張金鳳，陳 晨，李朋飛，宋景博，郭 潔，薛文杰，李 凱

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州 450052； 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049)

0 引言

復(fù)合式氣體絕緣組合電器(HGIS)[1]是一種新型的組合電器，它的結(jié)構(gòu)與GIS(全封閉氣體絕緣組合電器)基本相同，差異在于母線不裝于六氟化硫氣室內(nèi)。HGIS與敞開式開關(guān)設(shè)備(AIS)相比，它把斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器等集成為一個(gè)模塊，節(jié)省了50%～70%的占地面積，它具有響應(yīng)快、伏安特性平坦、性能穩(wěn)定，提高了設(shè)備可靠性，HGIS綜合了AIS和GIS的優(yōu)點(diǎn)，目前我國(guó)500 kV超高壓變電站廣泛采用HGIS形式，它是目前國(guó)家推廣使用更加適合中國(guó)國(guó)情的一種緊湊型組合式高壓開關(guān)設(shè)備。

無間隙金屬氧化物避雷器(MOA)是用于保護(hù)輸變電設(shè)備絕緣免受過電壓危害的重要保護(hù)設(shè)備，具有通流容量大、殘壓低、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用于發(fā)電、輸電、變電、配電等系統(tǒng)中。鑒于MOA大的通流能力和低殘壓特性，在抑制雷電過電壓和操作過電壓中，MOA在吸收能量和保護(hù)半徑有較大冗余[2]，這就為取消HGIS母線MOA提供了可行性。

由于HGIS變電站結(jié)構(gòu)緊湊，暫態(tài)下設(shè)備節(jié)點(diǎn)間會(huì)出現(xiàn)明顯的波過程和發(fā)生多次折反射，造成過電壓波形復(fù)雜、疊加升高，因此500 kV HGIS變電站過電壓通常比常規(guī)變電站幅值更高[3-4]。目前我國(guó)500 kV HGIS變電站多數(shù)未裝設(shè)母線MOA，實(shí)際運(yùn)行中也未發(fā)生過電壓等事故[5-6]，但是，由于過電壓的隨機(jī)性，取消母線MOA后對(duì)過電壓抑制效果及其他MOA動(dòng)作負(fù)荷影響需要進(jìn)行深入研究和絕緣配合校核。

早前工程研究表明，部分超高壓變電站母線取消MOA后，需要保留或設(shè)置線路側(cè)和變壓器側(cè)MOA。但不同的工程設(shè)計(jì)對(duì)線路出口MOA參數(shù)要求不同[7-8]。

本次仿真考慮取消和裝設(shè)母線MOA前后，在雷電過電壓和操作過電壓下對(duì)其余MOA吸收能量和過電壓的影響，以及取消母線MOA后絕緣配合是否存在問題。

依托河南金牛500 kV HGIS變電站，對(duì)變電站及其4回出線進(jìn)行了仿真建模，計(jì)算分析了變電站內(nèi)主要設(shè)備節(jié)點(diǎn)在取消母線MOA前后的雷電過電壓及操作過電壓水平，研究了取消母線MOA對(duì)過電壓抑制效果和其他MOA的動(dòng)作負(fù)荷的影響。

1 仿真建模

金牛500 kV HGIS變電站內(nèi)部采用的MOA型號(hào)為Y20W-420/1006，出線MOA型號(hào)為Y20W-444/1063，雷電和操作過電壓下耐受能力，見表1。

表1 避雷器參數(shù)Table 1 Lightning arrester parameters

避雷器伏安特性見圖1。金牛HGIS站是否可取消母線MOA，需要對(duì)具體的運(yùn)行方式進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

圖1 MOA的V-A特性Fig.1 V-A characteristics of arresters

圖2為河南金牛變電站500 kV主接線圖，為3/2斷路器接線，本期變壓器進(jìn)線1回，出線4回：至浉河變2回，嵖岈變2回。500 kV變電裝置選用HGIS設(shè)備，兩條母線均未加裝母線MOA。

圖2 金牛500 kV變電站主接線圖Fig.2 Main wiring diagram of Jinniu 500 kV substation

1.1 雷電流源仿真模型

依據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的雷電流模型參數(shù)[6-7]，仿真計(jì)算中雷電流源等值電路見圖3。

圖3 雷電流源等值電路Fig.3 Equivalent circuit of lightning current source

由圖3中雷電流i0與雷電通道波阻抗Z0和被擊物體的等值波阻抗Z的關(guān)系見式(1)：

(1)

