基于EMTP的500kV变电站雷电防护与绝缘配合研究

李 晓，刘苏云，徐 晨，史 静，姜 凯，周春泉

（1.济源供电公司，河南 济源 459000；2.河海大学能源与电气学院 电力系统及其自动化，江苏 南京 211100；3.南京大学金陵学院，江苏 南京 210044）

0 引 言

随着社会经济的迅速发展，电能需求与日俱增，从而促使电力系统向大容量、长距离、超高压方向发展。目前在我国已形成了以500kV输电线路为主干，覆盖华北、华中、华东、西北和东北的五个跨省电网，跨大区电网还采用了500kV直流输电技术，华东与华中两大电网之间，通过500kV葛洲坝至上海直流线路。500kV变电站作为电网的枢纽［1］，在电力系统中的地位极其重要，一旦发生雷害将使设备遭受过电压损害，直接影响整个电力系统的安全可靠性，严重影响国民经济和人民生活，因此要求其必须有可靠地防雷保护措施。变电站的雷害主要来自两个方面:一是雷直击变电站:二是雷直击输电线路产生的雷电过电压波沿线路侵入变电站。雷击线路的概率比雷击变电站的概率大得多，所以沿线路侵入变电站的雷电过电压是研究超高压变电站雷电过电压保护问题的主要对象。

1 避雷器保护分析［2，3］

一切被保护设备都可以近似地用一只等值电容C来表示，如图1示，变电设备与避雷器之间就会出现一个电压差U。

图1 计算U的简化接线图

先看最简单的只有一路进线的终端变电站的情况，这时图1中的Z2＝∞，C即为电力变压器的入口电容。由于电力变压器的等值电容一般都不大，可以忽略波刚到达时电容使电压上升速度减慢的影响，而讨论电容充电后相当于开路的情况。例如取过电压波到达避雷器端子1的瞬间作为时间的起始即t＝0，避雷器上的电压即按照u1＝αt的规律上升。当t＝T时波到达设备端子2上，此时取C＝0，波在此将发生全反射，所以设备绝缘上的电压表达式应为

当t＝2T时，端子2上的反射波将再次到达端子1上，从而使避雷器上的电压上升陡度加大，如图2中的线段mB所示。由图1、2可知:由于有反射波的影响，避雷器将提前动作，动作时刻为t＝tA，此时击穿电压为

图2 被保护绝缘和避雷器的电压波形

由于一切通过端子1的电压波都将到达端子2上，但时间上要推迟T，因此避雷器放电后所产生的限压效果要到时刻t＝（tA＋T）才能对设备绝缘上电压产生影响，这时u2已经达到

此时可得压差U为

进波陡度α越大，电压差值U也就越大。我国普遍采用雷电流的波形为2.6／50μs，由于雷电流的波头长度变化范围不大，所以认为雷电流的平均陡度和幅值线性相关（α＝kA／μs）。

一般在防雷计算中，为了使设备不被击穿应该按照下式选择绝缘的冲击耐压水平:

式中，uc为避雷器的残压，近似等于uA；uj为绝缘的雷电冲击耐压值。

从而可以得出被保绝缘与避雷器之间的最大容许距离为

2 计算结果与分析

2.1 距离对避雷器保护的影响研究

下面以某500kV变电站中主变与避雷器的距离对过电压的影响来讨论，如表1所示。

表1 主变与避雷器距离对过电压的影响

从表1中可以直观的看出，随着主变与避雷器距离的增加，主变上的雷电过电压幅值逐步增加，而且当距离为56m时，主变上的过电压幅值1420kV，该值接近于主变的耐受电压1425kV，因此可以得出避雷器离主变越近越好，距离不宜超过56m，且加装氧化锌避雷器对于限制过电压具有显著的效果。

