薛美娟

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京市 100120)

1 概 述

根據(jù)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50064)以及《水力發(fā)電廠過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T 5090)中的相關(guān)要求：各類(lèi)型電站、變電站及輸電線路等易遭受雷擊，通過(guò)對(duì)雷擊事故進(jìn)行分析，得出主要原因是雷電侵入波造成的。因此，如果能積極主動(dòng)地采取措施，在電站設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到雷電侵入波對(duì)電站內(nèi)主要設(shè)備產(chǎn)生的威脅，采取可靠的防雷保護(hù)方案，將大大降低故障發(fā)生的可能性。

對(duì)于電壓等級(jí)及重要程度較高、電氣主接線及GIS設(shè)備布置方案較復(fù)雜的電站，應(yīng)采用仿真計(jì)算雷電侵入波過(guò)電壓保護(hù)，通過(guò)過(guò)電壓數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析判斷防雷保護(hù)設(shè)備的配置、絕緣配合水平是否合理且滿足規(guī)程規(guī)范要求；并且通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行比較分析，提出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。在合適位置安裝避雷針、避雷器、避雷線等直擊雷防護(hù)裝置，一來(lái)可以有效避免事故發(fā)生，二來(lái)可以節(jié)約設(shè)備成本和運(yùn)行的維護(hù)工作量。

本文針對(duì)MMY水電站雷電過(guò)電壓數(shù)值計(jì)算研究工作的要求，利用電磁暫態(tài)分析軟件(ATP_EMTP)建立雷電侵入波計(jì)算模型，并驗(yàn)證模型的可靠性，計(jì)算雷電波侵入變電站時(shí)各主要電氣設(shè)備上的過(guò)電壓值，分析并提出合理的避雷器配置方案以及對(duì)方案的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

2 研究?jī)?nèi)容

(1)建立雷電侵入波過(guò)電壓計(jì)算模型，并對(duì)其可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。選取ATP_EMTP作為計(jì)算工具，搭建電氣設(shè)備等值電容模型、桿塔多波阻抗模型、雷電流模型、避雷器非線性電阻模型，重點(diǎn)建立了絕緣子閃絡(luò)模型，采用LCC模塊建立架空線計(jì)算模型。為驗(yàn)證模型的可靠性，在各個(gè)電壓等級(jí)下，將仿真計(jì)算值與按規(guī)程計(jì)算得到的耐雷水平值進(jìn)行了比較。

(2)為從嚴(yán)考慮，分別對(duì)雷電繞擊和反擊進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)繞擊與反擊計(jì)算結(jié)果的比較，分析出對(duì)設(shè)備危害最大的雷擊方式。

(3)考慮雷擊點(diǎn)的影響。分析研究各雷擊點(diǎn)，通過(guò)軟件計(jì)算其對(duì)侵入波過(guò)電壓的影響，分別對(duì)近區(qū)雷擊、遠(yuǎn)區(qū)雷擊各種情況，計(jì)算不同桿塔雷擊時(shí)主要電氣設(shè)備的過(guò)電壓值，并進(jìn)行比較分析，找出對(duì)設(shè)備危害最大的雷擊點(diǎn)。

(4)對(duì)各種可能的運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算。水電站有多種運(yùn)行方式，不同運(yùn)行方式下斷路器有不同的開(kāi)斷組合，會(huì)使電站電氣主接線發(fā)生變化，影響雷電侵入波的折反射，進(jìn)而影響電氣設(shè)備上的過(guò)電壓值。水電站主要有正常運(yùn)行、倒送廠用電、線路間互送電這三類(lèi)運(yùn)行方式，均進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。

(5)考慮桿塔的沖擊接地電阻對(duì)侵入波過(guò)電壓幅值的影響。在雷擊塔頂時(shí)，桿塔的沖擊接地電阻直接影響桿塔塔頂電位，故沖擊接地電阻的大小對(duì)侵入波的幅值有一定影響，繼而會(huì)影響電站內(nèi)設(shè)備的過(guò)電壓值；因此對(duì)不同沖擊電阻值下各主要電氣設(shè)備的侵入波過(guò)電壓值進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證理論分析的正確性。