式中：Z—被擊物體的等值波阻抗，Ω；Z0—雷電通道波阻抗，Ω；i0—雷電流波峰值，A。變電站內(nèi)的連接線采用Clarke模型，對(duì)HGIS站內(nèi)的連接線，取線路電阻0.5×10-5Ω/m，波阻抗70 Ω，波速2.85×108m/s； HGIS外的架空連接線，取線路電阻0.5×10-5Ω/m，波阻抗300 Ω，波速3×108m/s。

線路桿塔采用圖4的多波阻抗模型[7]，考慮了桿塔高度、結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)桿塔中波過程的影響。因此，在計(jì)算中使用多波阻抗計(jì)算模型，使計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際。多波阻抗模型主要包括多級(jí)桿塔模型和等值分布多波阻抗桿塔模型，本次仿真計(jì)算采用等值分布多波阻抗桿塔模型。即將桿塔分解為主支架、支架和塔臂，每一部分均用無損線路模型等效。

圖4 桿塔多波阻抗模型Fig.4 Multi-wave impedance model of tower

在雷電波作用下，電容式電壓互感器、隔離開關(guān)、斷路器、套管需要考慮其對(duì)地電容。

見圖5，變壓器采用寬頻模型[8]，考慮了一、二次繞組間的電容，繞組對(duì)地的電容。

圖5 變壓器寬頻模型Fig.5 Transformer broadband model

對(duì)于500 kV超高壓線路，由于線路的工作電壓較高，在雷擊時(shí)，其持續(xù)運(yùn)行電壓峰值已占絕緣子閃絡(luò)電壓的21%，因此，必須考慮雷擊時(shí)導(dǎo)線上的持續(xù)運(yùn)行電壓影響。本研究在分析中偏嚴(yán)考慮持續(xù)運(yùn)行電壓的影響，雷擊時(shí)的工頻持續(xù)運(yùn)行電壓相位按照設(shè)備可能出現(xiàn)的最大過電壓來選取，反擊時(shí)被擊相導(dǎo)線工頻持續(xù)運(yùn)行電壓取與雷電流極性相反的最高運(yùn)行相電壓峰值Um，繞擊時(shí)被擊相導(dǎo)線工頻持續(xù)運(yùn)行電壓取與雷電流極性相同的最高運(yùn)行相電壓峰值Um。

對(duì)于500 kV超高壓變電站，雷電侵入方式主要有雷繞擊導(dǎo)線和雷擊桿塔塔頂反擊。盡管國(guó)內(nèi)數(shù)十年的雷擊閃絡(luò)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：對(duì)于500 kV超高壓架空線路雷擊塔頂造成反擊實(shí)例很少，但是為了更全面、謹(jǐn)慎的研究變電站各設(shè)備在遭受雷電時(shí)的過電壓水平，對(duì)雷電反擊和繞擊均進(jìn)行了仿真計(jì)算研究。其中雷擊塔頂反擊的雷電流幅值選用GB/T 311.2-2013《絕緣配合 第2部分：使用導(dǎo)則》中推薦的侵入波最大雷電流值216 kA，最大繞擊雷電流幅值依據(jù)金牛變電站典型線路桿塔的EGM繞擊模型計(jì)算[7]獲得最大繞擊電流為37.064 kA。計(jì)算得到線路的繞擊耐雷水平為53 kA，高于最大繞擊電流，因此最嚴(yán)酷的繞擊過電壓發(fā)生在最大繞擊電流下。

金牛500 kV變電站有4路進(jìn)線，兩路來自浉河，另外兩回來自嵖岈，因此在仿真中分別考慮雷電從浉河、嵖岈兩種侵入方式。

1.2 操作過電壓仿真模型

由于操作過電壓頻率通常不超過20 kHz，考慮到變電站電氣尺寸小，變電站內(nèi)母線可以采用集中參數(shù)模型，對(duì)變電站外架空輸電線采用JMarti LCC 模型(模擬相導(dǎo)線加架空地線)。其中，嵖岈和浉河均為雙回線路。所使用的導(dǎo)線型號(hào)為4×JL/G1A-630/45，地線型號(hào)為OPGW-150光纜。

在操作過電壓仿真計(jì)算中可以簡(jiǎn)化桿塔模型，其余模型同雷電過電壓仿真。

操作過電壓產(chǎn)生于斷路器、刀閘的操作及系統(tǒng)故障引起的暫態(tài)過渡過程中。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明電力系統(tǒng)的故障有80%左右是單相接地故障[9]。當(dāng)線路的某一相發(fā)生單相接地且故障相斷路器尚未斷開時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生較高的暫態(tài)過電壓。對(duì)于具有單相重合閘斷路器的超高壓線路，當(dāng)單相接地故障發(fā)生后，斷路器會(huì)迅速斷開，經(jīng)過一定時(shí)間再次重合，若此時(shí)單相接地故障已清除，則重合后系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，即重合閘成功；反之，若單相接地故障未清除則三相斷路器會(huì)迅速跳開。

