750 kV 变电站雷电侵入波过电压计算

2019-12-25程翔

通信电源技术 2019年12期

程翔

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北武汉 400040）

0 引言

为实现高效的远距离输电，我国建设了越来越多的750 kV 高压输电线路，750 kV 变电站是其中重要的环节。通常750 kV 变电站建设在偏远空旷地区，并且带的出线回路多，线路长度长，容易受到雷电波侵入的影响，因此需要采取可靠措施进行防雷保护。雷电侵入波过电压计算可以检验当前防雷布置水平是否满足设备绝缘要求，指导防雷方案的改进。本文基于电磁暂态软件ATP-EMTP 对某750 kV 变电站的雷电侵入波过电压保护进行研究。

1 计算模型和基本数据

针对不同的雷击类型和位置，将雷电流作用在变电站出线的特定位置，对变电站出线的线路、避雷线及铁塔和站内的母线、连接线及主要电气设备进行建模，模拟一个等效的网络。

1.1 电气主接线

德令哈变电站750 kV 侧采用一个半断路器接线，远景进出线回路共组成7 个完整串，带4 台主变10 回750 kV 出线，本期4 个完整串带2 线2 变组成双断路器环形接线。750 kV 侧主接线如图1 所示。

1.2 雷电参数的模拟

根据相关标准，雷电流的幅值超过1（kA）和发生的概率P 满足关系[1]：

雷电流产生的概率随雷电流幅值的增加而降低，在本站所处的地理位置，历史情况统计表明，产生雷电流幅值为176 kA、200 kA 及216 kA 的概率分别为1%、0.53%及0.35%，幅值超过250 kA 的概率为0.14%。由于相关规程未做明确规定，偏严考虑采用216 kA 作为反击计算中的雷电流。

图1 变电站主接线图

对于绕击侵入波，在不同的线路几何模型下，有不同的最大绕击雷电流1m，幅值大于1m的雷电流不会绕击导线，而是击于避雷线或大地。根据相关资料，本站的2#杆塔1m最大14.9 kA，因此在计算中各杆塔的1m均按15 kA 计算。

雷电流的波形取2.6/50 μs 的三角波。雷击塔顶时的过电压高于击于档距中间，因此雷击位置选取不同杆塔塔顶。反击和绕击的雷电通道波阻抗时分别取 300 Ω 和800 Ω。

1.3 进线段模拟

进线段的模拟影响雷电波传导进变电站的幅值和波形等，影响过电压计算的准确性。为了正确地计算波过程，采用多波阻抗模型模拟了德令哈750 kV 变电站的进线段杆塔[2]。德令哈750 kV 变电站的进线段塔型J1# 为51SDJ59-27，J2# 为51SJ53-30，J3# 为51SDJ59-30，J4#为51DJ59-33，杆塔结构如图2 所示。

图2 变电站进线段双回杆塔结构图

由于雷电波会随传输距离增加而衰减，所以只需要考虑较近的几号杆塔是否满足要求，按照惯例选择#1 ～#4 杆塔进行计算，反击位置为杆塔塔顶。杆塔的仿真根据杆塔的物理尺寸建立分布参数模型，图2 中采用4 段模型，进线段的线路构成为双回共6 相导线和双避雷线，线路均采用分布参数线路模型。杆塔接地电阻设定为15 Ω，接地土壤电阻率120 Ω·m。

根据Q/GDW 152—2010《电力系统污区分级与外绝缘选择标准》规定，本站取爬电比距≥2.5 cm/kV，依系统最高运行电压和爬电比距选择绝缘子片数；根据导线荷载大小，本工程分别选用16 t 和21 t 强度的悬式绝缘子，型号为XSP-160 和XSP-210，单片绝缘子的爬电距离为550 mm，据此计算750 kV 绝缘子串片数为25×800/550=36.36。

根据计算结果，再考虑额外3 片零值绝缘子后，750 kV 绝缘子串片数取40 片。武高所对40 片XP-160绝缘子串进行的正极性放电伏秒特性试验结果表明，其放电特性的拟合函数为：

线路和设备的外绝缘放电电压需要根据海拔进行修正，修正系数如公式（3）所示：

本变电站海拔为3 000 m，可由式（3）计算为1.25。

1.4 避雷器的型号选择

计算中所采用的MOA 参数如表1 所示。母线和变压器侧MOA 的型号为Y20W 系列氧化锌避雷器，高抗的MOA 的型号为Y5W5-132/320W 型金属氧化物避雷器，本计算中偏严考虑，分别采用Y20W-600/1380型和Y20W-648/1491型避雷器进行建模计算。

1.5 计算等值模型

在计算中，由于雷电波的折反射十分迅速，各电气设备的电感、电阻特性还没有建立起来即完成了波的折反射过程，所以在计算时将各个电气设备，如变压器、电容式电压互感器（CVT）等均简化为该设备的入口电容[3-4]，如表2 所示。

表1 MOA 的伏安特性

表2 设备代号和其入口电容

1.6 计算选用的运行方式

为了探究各设备在可能运行的最严苛的条件下是否能满足防雷绝缘要求，选择一线一变的运行方式进行侵入波过电压计算，此时吸收雷电波能量的设备最少，过电压的幅值最高，MOV 吸收的能量也最多，可以对其容量进行校验。根据本站的具体情况，选择如下两种最严苛的运行方式计算雷电侵入波的最大过电压。

运行方式1：无母线运行方式，4#主变经断路器直接带海西1 出线，其他设备断开。

运行方式2：有母线运行方式，3#主变经过 750 kV-I 母线带海西2 一回出线，其他设备断开。两种运行方式接线如图3 所示。

图3 两种最严苛的运行方式

2 过电压计算结果

计算步骤：（1）按击于#1 ～#4 杆塔塔顶计算；（2）按2 种运行方式计算；（3）按不同的工频工作电压幅值和相位计算。

按这3 种条件计算各设备上最高绕击反击过电压峰值、避雷器电流峰值，如表3 所示。

3 设备的绝缘水平和绝缘裕度

根据湖北省电力勘测院提供的数据，在3 000 m 海拔下，电流互感器、断路器及隔离开关等HGIS 设备的额定雷电冲击耐受电压为2 658 kV，变压器为2 495 kV，支柱绝缘子、避雷器及电压互感器的额定雷电冲击耐受电压也为2 658 kV。

表3 最大侵入波过电压

为保证防雷可靠性各设备的耐压应对过电压留有一定裕度，根据惯例内外裕度系数为1.15 和1.05，变压器的额定雷电冲击耐受电压除以裕度系数可得内外绝缘允许的雷电过电压分别为2 169 kV 和2 376 kV；CVT、断路器及电流互感器的内绝缘允许的雷电过电压为2 335 kV，外绝缘允许过电压为2 557 kV；隔离开关、支柱绝缘子以及母线外绝缘允许的雷电过电压为2 557 kV。各设备绝缘裕度均满足要求。