楊大川　　(青海大學(xué)水利電力學(xué)院,　西寧　810016)

基于電磁暫態(tài)程序的發(fā)電廠的防雷保護(hù)仿真

楊大川
(青海大學(xué)水利電力學(xué)院,西寧810016)

發(fā)電廠是電能產(chǎn)生的中心，對(duì)于發(fā)電廠的保護(hù)關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。本文基于電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序ATP-EMTP，選取了合適的電氣設(shè)備及恰當(dāng)?shù)碾姎獠季?，?duì)35kv的某發(fā)電廠進(jìn)行仿真分析計(jì)算，從而對(duì)于日后的發(fā)電廠防雷保護(hù)工作提供參考。

發(fā)電廠；電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序；避雷器模型；電磁式電壓互感器

1　　引言

眾所周知，發(fā)電廠是電能產(chǎn)生的中心，在整個(gè)電力系統(tǒng)中扮演者生產(chǎn)者的角色，在雷電活動(dòng)較為頻繁的地區(qū)，如果對(duì)于發(fā)電廠的保護(hù)不力，那么侵入系統(tǒng)的雷電過(guò)電壓諧波將會(huì)在很大程度上影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)斐纱蠓秶?、地區(qū)性的用電事故，因此，對(duì)于發(fā)電廠的電氣防雷保護(hù)則顯得格外重要。

發(fā)電廠面臨的雷害可能來(lái)自兩個(gè)方面：一是雷直擊于發(fā)電廠,所產(chǎn)生的直擊雷過(guò)電壓直接造成建筑物或戶外配電裝置的損毀；二是雷擊輸電線路后產(chǎn)生的雷電波侵入發(fā)電廠，對(duì)電氣設(shè)備構(gòu)成威脅.對(duì)兩種雷害的不同特點(diǎn)，可針對(duì)性地采取措施，能有效防止雷害[1]。采用ATPDraw進(jìn)行過(guò)電壓的仿真可根據(jù)線路長(zhǎng)度等因數(shù)設(shè)置仿真步長(zhǎng)，有較高的精度，針對(duì)過(guò)電壓的電磁暫態(tài)程序有較好的仿真效果。本文基于電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序ATP-EMTP對(duì)35KV的某發(fā)電廠進(jìn)行仿真分析計(jì)算，從而為日后的發(fā)電廠防雷保護(hù)工作提供參考。

2　　ATP—EMTP和　ATPDraw的簡(jiǎn)介

ATPDraw是挪威電力研究院（EFI）于1996年開(kāi)發(fā)的，專用ATP的圖形預(yù)處理器，能夠?qū)⒂脩粼O(shè)計(jì)的電路原理圖編輯成ATP輸入文件，仿真分析電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程響應(yīng)[2]。ATPDraw的核心是ATP,不同之處是ATPDraw增加了圖形化界面,用戶只需從模型庫(kù)中選出所需的電路元件及繪成電路圖的工程文件(*.adp)[3]。ATP（選擇性暫態(tài)程序）可以計(jì)算以時(shí)間為函數(shù)的變量對(duì)電力系統(tǒng)的影響，在現(xiàn)階段，ATP通常包括線性集中參數(shù)元件、分布參數(shù)和頻域參數(shù)的電力電線或電纜、非線性元件等，還提供許多模型，包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)、有飽和和磁滯特性的變壓器、避雷器等。

3　雷電波在線路中的傳播

雷電波的沖擊頻率很高，一般波頭為780m，在雷電沖擊電壓下，架空線、電纜線、變壓器及其繞組都應(yīng)按分布參數(shù)電路來(lái)分析。分布參數(shù)電路中的電磁暫態(tài)過(guò)程就是電磁波的傳播過(guò)程，簡(jiǎn)稱波過(guò)程。波阻抗Z表示同一方向傳播的電壓波與電流波之間的比例大小。在不同波阻抗線路中波將發(fā)生折反射,公式如下所述[4-6]：

