蔡 雙, 蔡明山,曹文輝

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1 000 kV特高壓系統(tǒng)雷擊保護的建模與仿真分析

蔡 雙1, 蔡明山2,曹文輝3

(1. 華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 江西 南昌, 330013; 2. 湖南文理學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 湖南 常德, 415000; 3. 華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 江西 南昌, 330013)

利用國際通用的圖形化電磁暫態(tài)計算程序ATP-EMTP對1 000 kV特高壓系統(tǒng)雷擊過電壓進行了建模與仿真研究, 分別建立了桿塔、輸電線路、避雷器模型; 進行了雷擊桿塔及其母線、桿塔接地電阻對雷電過電壓影響, 以及變電站母線處安裝避雷器對過電壓的影響、串聯(lián)電感對雷電過電壓影響的仿真研究. 仿真計算表明了避雷器在變電站防雷過程中的重要作用, 還給出了過電壓的分布、變化規(guī)律, 為高壓變電站雷擊保護研究及其優(yōu)化設(shè)計提供了有價值的參考依據(jù)和可行的工程方法.

ATP-EMTP; 雷擊; 過電壓; 建模; 仿真

特高壓交直流輸電工程是代表當(dāng)今世界最高水平的電力工程, 是我國能源基礎(chǔ)研究和建設(shè)領(lǐng)域的重大自主創(chuàng)新, 也是我國電網(wǎng)建設(shè)、運行整體水平邁上新臺階的重要標(biāo)志, 對于解決我國能源區(qū)域分布不平衡問題以及推動“堅強智能電網(wǎng)”的建設(shè)起著極其重要的作用[1].

我國特高壓工程建設(shè)是以1 000 kV等級特高壓系統(tǒng)為骨干網(wǎng)架而展開, 因此對1 000 kV等級特高壓工程過電壓與防雷保護的研究就顯得尤為重要. 由于國外特高壓輸電工程設(shè)計以及運行經(jīng)驗均不足[2], 國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進行的研究極少并且有相當(dāng)?shù)木窒扌? 因此留下了很大的安全隱患. 文獻[3]只考慮了輸電線路的防雷, 卻忽略了變電站內(nèi)的防雷. 文獻[4]雖然對變電站雷電入侵波進行了仿真分析, 但是僅僅考慮了桿塔沖擊接地電阻對雷擊過電壓的影響, 而忽略了其它因素的影響. 本文全面考慮各種影響因素, 將1 000 kV變電站和進線段充分結(jié)合起來, 通過對變電站進線段雷擊點位置、母線是否架設(shè)避雷器、遠近區(qū)桿塔的沖擊接地電阻、在主變避雷器前串聯(lián)電感進行全面系統(tǒng)的仿真分析, 為1 000 kV變電站過電壓防雷保護方案提供新的工程參考.

1 雷電波侵入方式

變電站的雷電波侵入有3種方式: 繞擊、遠區(qū)反擊和近區(qū)反擊. 對有避雷線的線路來說, 常把變電站附近2 km長的一段線路叫進線段, 線路其余長度的避雷線用于線路防雷, 并擔(dān)負避免或減少變電站雷電波侵入的作用. 離變電所2 km及以外的為遠區(qū)雷擊, 2 km以內(nèi)的為近區(qū)雷擊[5]. 對變電所進線段的保護目的在于限制流經(jīng)避雷器的雷電流和限制侵入波的陡度.

研究近區(qū)雷擊時, 選擇2 km以內(nèi)的l-5號桿塔, 研究遠區(qū)雷擊時, 選擇在2 km處的6號桿塔.

2 ATP-EMTP模型構(gòu)建

筆者對1 000 kV特高壓系統(tǒng)進行分析, 其常見單線圖見圖1. 模擬事故是由雷擊變電站900 m處的桿塔引起的單相反擊雷閃絡(luò).

按規(guī)程處理考慮, 雷擊電流波形參數(shù)的幅值選250 kA, 波前/波后的時間段為2.6/50 μs, 在該實驗中, 只有線路1和線路2連在變壓器母線上, 變壓器由常規(guī)避雷器來保護.

