基于ATP-EMTP的变电站防雷保护研究

广州供电局有限公司 张成巍

0 引言

500kV变电站在电力系统中扮演着重要角色，一旦遭受雷击发生事故，将会影响大面积区域的正常供电，而且变电站内主要电气设备的内绝缘大多没有恢复能力[1]，如果因雷击造成了损坏，短时间内修复完善非常困难，势必会造成严重的后果[2]。雷电侵入波过电压是确定变电站绝缘水平的主要因素之一，但是雷电侵入波过电压的水平很难通过实验观察，需要使用仿真计算软件作为主要的分析工具，ATP-EMTP软件当前在国内外应用都非常广泛。雷电侵入波过电压是引发变电站雷害事故的主要原因，对变电站内设备上雷电过电压幅值的影响因素进行研究，对变电站的防雷保护具有重要意义[3]。

1 仿真模型建立

选取的某变电站的单线图如图1所示，选择运行方式为QF1、QF2、QF4、QF8、QF9断路器闭合，QF3、QF5、QF7、QF10断路器断开，因此在该运行方式下，只有两条传输线路与传统具有避雷器保护的变压器相连。

通常变电站的雷害有两种来源：直击雷过电压和感应雷过电压。其中雷击线路，沿线路入侵变电站的雷电过电压很常见，是对变电站电气设备构成威胁的主要方式之一[4]。本文所采用的雷电流为双指数函数波形，取雷电通道波阻抗设置为400Ω。雷击点选在变电站1～6号杆塔，以雷击6号杆塔为远区雷击。

用四线J.MARTI线路模型来描述在雷击附近的跨线单回架空线路。输电线路的浪涌传播影响用分布传输线路来模拟，每个杆塔由8m、7m和18m三段线路串联而成，杆塔电阻10Ω/km，波阻抗为200Ω。塔基用R-L串联支路来模拟，冲击电阻值设置为10Ω。变电站母线的雷电侵入波过程用分布传输线路来模拟，绝缘子的闪络模型采用MODEL元件，并结合绝缘子的先导闪络判据，自定义创建。由于在雷电冲击波作用下，因为冲击波的传播速度较快，使得雷电侵入波的等值频率比较高，作用时间较短，一般为微秒级，通常10μs左右就可以计算得出过电压幅值，因此变电站设备上的电感和电阻等过程均来不及建立起来。可将各个设备用具有一定电容值的电容来等效[5]，冲击波作用的过程相当于对不同大小的电容进行充电的过程。因此，在计算雷电侵入波时，变电站的电气设备例如变压器、隔离开关、断路器和互感器等，均用电容值不同的入口电容来表示，设备之间用分布参数即波阻抗相隔，变压器和电压互感器的等效电容值为0.0005μF。变电站避雷器选用金属氧化物避雷器，避雷器的非线性特性曲线如图2所示。

图1 变电站的单线图

图2 避雷器非线性特性

2 雷击点对侵入波过电压的影响分析

在仿真过程中，雷击点分别选为进线段的6-2号杆塔，且杆塔距变电站的距离依次减小。变电站中电压互感器处的过电压波形如图3所示。

图3 雷击不同杆塔时电压互感器上的过电压波形

雷击点距变电站的距离与互感器安装处雷电侵入波幅值如图4所示。

图4 不同雷击点位置对设备过电压的影响

从图4中可以看出，雷击点离变电站越近，变电站内雷电侵入波的幅值越高，在2号杆塔处发生绕击时，雷电侵入波幅值可达1.43MV。近区雷击的侵入波过电压一般均高于远区雷击的侵入波过电压，通常1号杆塔距变电站的终端门型构架很近，再加上门型构架上的冲击接地电阻较小，雷击1号杆塔时，经地线由门型构架返回的负反射波很快返回1号杆塔，降低了1号杆塔的电位，使侵入波过电压减小。而2、3号杆塔距门型构架较远，受负反射波的影响较小，过电压较高。

对变压器安装处的过电压进行仿真，雷击点选在4号杆塔处，分别计算使用MOA避雷器保护变压器时和不使用MOA避雷器时的波形，变压器上的过电压波形如图5所示。

图5 安装避雷器前后变压器的过电压波形

从图5中可以看出，金属氧化物避雷器对变压器安装处的过电压起到了很好的限制作用，当不安装金属氧化物避雷器时，变压器上的侵入波过电压可达到1.7MV，而安装金属氧化物避雷器后，过电压幅值基本限制在1.1MV，仅为之前的64%。

3 结束语

当变电站的进线段处发生雷电绕击时，变电站内设备上的过电压幅值和雷击距离成反比，雷击点距变电站越近，设备上的雷电侵入波幅值越高。但当绕击发生在距变电站的终端门型构架很近的1号杆塔上时，由于门型构架上地线的负反射波作用，侵入波过电压的幅值反而减小。通常来说，雷击2号或3号杆塔时的过电压较高，所以在计算变电站的侵入波过电压时要兼顾近区和远区雷击。

对变电站内的重要设备可以采用金属氧化物避雷器来限制侵入波过电压幅值，若侵入波过电压的幅值超过避雷器的动作电压，雷电波便经避雷器入地，可以有效降低变电站设备上的过电压。

[1]王春杰,祝令瑜,汲胜昌,等.高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展 [J].电瓷避雷器, 2010 (3): 35-46.

[2]刘亚林,夏蕾,刘亚伟.对变电站防雷保护的几点认识[J].科技创新导报, 2010(4): 47.

[3]李俊.浅议变电站防雷措施[J].华中电力, 2011(5): 44-58.

[4]肖萍.基于先导法闪络判据的线路及变电站的防雷研究[D].长沙：湖南大学, 2012.

[5]田盈.张峰变电站防雷保护设计[J].科技情报开发与经济,2009(7): 202-203.