單相接地故障如不及時(shí)處理，可能會(huì)造成系統(tǒng)中對(duì)地絕緣薄弱的設(shè)備絕緣閃絡(luò)或擊穿，進(jìn)而發(fā)展成為兩相接地故障。因此，仿真中主要分析單相接地故障和兩相接地故障及斷路器切除故障過電壓以及重合閘過電壓。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 雷電過電壓結(jié)果分析

依據(jù)上述分析確定的雷電侵入強(qiáng)度和雷擊位置，計(jì)算分析了雷電侵入時(shí)金牛變電站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的最大雷電過電壓值，并根據(jù)GB 311.1—2012《絕緣配合—第1部分：定義、原則和規(guī)則》中相應(yīng)電氣設(shè)備雷電沖擊絕緣水平，計(jì)算給出了變電站內(nèi)各設(shè)備在雷電沖擊下的絕緣保護(hù)裕度Kp，設(shè)備保護(hù)裕度的計(jì)算公式(2)：

(2)

式中：Kp—設(shè)備保護(hù)裕度；Up—設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平,kV；Um—設(shè)備上承受的最大雷電沖擊電壓峰值，kV。

通過比較不同雷電侵入方式下取消母線MOA前后金牛變電站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備節(jié)點(diǎn)的最大雷電過電壓值，見表2?？梢悦黠@的看出，在取消母線MOA的情況下，設(shè)備上的最大過電壓有所升高，最大升幅21.47%，絕緣配合裕度有所降低，但仍滿足絕緣配合要求，且留有配合裕度，最小裕度為25.09%。

表2 取消母線MOA前后變電站各設(shè)備上的最大雷電過電壓比較 Table 2 Comparison of maximum lightning overvoltage on substation equipment before and after canceling of bus MOA

見圖6，計(jì)算對(duì)比了在繞擊雷電過電壓情況下，在無母線MOA情況下線路MOA的吸收能量。浉河Ⅱ側(cè)線路MOA吸收能量261 kJ；在有母線MOA情況下浉河Ⅱ側(cè)線路MOA吸收能量201 kJ，減少了29.85%，母線MOA吸收能量157 kJ。

圖6 進(jìn)線MOA吸收能量對(duì)比Fig.6 Comparison of absorption energy of incoming lightning arresters

變電站內(nèi)部變壓器側(cè)繞擊情況下MOA吸收能量對(duì)比見圖7。在無母線MOA情況下，進(jìn)線變壓器側(cè)MOA吸收能量502 kJ；有母線MOA情況下，進(jìn)線變壓器側(cè)MOA吸收能量387 kJ，減少了29.72%，母線MOA吸收能量157 kJ，通過表2對(duì)比情況可知，變壓器過電壓雖然有所降低但是幅度很小。

圖7 變壓器側(cè)MOA吸收能量對(duì)比Fig.7 Comparison of absorption energy of transformer side lightning arrester

提取從浉河Ⅱ側(cè)到主變壓器的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過電壓分析，見圖8，在裝設(shè)母線MOA的情況下，依賴于母線MOA的保護(hù)半徑，各節(jié)點(diǎn)的過電壓數(shù)值均較低，曲線較為平坦。

圖8 繞擊情況下從浉河側(cè)到主變壓器過電壓Fig.8 Overvoltage from the river side to the main transformer in case of strike

由計(jì)算得到的保護(hù)裕度可知，在金牛變電站母線取消母線MOA后，在216 kA的雷電設(shè)防電流直擊變電站近區(qū)線路桿塔塔頂及37.064 kA最大繞擊電流繞擊近區(qū)相導(dǎo)線的情況下，各關(guān)鍵設(shè)備節(jié)點(diǎn)的最大雷電過電壓均沒有超過絕緣水平，其保護(hù)裕度最小在23%～26.7%之間，均滿足GB 311.1的配合要求。站內(nèi)安裝的MOA最大吸收能量為502 kJ，最大比能量為1.197 kJ/kV，流過MOA的電流最大值為9.26 kA，波形約為2/54 μs，均未超過MOA固有能力[10]。

通過對(duì)比可知，在安裝母線MOA的情況下雷電過電壓有所降低，母線上的設(shè)備過電壓降低明顯，但對(duì)進(jìn)線側(cè)和出線側(cè)設(shè)備的過電壓降低作用有限；從吸收能量上比較，在裝設(shè)母線MOA情況下，母線MOA分擔(dān)了部分雷電流能量，降低了其余MOA吸收能量，但是母線MOA分擔(dān)的吸收能量較線路側(cè)更小。