(6)研究并提出合理的避雷器配置方案。在對(duì)水電站各種運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的避雷器安裝位置，研究可能的配置方案，并從經(jīng)濟(jì)性和安全性上進(jìn)行比較，提出合理的避雷器配置方案，并對(duì)方案的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

3 雷電過(guò)電壓的分析計(jì)算研究

3.1 計(jì)算方法

目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)雷電侵入波過(guò)電壓計(jì)算的方法有多種，電力系統(tǒng)發(fā)展日新月異，電源逐漸增多，電網(wǎng)日益擴(kuò)大，很多計(jì)算和控制問(wèn)題日趨復(fù)雜。采用電力系統(tǒng)數(shù)字仿真研究過(guò)電壓計(jì)算經(jīng)濟(jì)性好、可行度高。ATP_EMTP軟件通過(guò)求解逆矩陣來(lái)求各節(jié)點(diǎn)電壓、求解復(fù)數(shù)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納方程式來(lái)求各節(jié)點(diǎn)的復(fù)數(shù)電壓、求解節(jié)點(diǎn)方程式來(lái)求各節(jié)點(diǎn)電壓的瞬時(shí)值。采用Schnyder_Bergeron法對(duì)電壓、電流的行波進(jìn)行計(jì)算，能成功解決分布參數(shù)線路的電路計(jì)算問(wèn)題。

3.2 計(jì)算模型和參數(shù)的選取

利用電磁暫態(tài)軟件ATP_EMTP建立水電站暫態(tài)模型，并進(jìn)行雷電過(guò)電壓的計(jì)算。模型的準(zhǔn)確性直接影響計(jì)算結(jié)果的可靠性。

(1)采用線性插值法進(jìn)行仿真時(shí)間和步長(zhǎng)計(jì)算。

(2)采用彼德遜等值電路法將雷電放電過(guò)程模擬成雷電流模型。

(3)變壓器模型：在雷電過(guò)電壓計(jì)算時(shí)將變壓器及變電站各主要設(shè)備采用入口電容來(lái)模擬，搭建主要電氣設(shè)備模型。

(4)GIS模型：GIS波阻抗一般在60～100 Ω之間，約為架空線波阻抗的1/5。

(5)架空線路模型：常用輸電線路的模型一共有π形集中參數(shù)電路模型、帶集中電阻的恒定參數(shù)無(wú)損線路模型、Semlyen模型、J.Marti模型、L.Marti線路模型、Noda線路模型6種，各有利弊，應(yīng)根據(jù)實(shí)際計(jì)算精度的要求進(jìn)行選擇。

(6)桿塔模型：一般在水電站過(guò)電壓計(jì)算中桿塔采用多波阻抗模型。

(7)絕緣子串閃絡(luò)模型：通過(guò)ATP_EMTP程序中的壓控開(kāi)關(guān)功能模擬絕緣子串閃絡(luò)。

(8)避雷器模型。一般采用指數(shù)函數(shù)模擬金屬氧化物避雷器電阻的非線性特性。

3.3 模型可靠性的驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模型的可靠性，特別是采用壓控模型模擬絕緣子閃絡(luò)的可信度，需要把仿真計(jì)算值與實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)值或理論計(jì)算值進(jìn)行比較；如果兩者十分接近，在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為仿真模型的計(jì)算結(jié)果是可靠的。研究中選擇耐雷水平作為計(jì)算比較的對(duì)象，對(duì)不同電壓等級(jí)線路的耐雷水平進(jìn)行了驗(yàn)算，把仿真計(jì)算結(jié)果與規(guī)程法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證仿真計(jì)算模型是否可靠。

利用ATM_EMTP建立雷電過(guò)電壓下線路、桿塔及絕緣子閃絡(luò)模型，在不同雷擊方式(反擊、繞擊)下，對(duì)耐雷水平進(jìn)行計(jì)算。方法為：由小到大逐步調(diào)節(jié)所加雷電流的幅值，觀察絕緣子串是否發(fā)生閃絡(luò)，通過(guò)觀測(cè)絕緣子串中的電流來(lái)判斷。當(dāng)雷電流幅值增加到某個(gè)值時(shí)，絕緣子串剛好不發(fā)生閃絡(luò)，把這個(gè)雷電流幅值作為臨界閃絡(luò)電流值，即該模型下的耐雷水平。

