 kV EPF变电站作为研究对象。根据该变电站的电气主接线图、电气总布置图与断面图，对变电站雷电过电压计算模型进行了建模。同时，考虑到工频电源电压、进线段杆塔布线结构以及绝缘水平等影响因素，对雷电波不同侵入方式、不同雷击点、变电站不同运行方式下设备上产生的雷电过电压进行了仿真计算，并对站内设备进行了雷电冲击绝缘配合的校核。

2 仿真模型

2.1 变电站电气主接线

该水电站新建的230 kV EPF变电站在230 kV侧采用GIS双母线接线的方式，230 kV系统母线有2条送出线路(同塔双回)到CPT变电站与SHUSHUFINDI，以及有2条变压器进线回路。230 kV EPF变电站的主接线图如图1所示，由图1可知，各进线间隔与变压器间隔配有一组MOA，额定电压Ur=200 kV，没有配置母线避雷器。

图1 230 kV EPF变电站主接线示意Fig.1 Main connection of 230 kV EPF substation

2.2 计算条件

2.2.1计算选取的运行方式

一般情况下，变电站投运设备越少，则雷电泄放通道越少，因此雷电侵入波过电压越严重。但由于EPF变电站出线均为同塔双回线路，雷击时，如果2回线路均闪络，则侵入变电站的雷电流相较于单回线路时将会增大，雷电侵入波过电压可能也会随之变大。为了验证以上结论，计算所用的变电站运行方式如表1所列。

表1 计算采用的变电站运行方式Tab.1 Operation mode of substation in calculation

2.2.2雷击点位置选取

在变电站的侵入波防雷设计中，应保证距离变电站2 km以外的远区雷击产生的雷电侵入波过电压不会引起站内设备的绝缘损坏。因此，进线段线路对避雷线保护角与杆塔接地电阻提出了更高的要求，进线段的耐雷水平也是优于架空输电线路的耐雷水平。在变电站的雷电过电压研究中，应以进线段线路遭受雷击作为重点研究现象，这是因为距离变电站2 km以外的输电线路遭受雷击时，由于电晕衰减和线路阻尼效应，导致雷电侵入波的陡度和幅值都明显较小，在站内设备上形成的过电压一般不会损坏设备绝缘。因此，本文主要考虑变电站的近区雷击，对进线段不同杆塔时的设备雷电侵入波的过电压水平进行分析。

2.3 计算参数选择

2.3.1雷电流模型

雷电流波形采用2.6/50 μs的双指数波，雷电流极性为负极性，选取的最大计算反击雷电流为185 kA[7]。

对最大绕击雷电流幅值，借助于EGM模型进行计算[8-10]。通过计算，得到了分别雷击进线段的6基杆塔时不同相导线的最大绕击雷电流值，计算结果如表2所列。

表2 最大绕击雷电流Fig.2 Maximum shielding failure lightning current kA

2.3.2杆塔模型

对于进线段的杆塔，采用EMTP-RV软件中的杆塔模型进行计算，如图2所示。模型中为单避雷线同塔双回线路杆塔，杆塔采用多波阻抗模型，工频接地电阻取20 Ω，绝缘子采用气隙放电模型，放电电压为1 400 kV。

图2 输电线路杆塔模型Fig.2 Tower model of transmission line

2.3.3输电线路模型

EPF变电站230 kV侧出线为同塔双回出线，输电线路采用单避雷线进行防雷保护。避雷线型号为OPGW-48，外径为11.988 mm，20 ℃时的直流电阻为0.476 157 Ω/km；导线型号为2×750 MCM，外径为25.300 mm，20 ℃时的直流电阻为0.082 Ω/km。导线与避雷线模型采用参数随频率变化的Frequency dependent line模型(FD线路模型)，导线为双分裂，分裂间距为40 cm，导线集肤效应系数为0.363 6。根据线路设计资料，线路段土壤电阻率取500 Ω·m，进线段杆塔导线参数如表3所列。其中，1～6号塔的呼高分别为20，19，22，19，30 m和31 m。

表3 230 kV EPF变电站进线段线路参数Tab.3 Incoming transmission line parameters of 230 kV EPF substation m

2.3.4变电站内连接线模型

变电站内连接线主要包括设备之间的接线与汇流母线。变电站内导线与母线模型采用Constant Parameter线路模型(CP模型)，户外设备的连接线波阻抗为300 Ω，波速为300 m/μs；GIS内部设备连接线与汇流母线波阻抗为73 Ω，波速为231 m/μs。模型中各个设备之间连接线长度按照断面图中导线的实际长度选取。

2.3.5避雷器参数

变电站采用Y10W-200/520型号避雷器，避雷器额定电压为200 kV，直流1 mA参考电压为290 kV，8/20 μs雷电冲击残压为520 kV，30/60 μs操作冲击残压为442 kV。模型采用EMTP-RV软件中ZnO避雷器模型，模型中可以输入避雷器伏安特性曲线与参考电压等参数。

2.3.6变电站内电气设备计算模型

在防雷设计时，除了需要考虑设备的分布自电感和对地容，还必须考虑到匝间电容的影响。以变压器为例，在雷冲击波作用下，由于电感的阻流作用，流过电感的电流可以忽略。因此，变压器绕组等效为K0C0组成的电容链，对首端来说，可以视其为具有一定电容值的集中电容，称其为入口电容Cr[11]。各设备入口的电容值列于表4。

表4 各设备入口电容值Fig.4 Entrance capacitance of the equipment pF

在雷电冲击电压下，GIS套管、电压互感器、电流互感器、隔离开关、断路器与主变压器可用对地等值电容等效，其中，变压器入口电容Cr的近似计算公式如下[12]：

(1)