2.2 操作過電壓結(jié)果分析

變電站的出線愈多，母線上的雷電過電壓愈低，電壓陡度也愈低，仿真考慮最嚴(yán)酷的情況，采用單電源單出線，對(duì)取消母線MOA和裝設(shè)母線MOA的過電壓情況進(jìn)行對(duì)比[11-13]。

仿真設(shè)置0.2 s發(fā)生故障，40 ms后故障相斷路器跳開，0.5 s后重合閘，若故障消失則重合閘成功，若重合閘失敗，則失敗后斷路器三相跳開，分析操作過程中的過電壓。

500 kV金牛變電站在可能發(fā)生的斷路器操作、故障下計(jì)算得到的相應(yīng)工況下的過電壓水平見表3，依據(jù)GB/T 50064中操作過電壓耐受水平，500 kV系統(tǒng)操作過電壓應(yīng)低于2.0 p.u.。

表3 變電站各設(shè)備上的操作過電壓Table 3 Operating overvoltages on equipment in the substation

見圖9，以單相接地故障重合閘失敗MOA吸收能量情況為例，該過程存在兩次分閘，MOA動(dòng)作了兩次，吸收能量最多，重合閘過程中過電壓較低，MOA沒有動(dòng)作。在取消母線MOA的情況下，線路MOA吸收能量最大達(dá)到1 375 J；在裝設(shè)母線MOA的情況下，線路MOA吸收能量達(dá)到712 J，降低了50%，母線MOA吸收能量602 J，減少了56.22%。

圖9 MOA吸收能量對(duì)比Fig.9 Comparison of absorption energy of lightning arresters

在操作過電壓情況下，依據(jù)GB/T 50064操作過電壓耐受水平進(jìn)行校核[8]，對(duì)于500 kV系統(tǒng)，操作過電壓應(yīng)低于2.0 p.u.，在裝設(shè)母線MOA和取消母線MOA兩種情況下都是滿足國(guó)標(biāo)要求[9],取消母線MOA后最嚴(yán)酷情況下，設(shè)備絕緣仍有26%的配合裕度[14]。

在相同操作過電壓情況下，與取消母線MOA情況相比，裝設(shè)母線MOA的過電壓水平更低，電壓最大降幅達(dá)到8.5%。

取消母線MOA后，操作過電壓最大情況出現(xiàn)在兩相短路，值為777 kV，遠(yuǎn)低于MOA操作沖擊耐受電壓1 175 kV，未超過MOA的固有能力[15]。

3 結(jié)論

通過對(duì)金牛500 kV變電站雷電及操作過電壓的計(jì)算研究，得到了相應(yīng)工況下各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的最大雷電及操作過電壓[15]，并依據(jù)GB 311.1以及GB/T 50064中對(duì)各類設(shè)備雷電沖擊耐受電壓和操作沖擊耐受電壓的要求值，對(duì)比分析了取消母線MOA對(duì)站內(nèi)過電壓抑制效果和其他避雷器動(dòng)作負(fù)荷的影響，得出以下結(jié)論：

1)取消母線MOA后，不同雷電侵入方式下，各關(guān)鍵設(shè)備節(jié)點(diǎn)的最大雷電過電壓有所提高，最高提高21.57%，但均未超過設(shè)備絕緣水平，仍有24.1%～31.9%配合裕度；其他MOA吸收能量最大提高了30%，也未超過固有吸收能力量。

2)取消母線MOA后，故障工況下，產(chǎn)生的操作過電壓水平均仍低于GB 311.1設(shè)備相應(yīng)的操作絕緣耐受水平2.0 p.u.；各關(guān)鍵設(shè)備節(jié)點(diǎn)的最大操作過電壓有所提升，最大提升了8.5%，其他MOA吸收能量有所增大，但吸收的能量仍然很小，仍未超過固有吸收能力過電壓。操作過電壓不會(huì)威脅設(shè)備絕緣。

3)裝設(shè)母線MOA后，站內(nèi)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)過電壓和其他MOA吸收能量均優(yōu)于取消母線MOA的情況在雷電過電壓情況下，對(duì)母線過電壓限制更明顯，對(duì)線路側(cè)過電壓限制作用效果有限；操作過電壓下，雖然過電壓均有降低，但降低幅度較小，最大僅8%。

本研究中的仿真設(shè)置都是偏嚴(yán)酷，根據(jù)上述分析，金牛500 kV HGIS變電站取消母線MOA方案是可行的。