其中，α為折射系數(shù)，β為反射系數(shù)。

若z1＞z1＞z2或者z1＜z1＜z3，則有β1與β2符號(hào)相反,u2q為一震蕩波；若z1＞z1且z2＞z1,則β1＞0,β1＞0,u2q的波形為逐漸增加的階梯波。電力系統(tǒng)中的線路大多為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)比圖1所述的復(fù)雜的多，其實(shí)際中的折反射也相對(duì)更為復(fù)雜和難以控制?？焖贉?zhǔn)確的計(jì)算雷電波多次折反射的過(guò)電壓所出現(xiàn)的時(shí)間與位置是發(fā)電廠、線路以及變電站的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)及絕緣設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)。

振蕩周期與避雷器到變壓器的電氣距離l和變壓器的入口電容有關(guān)。這種波形對(duì)變壓器絕緣的作用接近截波。變壓器承受截波的能力為多次(一般指3次)截波耐壓值:

根據(jù)相關(guān)理論，變壓器與避雷器間允許的最大電氣距離

其中Uj為多次截波沖擊耐壓值（可通過(guò)查表得到），Uc5為避雷器5千安下殘壓，波速v為300000000米/秒。

4　　避雷器模型

4.1 氧化鋅避雷器

本文中使用了氧化鋅避雷器。氧化鋅避雷器(MOA)主要由氧化鋅壓敏電阻構(gòu)成。氧化鋅避雷器能夠起到很好的防雷作用,這種避雷器和傳統(tǒng)的避雷器的差異是它沒(méi)有放電間隙,利用氧化鋅的非線性特性起到泄流和幵斷的作用,造價(jià)低廉,性價(jià)比高,在電力系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[7]。輸電線路保護(hù)用氧化鋅避雷器并聯(lián)在線路絕緣子的兩端，用于限制線路上的雷電過(guò)電壓和（或）操作過(guò)電壓，提高線路耐雷水平，降低雷擊跳閘率[8]。

4.2 Pinceti模型

ATP中避雷器模型可以采用Pinceti模型,在避雷器中電阻片非線性采用多指數(shù)函數(shù)擬和法,其指數(shù)函數(shù)表達(dá)為[9]

式中Uref是參考電壓,通常取2倍避雷器額定電壓。p、q參數(shù)由避雷器的伏安特性數(shù)據(jù)來(lái)擬和確定,q典型值是20～30,在ATP程序中只要輸入伏安特性數(shù)據(jù),ATP會(huì)自動(dòng)調(diào)用子程序生成分段的p、q參數(shù),從而得到分段的多指數(shù)函數(shù)[9]。

5　　電壓互感器模型

目前，在我國(guó)的電力系統(tǒng)中，對(duì)于電壓互感器，一般有電磁式電壓互感器和電容分壓式電壓互感器。一般來(lái)講，對(duì)于高壓范圍內(nèi)的電壓互感器，我們普遍使用電容分壓式的，但對(duì)于中、低壓范圍內(nèi)的電壓互感器，我們依然使用的較多的是電磁式電壓互感器。

5.1 電磁式電壓互感器

電磁式電壓互感器具有穩(wěn)定性好、精確度高、事故響應(yīng)迅速、絕緣不易受潮和造成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在35kv及以下的電力系統(tǒng)中得到普遍使用[10]。電磁式電壓互感器的工作原理和變壓器相同，其特點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一是容量很小，類似于一臺(tái)小容量變壓器，但結(jié)構(gòu)上要求有較高的安全系數(shù)；二是二次側(cè)儀表和繼電器的電壓線圈阻抗大，電壓互感器在近于空載狀態(tài)下運(yùn)行[11]。

5.2 注意事項(xiàng)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，我們知道電磁式電壓互感器的勵(lì)磁特性為非線性特性。

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器與母線或線路對(duì)地電容形成的回路，在一定激發(fā)條件下，可能發(fā)生鐵磁諧振而產(chǎn)生過(guò)電壓及過(guò)電流使電壓互感器損壞，因此應(yīng)采取諸如選用三相防諧振電壓互感器、增加對(duì)地電容破壞諧振條件等消諧措施。中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器在斷路器分閘或隔離開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，可能與斷路器并聯(lián)，均壓電容或雜散電容形成鐵磁諧振。為抑制這種諧振現(xiàn)象，不宜在零序回路包括開(kāi)口三角形回路采取措施[12]。