4 工程案例

4.1 工程電氣主接線

MMY水電站裝機(jī)4臺(tái)、出線3回，高壓配電裝置采用GIS設(shè)備。將電站的電氣主接線圖進(jìn)行簡(jiǎn)化如下所示(見(jiàn)圖1)。

圖1 MMY水電站電氣主接線示意

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)不同雷擊點(diǎn)計(jì)算結(jié)果比較

在繞擊或反擊情況下，近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)不同雷擊點(diǎn)時(shí)，當(dāng)侵入波沿線路傳來(lái)時(shí)，計(jì)算變電站內(nèi)各種設(shè)備的過(guò)電壓最大值(見(jiàn)表1)。

表1 近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)不同雷擊點(diǎn)時(shí)，變電站內(nèi)各主要設(shè)備上的過(guò)電壓最大值

4.2.2 不同運(yùn)行方式選擇

針對(duì)電站情況分別對(duì)電站一回出線、兩回出線、三回出線3種運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算研究，不同出線回路數(shù)時(shí)的雷電過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果如下所示(見(jiàn)表2)。

表2 不同出線回?cái)?shù)時(shí)的雷電過(guò)電壓

當(dāng)出線回?cái)?shù)一定，在最不利工況情況下，改變發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)各設(shè)備過(guò)電壓值如下所示(見(jiàn)表3)。

4.2.3 桿塔沖擊接地電阻對(duì)侵入波過(guò)電壓的影響

根據(jù)本電站過(guò)電壓計(jì)算資料，進(jìn)線桿塔沖擊接地電阻給定值為30 Ω。為了研究桿塔接地電阻的影響，計(jì)算了在不同桿塔接地電阻情況下，各主要設(shè)備上的過(guò)電壓值隨沖擊接地電阻值的變化規(guī)律(見(jiàn)圖2)。

圖2 各設(shè)備過(guò)電壓值隨沖擊接地電阻值的變化規(guī)律

4.2.4 避雷器的布置及參數(shù)的影響

根據(jù)避雷器的布置位置，分為線路側(cè)避雷器、母線避雷器和主變側(cè)避雷器。一共有7種配置方案，在“一回出線一臺(tái)變壓器”運(yùn)行方式下，計(jì)算各主要電氣設(shè)備上的過(guò)電壓最大值以及避雷器的電流、能量的最大值，計(jì)入表4(見(jiàn)表4)。

表4 各種配置方案下，各主要設(shè)備上過(guò)電壓最大值以及避雷器的電流、能量的最大值

5 結(jié)論與建議

(1)近區(qū)雷擊危害大于遠(yuǎn)區(qū)雷擊，且雷擊#1桿塔時(shí)各設(shè)備過(guò)電壓值最大；最大繞擊電流情況下，各設(shè)備上的過(guò)電壓值小于反擊時(shí)的過(guò)電壓。

(2)隨著發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)的增加，各主要設(shè)備上的過(guò)電壓值減小。

(3)減小桿塔沖擊接地電阻，能有效地降低各電氣設(shè)備上的過(guò)電壓值。

(4)有母線側(cè)避雷器時(shí)，線路間互送電運(yùn)行方式下，隔離開(kāi)關(guān)、斷路器等主要設(shè)備過(guò)電壓值下降，絕緣配合裕度提高。

(5)選擇在“線路側(cè)、母線、主變側(cè)均有避雷器”這種配置方案，既能保證各主要電氣設(shè)備上過(guò)電壓不超過(guò)其絕緣水平，又有足夠的絕緣配合裕度，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害。

通過(guò)ATP_EMTP仿真模型計(jì)算的耐雷水平與規(guī)程法計(jì)算結(jié)果十分接近，因此，用該仿真方法計(jì)算雷電過(guò)電壓是可信的。通過(guò)計(jì)算分析水電站過(guò)電壓水平，推薦限制過(guò)電壓措施、絕緣配合原則、避雷器配置，并選擇確定電站主要電氣設(shè)備技術(shù)參數(shù)，確保電站能安全可靠的運(yùn)行。