2.2 一个半断路器接线模拟实验

以A发电厂500kV升压站和B 500kV变电站模拟实验为例，说明一个半断路器接线电气设备的雷电过电压幅值以及避雷器配置方案。

2.2.1 基本条件

（1）侵入波电压幅值取3000kV和2200kV两级。

（2）500kV电气设备绝缘水平如表2所示。

（3）500kV避雷器参数如表3所示。

表2 电气设备绝缘水平

表3 500kV避雷器参数

2.2.2 典型接线保护

一回线路和一组变压器加临时跨条的一个半断路器接线。

某发电厂500kV升压站初期采用这种接线，按三组避雷器考虑，见图3。500kV主变压器出口安装一组XAL－444L电站型避雷器，500kV线路和500kV并联电抗器出口各自安装一组XAL－468L线路型避雷器。

图3 某发电厂500kV保护接线图

实验结果表明，在正常情况下避雷器的配置都能满足雷电过电压的保护要求。但是在图3中，当打开1号和3号断路器检修的情况下，将发生很大的变化。其中当侵入波幅值为2200kV时候，最大雷电过电压为1544kV，满足电容式电压互感器的雷电冲击绝缘水平；但当侵入波幅值为3000kV时，最大雷电过电压为1730kV，超过了电容式电压互感器雷电冲击水平1675kV。为了保证安全，应采取在母线上增设一组避雷器。

3 不同运行方式对雷电过电压和绝缘裕度配合的影响

下面以一机一线结合EMTP仿真为例，说明雷电过电压与绝缘配合受哪些因素影响。本次计算条件:侵入雷电波幅值210kA、波形2.6／50μs、杆塔冲击电阻为24.5Ω；变压器、电压互感器、断路器、电流互感器、隔离开关的冲击电容取值分别为4800pF；4000pF；600PF；1000PF；300pF。

（1）其中带母线，仅有T6一台变压器运行，主要的电气设备过电压幅值如表4。

表4 一机一线、带母线运行方式下的主要电气设备过电压幅值

由表4可以直观地看出电气设备均未超出其绝缘裕度。

（2）仅T6一台发动机运行，不带母线的情况主要的电气设备过电压幅值如表5。

表5 一机一线、不带母线运行方式下的主要电气设备过电压幅值

对比表4和表5不难发现:一机一线运行方式下，带母线与不带母线的情况下比较，可以看出主变、RT3、VT12、NRT3、CVT上的过电压幅值都有不同程度的上升，但都能够满足雷电绝缘配合的要求，上升幅度最快与最慢的分别是RT3和CVT，且上升幅度分别为14.428%和3.248%。由此可以得出在考虑变电站绝缘配合的时候应该考虑不带母线的情况。

（3）仅T6一台发动机运行，带母线但取消母线避雷器的情况主要电气设备的过电压幅值如表6。

表6 一机一线取消母线避雷器后的主要电气设备过电压幅值

表5和表6对比可以发现:一机一线运行方式下，取消母线避雷器时，主变、RT3、VT11、VT12、NRT3、CVT上电压都有不同程度的变化，所以变电站要取消母线上的避雷器时应当慎重考虑。其中可以清楚看出CVT上的过电压幅值最高，其值为1206kV，且可以计算出绝缘裕度为1.2852，能够满足雷电绝缘裕度的配合要求。

4 结束语

根据以上研究并结合已有的研究成果，对于500kV变电站在初步确定适合该变电站的防雷方案时，建议在进线侧、主变侧和母线上均装设金属氧化物避雷器。在一机一线运行方式下应该考虑不带母线情况下变电站的绝缘裕度配置，对于电力系统防雷害以及变电站过电压的研究具有借鉴意义。

［1］张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配合［M］.北京:清华大学出版社，2002.

［2］肖稳安，张小青.雷电与防护技术基础［M］.北京:气象出版社，2005.

［3］Rakosh Das Begamudre（著），从伟（译）.超高压交流输电工程［M］.北京:机械工业出版社，2008.