雷击过电压影响下发电厂变电站避雷器配置优化研究

谭永杰

（山西凯嘉煤层气发电有限公司， 山西 介休 032000）

引言

火电厂供电线出现雷击会给供电系统的稳定性带来显著影响，同时主要的电气设备绝缘能力无法自动修复。就发电厂高压变电站而言，若避雷器配置数量过少则无法有效应对雷击影响。为此，对发电厂变电站雷电侵入波过电压进行分析对避雷器配置方案合理布置及优化具有重要意义。文中以某火电厂变电站为研究对象，对避雷器配置进行优化，在一定程度上提高了变电站运行安全保证能力。

1 变电站主要设备模型

杆塔是雷击入侵的重要元件，杆塔选用多波阻抗模型，可较为准确地反应杆塔布置形状给雷电侵入波在畸变、折发射等方面造成的影响。绝缘子闪络过程模拟采用长冈非线性电感模型；输电线路导体建模使用马蒂模型。避雷器使用呈现出非线性U-I特征，文中用非线性电阻模型（type99）表征避雷器。变电站内的其他电器设备模型构建则采用入口电容简化处理。

分析使用双指数雷电波模型，雷电波波头、波尾时间为2.6、50 μs；反击雷电流、绕击雷电流波阻抗，幅值分别为 300 Ω、800 Ω，240 kA、30 kA。

2 变电站雷击点位置的选择

根据现场实测数据以及以往研究成果，火电厂500 kV 变电站运行时当进线段出现雷击时影响最大、威胁最严重。变电线路直线段距离约为500 m，因而通过分析变电站附近4～6 个杆塔位置的雷击情况即可对变电站内的雷击过电压进行估算，而无需考虑多杆落雷情况。

现实中变电站雷击点位置具有随机性，输电线路中任意位置都可能遭受雷击并将雷电波沿供电线路入侵到变电站。但为了便于分析，必须选择一合适雷电点位置，同时该位置雷击时产生的过电压最大。

雷击点位于杆塔顶部时产生的过电压较大，在模拟仿真分析反击时应将雷击点选择在杆塔顶部。对于绕击而言，由于导线弧垂影响及杆塔处导线位置高的原因，更容易遭受雷击，产生的绕击雷电压较大，为此在模拟仿真分析绕击时落雷点可选在杆塔导线上。

3 仿真分析

3.1 基本条件

电厂变电站有4 台容量为750 MVA 柱变电站，500 kV 电网通过半断路器连接，采用架空形式出线，共计6 回。为了提高变电站设备运行的可靠性并降低后期设备维护、保养工作难度及工作量，500 kV 采用平高东芝HGIS 设备，具体侧系统接线情况见图1。

图1 500kV 侧系统接线情况

在对雷击过电压计算时，接线方式应为过电压对变电站运行影响最显著方式，文中拟将4 种不同的单接线方式（1 号主变—出线3、2 号主变—出线3、2 号主变—出线4、2 号主变—出线1）进行比对，在雷击影响下对主变侧、主变断路器以及母线电压互感器受冲击电压影响情况进行分析。

把主变压器、其他设备雷电冲击耐受电压分别取为1 550 kV、1 675 kV，并将其绝缘裕度分别取为1.15、1.1，则主变压器、其他设备允许过电压值分别为1 348 kV、1 523 kV。

3.2 模拟仿真分析

采用ATPDraw 软件构建变电站仿真模型，对变电站任一位置雷击过电压影响进行分析。下文就以杆塔及绕击为雷击点，对变电站主变压器、母线电压互感器及断路器的绕击过电压、雷电反击等情况进行分析。

3.2.1 绕击过电压

雷击点选择在杆塔绕击导线处并结合一线一变情况，杆塔自身接地电阻为10 Ω，避雷器安装位置与主变压器距离在20 m 以内，具体仿真得到不同接线方式下的母线、断路器及主变电站等位置绕击过电压值见表1。

从仿真结果看出，各位置的过电压值均未超过允许值，同时均有一定的绝缘裕度。采用2 号主变-出线1 方式时主变、断路器及母线位置绕击过电压值最小。

3.2.2 反击过电压

雷击点选择在2 号杆塔反击导线处并结合一线一变情况，杆塔自身接地电阻为10 Ω，构建仿真模型，对不同接线运行方式下反击过电压影响情况进行分析，具体仿真得到不同接线方式下的母线、断路器及主变电站等位置反击过电压值见表2。从仿真结果看出，各位置的过电压值均未超过允许值且均有一定的绝缘裕度；反击过电压对母线、断路器及主变电站等位置产生的过电压趋势与绕击过电压一致，均是1 号主变—出线3 最大、2 号主变—出线1最小。

表2 各位置反击过电压数值

3.2.3 避雷器与主变电站间距确定

避雷器与主变电站间距对主变电站上雷击过电压有显著影响。为了确保避雷器可有效保护主变电站，对避雷器与主变电站不同距离时，雷击影响下对主变电站过电压、经流MOA 阻性电流进行监测，具体见表3。

表3 避雷器与主变电站间距对过电压影响

从表3 看出，避雷器与主变站间距越小，主变电站过电压越小。当间距在30 m 时，当母线位置未配备有避雷器时，则主变电侧绝缘可能会被雷击过电压击穿，从而影响设备正常运行。

4 结论

1）按照相关规程、规范要求，将主变压器允许过电压值1 348 kV，电流互感器及电压互感器允许过电压值1 523 kV，对雷击影响下主变压器、母线及断路器等位置过电压进行监测，发现各位置过电压值均未超过允许时且有一定绝缘裕度；当避雷器与主变电站间距超过30 m 时，若母线侧未配备避雷器则雷击过电压可能会击穿主变电侧绝缘；

2）根据模拟仿真结果，变电站避雷器配置建议采取下述方案：500 kV 入口位置布置一组444/1106避雷器（放电电流20 kA）、母线位置无需布置避雷器、主变电侧距离25 m 内布置一组444/1106 避雷器（放电电流20 kA）。采取上述避雷器配置方案可有效避免雷击给变电站运行带来的影响。