變電站雷電侵入波過電壓防護的研究

　　摘 要：雷電侵入波對變電站內(nèi)的設(shè)備會帶來嚴(yán)重危害，為對其進行研究，根據(jù)工程實例做出500 kV電壓等級變電站主接線的計算網(wǎng)絡(luò)，并通過PSCAD軟件仿真出在雷電波侵入時的變電站內(nèi)設(shè)備的雷電暫態(tài)響應(yīng)特性，設(shè)計了不同的避雷器配置的保護方案，并對幾個方案進行仿真計算，得出了變電站設(shè)備過電壓最大值和保護裕度，并選出最佳方案。

　　關(guān)鍵詞：變電站;雷電;過電壓;防護

　　《電力需求側(cè)管理》(雙月刊)創(chuàng)刊于1999年，由國家電網(wǎng)公司主管、國家電網(wǎng)公司電力需求側(cè)管理指導(dǎo)中心主辦、東南大學(xué)協(xié)辦。

　　變電站是電力系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的一部分，如果一旦遭受雷電災(zāi)害而被迫停電，將會對用戶的生產(chǎn)、生活造成巨大損失[1]，所以對變電站雷電過電壓的保護研究是具有特別重要的意義。

　　在保證電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行的過程中，對變電站進行防雷電災(zāi)害的保護措施是至關(guān)重要的[2]。雷電災(zāi)害的危害性非常巨大，一旦發(fā)生雷電災(zāi)害，就會導(dǎo)致變電站中生產(chǎn)設(shè)備大面積受損，同時還會造成設(shè)備嚴(yán)重受損[3]，從而導(dǎo)致大面積停電，影響大規(guī)模用戶的生產(chǎn)生活[4]。另外，變電站中的主要電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣一旦損壞，很難進行修復(fù)[5]。

　　根據(jù)500 kV等級的實際工程為對象，并利用PSCAD/EMTDC建立仿真模型進行仿真，建立相應(yīng)的雷電過電壓保護模型，通過研究不同情況下雷電侵入時變電站內(nèi)主要設(shè)備的過電壓情況，并對它們進行分析，得出最佳的方案。

　　1 雷電侵入波仿真模型搭建

　　變電站處于不同運行方式時，雷電侵入波在站內(nèi)設(shè)備上引起的過電壓幅值差異可能很大，站內(nèi)設(shè)備投運越多，雷電流分流程度越大，侵入波的幅值也就越低。雷電侵入波的理論模型如圖1所示。

　　為模擬500 kV變電站的雷電侵入波過電壓，侵入波采用2000 kV、2.6/50 μs的雷電壓沖擊波。雷電侵入波對模型的影響因素有入口電容、桿塔接地電阻、雷電流波形、沖擊電暈、運行方式、避雷器距離等。由于進行仿真時，變電站運行方式、桿塔接地電阻等因素均為固定值，僅入口電容發(fā)生改變，故通過改變?nèi)肟陔娙輥矸治銎鋵δＰ偷挠绊憽ＴO(shè)備等值入口電容為：

　　依照上述參數(shù)，搭建的雷電侵入波仿真模型如圖2所示。

　　2 仿真結(jié)果及分析

　　為更好的展開對雷電侵入波進行研究，采取4種方案進行，分別為：(a)沒有仿真避雷器;(b)只在變壓器處放置一組避雷器;(c)只在母線處放置一組避雷器;(d)在變壓器處和母線處各放置避雷器。

　　(a)沒有仿真避雷器時，對模型進行仿真，各個設(shè)備的過電壓波形圖如圖3所示。

　　各個設(shè)備過電壓的最大值及出現(xiàn)的時間，如表1為：

　　從表1中，可以看出這些設(shè)備在雷電侵入波作用下的過電壓都大于它們的雷電沖擊耐受電壓[6]，站內(nèi)設(shè)備沒有了保護裕度，且隨著入口電容值的增大，過電壓幅值有所降低，但幅值并不明顯，故在沒有安置避雷器的情況下運行是不安全的，下面將進行討論安置避雷器的情況。

　　(b)只在變壓器處放置一組避雷器時的仿真結(jié)果如圖4所示。

　　各個設(shè)備過電壓的最大值及出現(xiàn)的時間，如表2為：

　　根據(jù)公式，計算出在這種保護方案下的各個設(shè)備的保護裕度，如表3所示。

　　從表中，可以看出：

　　當(dāng)BIL=1425時，在變壓器處放置一組避雷器，站內(nèi)設(shè)備的保護裕度范圍在6%到12%之間，過電壓隨入口電容的減小而有所增大，導(dǎo)致保護裕度比較低。