6　　某35KV發(fā)電廠防雷保護(hù)仿真計(jì)算分析

6.1 概述

該廠屬于環(huán)保型地方發(fā)電廠，共有三臺(tái)裝機(jī)，每臺(tái)機(jī)組容量為15MW,6.3KV。通過(guò)三臺(tái)雙繞組變壓器由6.3KV升壓為35KV，容量為20MVA。35KV采用單母線分段，每段母線裝設(shè)一組電磁式電壓互感器和氧化鋅避雷器。Ⅰ、Ⅱ組母線各接有一條35KV架空線和系統(tǒng)相連，其主接線圖如下圖1所示。

6.2變壓器的入口電容

當(dāng)沖擊波剛到達(dá)繞組時(shí)，變壓器繞組等效為K0～C0組成的電容鏈，對(duì)首端來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)等效集中電容，稱為入口電容。

式中，C為變壓器總的對(duì)地電容，單位為F；K為變壓器總的匝間電容，單位為F。

6.3 參數(shù)給定

計(jì)算參數(shù)如下

主變壓器入口電容：C=1000pF。電磁式電壓互感器：C=100pF。

斷路器SN-35：C=200pF。隔離開(kāi)關(guān)GN-35:C=100pF。

架空輸電線路波阻抗Z=500Ω，波速相當(dāng)于光速。

6.4 分析與計(jì)算

假設(shè)此發(fā)電廠在任意一條35KV架空線一相遭受隨機(jī)的雷擊來(lái)波，則有以下分析計(jì)算：

首先我們應(yīng)考慮運(yùn)行方式的選擇，由于在一線路一母線一變壓器的過(guò)電壓最為嚴(yán)重，而且一向來(lái)波基率較兩相來(lái)波的基率高，那么綜合考慮，我們的計(jì)算采用一相來(lái)波。其次，我們應(yīng)考慮等值電路，經(jīng)過(guò)分析，可畫(huà)出等值電路如圖2所示

輸出數(shù)據(jù)表格如下（t以雷電波到達(dá)1KM進(jìn)線段處為零時(shí)刻）

表1　不同節(jié)點(diǎn)電壓、電流輸出數(shù)據(jù)

當(dāng)變電站設(shè)有1KM進(jìn)線段保護(hù)和35KV母線各裝有一組Y5WZ-51/134型避雷器，站內(nèi)主要設(shè)備過(guò)電壓值見(jiàn)下表：

表2　一線路一母線一變壓器運(yùn)行方式站內(nèi)主要設(shè)備最大過(guò)電壓值及出現(xiàn)時(shí)間

最后，經(jīng)過(guò)上述分析計(jì)算，我們有足夠的證據(jù)說(shuō)明該保護(hù)可以在一定程度上滿足要求。

7　　結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)客觀分析，基于EMTP的發(fā)電廠的防雷保護(hù)仿真可以作為發(fā)電廠實(shí)際防雷保護(hù)的參考模型，并且，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步的改善。

（2）根據(jù)分析結(jié)果，我們有足夠的理由相信，只要能選用恰當(dāng)?shù)碾姎庠O(shè)備和合理的電氣布局，那么雷電對(duì)于發(fā)電廠的沖擊影響將會(huì)被控制在合理范圍以內(nèi)，即電氣設(shè)備因雷電引起的過(guò)電壓值將不會(huì)高于其額定的耐壓值。

（3）本文是在模擬仿真的情況下得出的結(jié)果，在實(shí)際運(yùn)行和操作中，還必須要考慮一定的經(jīng)濟(jì)成本和政策要求，因此，我們的防雷保護(hù)還需要在未來(lái)做進(jìn)一步的改善。

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楊大川(1994-),男,山東濟(jì)寧人,青海大學(xué)，本科，電氣工程及其自動(dòng)化。