式中：S为三相变压器容量；n、K为拟合系数。

2.3.7电气设备的雷电冲击耐压水平

雷电过电压下，变电站电气设备内、外绝缘的雷电冲击绝缘水平，适宜以避雷器雷电冲击保护水平为基础，采用确定法确定[5]。标准条件下，各个设备的绝缘水平如表5所列。用确定法确定变电站设备的绝缘水平时，在雷电侵入波过电压作用下，变电站内设备的绝缘应留有一定的裕度。一般运行情况下，内绝缘的安全裕度不应低于15%特殊方式下内绝缘的安全裕度要求。因此，在计算雷电过电压的绝缘配合裕度时，需要考虑到老化等因素对设备耐压的影响。外绝缘劣化系数按1.05计算，内绝缘按1.15计算[7]。

表5 标准条件下设备绝缘水平Tab.5 Insulation levels of equipment under standard conditions kV

根据劣化系数对设备外绝缘水平进行修正，变电站设备所能承受的最大过电压幅值如表6所列。

表6 修正后的设备绝缘水平Tab.6 Revised insulation levels of equipment

3 计算结果

3.1 不同雷击点的影响

近区雷击是指变电站2 km左右范围内的线路遭受雷击，通常是计算变电站出线前6基杆塔遭受雷击的情况。在运行方式4～5情况下，分别计算雷击1～6号杆塔时变电站主要设备上的过电压，计算结果如表7所列。

表7 不同雷击点时设备反击雷电过电压Tab.7 Back flashover overvoltage of equipment at different lightning strike points kV

从表7可以看出：一般情况下，雷击点离变电站越近，其雷电侵入波过电压越高，但某些设备上的过电压在雷击2号杆塔时最大，所有设备的过电压最大值出现在雷击1号或2号杆塔。虽然1号杆塔距离变电站最近，但是由于该塔与变电站门型构架之间的距离仅有50 m，而变电站的接地电阻为0.5 Ω，雷电侵入波会在此处形成负反射波，从而减小了原波形的幅值。

3.2 变压器、母线以及出线数量影响

运行方式1～4，6时，变电站主要设备上的反击雷电侵入波过电压情况如表8所列。表8中仅列出了设备过电压最大的雷击1号与2号杆塔的情况。

表8 变电站设备反击雷电过电压Tab.8 Back flashover overvoltage of substation equipment kV

对比运行方式1～3下的计算结果，发现双回线路运行时，反击雷电过电压明显高于单回线路的反击雷电过电压。这是由于输电线路遭受雷击时，2回线路均闪络而且同时侵入雷电波，因此导致进入变电站的雷电流增大。

对比运行方式3与4下的计算结果，发现变电站双母线运行情况下，GIS内部设备的过电压比单母线运行时的高，而线路侧CVT与主变压器等AIS设备的过电压较低。这是因为GIS母线上仅安装了VT，没有安装避雷器，增加一组母线不会增加雷电流的泄流通道，反而会导致雷电波在母线上折反射，从而使得设备过电压明显增加。

对比运行方式4与6下的计算结果，发现当增加主变压器的台数时，设备上的过电压会明显降低。这是因为主变压器的入口电容一般较大，增加主变压器运行台数相当于增加了雷电波的泄流通道，从而使得设备过电压水平降低。

3.3 不同雷电侵入方式的影响

由本文3.2节可以看出，运行方式4下的设备过电压水平最高。表9中列出了运行方式4下雷击塔顶反击和绕击导线时变电站主要设备上的过电压情况，最大反击和绕击雷电流按照本文2.3.1节选取。可以看到：雷电绕击导线时，设备过电压水平是明显低于雷击塔顶反击时的过电压水平，这主要是由于最大绕击雷电流比最大计算反击雷电流要小的多，因此，即使雷电绕击导线时线路绝缘子不闪络，变电站设备上的过电压水平也不高。

表9 不同雷电侵入方式下雷电过电压Tab.9 Lightning overvoltage under different intrusion mode kV

3.4 变电站设备绝缘配合裕度校验

设备上的绝缘配合裕度可根据公式(2) 进行计算[12]：

(2)

式中：Kp为设备保护裕度；Up为设备雷电冲击绝缘水平；Um为设备上承受的最大雷电冲击电压。

由表10的计算结果可以看出：以EPF变电站现有的进线段雷电防护方式和变电站的避雷器配置，在变电站遭受最大反击和绕击雷电流的情况下，变电站设备绝缘的配合满足安全运行的要求，设备上最小的绝缘配合裕度为38.14%。

表10 230 kV EPF变电站主要设备的绝缘裕度Tab.10 Insulation margin of main equipment in 230 kV EPF substation

4 结 论

本文对厄瓜多尔辛克雷水电站送出工程中230 kV GIS变电站雷电侵入时的过电压水平以及绝缘配合情况进行了仿真计算研究，计算结果表明：

(1) 变电站进线段遭受雷击时，在不同的运行方式下，1号或2号杆塔为过电压最严重的情况；

(2) 双回线路-双母线-单变压器运行时，变电站设备上的雷电过电压水平最高；

(3) 雷电最大绕击雷电流水平远小于最大反击雷电流，雷电绕击过电压水平明显小于反击过电压水平；

(4) 在现有进线段雷电防护方式和变电站避雷器配置下，在变电站遭受最大反击和绕击雷电流情况时，变电站设备的绝缘配合能够满足安全运行的要求，设备上最小的绝缘配合裕度为38.14%。