圖1 變電站的單線圖(常見)

2.1 桿塔模型

在防雷計算中, 雷電沖擊波作用下塔頂呈現(xiàn)的電位與塔頂注入的沖擊電流的比值, 即桿塔的沖擊響應(yīng)波阻抗是非常重要的參數(shù), 它直接影響塔頂電位的計算結(jié)果. 在工程近似計算上, 桿塔常被等效為集中參數(shù)的電感或分布參數(shù)長線. 將桿塔視為分布參數(shù), 按波阻抗考慮, 用單相無損線來模擬桿塔.

2.2 輸電線路模型

對變電站外的輸電線路采用5線的JMarti LCC模型(相導(dǎo)線加架空地線), 即3條相導(dǎo)線和2條地線的模型. 因為這種架空線的模型直接計算了地線與導(dǎo)線之間的藕合關(guān)系, 所以在計算過程中就不必再考慮被擊避雷線與已閃絡(luò)導(dǎo)線對未閃絡(luò)導(dǎo)線的藕合電壓, 這樣簡化了計算, 提高了計算精度.

本文選取的進線段導(dǎo)線采用8×LGJ-500/45鋼芯鋁絞線, 8分裂導(dǎo)線為正多邊形排列, 分裂間距為400 mm, 子導(dǎo)線半徑為15 mm, 弧垂17 m; 兩根底線均采用LBGJ-150-20AC鋁包鋼絞線, 弧垂15 m. 輸電線路的電氣參數(shù)和導(dǎo)線規(guī)格及參數(shù)見文獻[6-7].

2.3 避雷器模型

無間隙金屬氧化物或氧化鋅避雷器是一種高度非線性的電阻, 在陡波電流下, 其閥片相當(dāng)于一個極高阻值的非線性電阻與電容器的并聯(lián), 當(dāng)加于閥片的電壓低于某一臨界值時, 閥片相當(dāng)于極高阻值的電阻, 即正常電壓范圍內(nèi)它的斜率趨于無限大, 而在較高電壓時, 閥片在過電壓保護范圍內(nèi)的斜率幾乎是0, 這些避雷器電阻的非線性可用指數(shù)函數(shù)描述. 其電壓電流的關(guān)系滿足下式:

式(1)中的、和是常數(shù).ref為參考電壓, 通常取額定電壓的兩倍或接近兩倍的值,的典型值為20～30. 一般難以用一個指數(shù)函數(shù)來描述整個范圍內(nèi)的特性, 因此在ATP-EMTP中將電壓范圍分成幾段, 每一段有其自己的指數(shù)函數(shù), 即采用分段線性函數(shù)模型來模擬. 但無間隙金屬氧化物的模型只需要一個指數(shù)函數(shù)來描述其特性.

1 000 kV特高壓系統(tǒng)采用的金屬氧化物避雷器主要技術(shù)參數(shù)見文獻[8], 其電氣性能參數(shù)見文獻[9]. 根據(jù)表1提供的參數(shù), ATP-EMTP中避雷器的模型生成的非線性伏安特性曲線如圖2所示.

圖2 避雷器的伏安特性曲線

2.4 變壓器等電氣設(shè)備的模型

表1 母線有/無安裝避雷器各設(shè)備過電壓/MV

因雷電波等值頻率較高, 維持時間很短, 通常10 μs左右即可算出最大過電壓幅值, 故變電站設(shè)備如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器等, 在雷電流作用下均可等值成沖擊入口電容, 它們之間有分布參數(shù)線段相隔. 計算變壓器入口電容的經(jīng)驗公式為:

式(2)中,表示變壓器的三相容量, 單位為MVA,=4(對500 kV級及以上的電壓),=940.

3 仿真計算

當(dāng)所有條件給定時, 運用ATP-EMTP可畫出各種條件下的電路圖[10-11].

3.1 雷擊桿塔仿真研究

對于雷擊桿塔的情況, 通過對變電站各個設(shè)備的過電壓分別在有無避雷器的情況下進行仿真, 波形如圖3和圖4, 通過表2數(shù)據(jù)比較可以知道, 加避雷器后各個設(shè)備的最大過電壓都有明顯下降, 從而說明避雷器在雷電流過電壓入侵變電站時起到十分重要的作用, 保護變電站內(nèi)電器設(shè)備不受損害, 提高了電力系統(tǒng)的安全性和可靠. (注: 圖3及圖4中PT是電壓互感器, TR是變壓器).