　　當(dāng)BIL=1550時，站內(nèi)設(shè)備的保護裕度范圍在14%到19%之間，過電壓隨入口電容的瞬間增大而很快降低，使保護裕度很好。

　　(c)只在母線處放置一組避雷器，此時的仿真結(jié)果如圖5所示。

　　各個設(shè)備過電壓的最大值及出現(xiàn)的時間，如表4所示。

　　根據(jù)公式，計算出在這種保護方案下的各個設(shè)備的保護裕度，如表5所示。

　　從表5中，可以看出：

　　當(dāng)BIL=1425時，只在母線處放置一組避雷器，站內(nèi)設(shè)備的保護裕度范圍在9%到13%之間，入口電容改變較小，促使過電壓變化較少，不能大范圍對設(shè)備進行保護，保護裕度一般。

　　當(dāng)BIL=1550時，站內(nèi)設(shè)備的保護裕度范圍在16%到20%之間，使得設(shè)備盡在保護范圍中，保護裕度很好。

　　(3)在變壓器處和母線處各放置一組避雷器時，所得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

　　各個設(shè)備過電壓的最大值及出現(xiàn)的時間，如表6所示。

　　根據(jù)公式，計算出在這種保護方案下的各個設(shè)備的保護裕度，如表7所示。

　　從表7中，我們可以看出：

　　當(dāng)BIL=1425 kV時，在變壓器處和母線處各放置一組避雷器時，站內(nèi)設(shè)備的保護裕度范圍在18%到26%之間，過電壓由于入口電容的急速增加而很快下降，設(shè)備兩端的過電壓瞬間降低，保護裕度很好。

　　當(dāng)BIL=1550 kV時，站內(nèi)設(shè)備的保護裕度范圍在25%到32%之間，設(shè)備兩端的過電壓更低，保護裕度很好。

　　通過對上述4中方案進行仿真，可知在沒有避雷器及其他避雷裝置時，雷電侵入波侵入變電站內(nèi)[7]，產(chǎn)生的過電壓值足以破壞落雷點附近的設(shè)備，一般都在1600 kV以上，這明顯大于設(shè)設(shè)備雷電沖擊耐受電壓，所以在這種情況下變電站的運行是不安全的[8]。

　　為了變電站內(nèi)的設(shè)備安全，在變電站不同設(shè)備處加入避雷器后雷電侵入引起設(shè)備過電壓時，對方案進行討論[9]。從計算出的保護裕度值看出這三種保護方案都滿足保護需要;保護方案b與保護方案c相比較，我們看到保護方案c的保護裕度明顯大于保護方案b的裕度，并且他們都是只用一組避雷器[10]，所以如果在保護方案b和保護方案c中選擇，選擇保護方案c更好。

　　保護方案c和保護方案d相比較，我們可以看出，保護方案d在BIL=1425的情況下保護裕度都大于18%，而保護方案c在BIL=1425的情況下保護裕度為9%到13%，在BIL=1550的情況下保護裕度為16%到20%;所以保護方案c的保護裕度值比保護方案d的大很多，但是保護方案d少用了一組避雷器。

　　通過比較分析，從安全經(jīng)濟兩方面考慮，可以看出：

　　(1)如果采用保護方案(二)，從變電站的安全角度出發(fā)，則要使用比較貴的BIL=1550的電器設(shè)備，提高變電站的絕緣強度;

　　(2)如果采用保護方案(三)，從變電站的經(jīng)濟方面出發(fā)，可以降低站內(nèi)設(shè)備的BIL值，從而減少費用;

　　綜上對500 kV變壓器防雷進行保護方案的設(shè)計，并進一步進行仿真和過電壓值的統(tǒng)計，通過計算出設(shè)備保護裕度來比較、選擇保護方案;對于每個變電站，如果存在多種可取的保護方案，應(yīng)當(dāng)綜合設(shè)備的絕緣、避雷器的組數(shù)和保護裕度的情況，選取最適合該變電站的保護方案。

　　3 結(jié) 論

　　通過對雷電侵入波模型搭建，得出在不同位置添加避雷器時的4種方案，并對每個方案進行分析，得出在不同情況下選取適合變電站的保護方案，為后續(xù)變電站內(nèi)重要設(shè)備的保護提供參考。

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