圖3 直擊桿塔時無避雷器過電壓

圖4 直擊桿塔時安裝避雷器過電壓

表2 直擊桿塔有/無避雷器過電壓比較/MV

表3 直擊母線有/無避雷器過電壓比較/MV

圖5 直擊母線時無避雷器過電壓

3.2 雷擊桿塔母線仿真研究

把雷擊點移到變電站內(nèi)母線處, 站內(nèi)設(shè)備PT、TR的過電壓波形如圖5、6所示; 通過表3數(shù)據(jù)比較可以知道, 在雷電直擊母線的情況下, 加避雷器后各個設(shè)備的最大過電壓也有明顯下降, 避雷器同樣起到了重要的保護作用.

對于雷擊桿塔母線時, 通過對變電站設(shè)備PT和TR的過電壓仿真波形圖5和圖6與前面波形3和4比較分析知, 變電站內(nèi)電器設(shè)備過電壓比雷直擊桿塔時的過電壓高很多, 因此應(yīng)盡量避免雷擊近區(qū)桿塔而引起反擊和雷擊母線.

圖6 直擊母線時有避雷器過電壓

3.3 桿塔接地電阻對雷電過電壓影響

通過改變桿塔接地電阻大小, 得到相應(yīng)接地電阻時變電站各個設(shè)備的過電壓, 如表4所示, 隨著接地電阻的增大, 各個設(shè)備的過電壓也隨著增大. 因此, 應(yīng)盡可能降低桿塔的接地電阻, 使各設(shè)備的過電壓值不超過其額定雷電沖擊耐受電壓, 這對限制過電壓水平和節(jié)約成本也有極大的意義.

3.4 變電站母線處安裝避雷器對過電壓影響

在變電站內(nèi)母線處加避雷器進行仿真, 得到相應(yīng)的變電站各個設(shè)備的過電壓, 如表1所示, 可以得知, 在母線處安裝避雷器, 可以有效降低變電站各設(shè)備雷電過電壓.

3.5 串聯(lián)電感對雷電過電壓的影響

在避雷器前串聯(lián)一個電感, 取1 mH, 5 mH, 10 mH 不同等級進行仿真, 得出相應(yīng)的雷電波波前陡度, 如表5所示, 可以得知, 隨著串聯(lián)電感的增大, 波前陡度下降很多, 說明串聯(lián)電感越大, 對侵入波陡度的抑制作用就越強.

表4 不同桿塔接地電阻相應(yīng)的變電站各設(shè)備過電壓

表5 串聯(lián)電感后雷電波波前陡度

4 結(jié)論

將進線段和變電站結(jié)合起來同時考慮, 仿真結(jié)果更加全面而接近實際. 仿真結(jié)果表明, 避雷器在變電站防雷過程中起著重要的作用; 隨著桿塔接地電阻的增大、雷擊點與變電站距離的減小, 設(shè)備過電壓值將增大; 在避雷器前串聯(lián)電感, 能有效降低侵入波陡度. 通過對電氣設(shè)備上所產(chǎn)生的雷電過電壓進行仿真計算, 可找出過電壓的分布、變化規(guī)律, 為防護雷電過電壓、保護電氣設(shè)備提供了有價值的參考依據(jù), 為高壓變電站雷擊保護研究分析提供了有利可行的方法, 可進一步優(yōu)化變電站的工程設(shè)計.

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Analysis of 1 000 kV UHV system lightning protection by modeling and simulating

CAI Shuang1, CAI Ming-shan2, CAO Wen-hui3

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, East of China Jiao tong University, Nanchang 330013, China; 2. School of Computer Science and Technology, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China; 3. School of Electrical and Electronic Engineering, East of China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Applying international common graphical electromagnetic transient program ATP-EMTP, and by modeling and simulating, the lightning overvoltage on 1000kV UHV system is studied. The power tower, transmission lines and lightning arresters are modeled individually. The influences of thunderstruck on tower and bus, the influences of tower grounding resistance to lightning overvoltage, as well as the substation bus arresters’ influences to overvoltage and series inductors’ influences to lightning over-voltage, are studied by simulating. Simulation and calculation show lightning arresters’ important role for lightning protection insubstation, The distributing and varying law of overvoltage are also given. This work provides valuable reference data as well as a practical engineering method for high voltage substation lightning protection research and its optimized design.

ATP-EMTP; lighting; overvoltage; modeling; simulating

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.03.014

TM 862

1672-6146(2012)03-0050-04

2012-06-28

蔡雙(1989-), 男, 研究生, 研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化. E-mail: 814889149@qq.com

(責(zé)任編校:劉剛毅)