关键字：超高压变电站雷电过电压现场实测仿真计算

0引言变电站是电力系统的枢纽，其运行可靠性关系到整个电力系统的安全运行。在电力系统绝缘事故中，一些是雷电过电压引起的。变电站雷害来源一为直击雷，二为雷电行波。长期的运行经验表明，只要变电站内采用正确的直击雷防护措施，其可靠性是较高的。变电站雷电过电压防护问题主要是针对从线路侵入变电站的雷电行波防护的研究［1］，一般有以下三种方法。⑴模拟方法。属于数学上相似的电模拟方法，即模拟计算机型的暂态网络分析仪（TNA），由真实图3模拟伏安特性的三折线注：避雷器模型的相关参数以及后面低压实测的相关数据均已通过相应电压、电流比例尺转化。电力系统设备(侧重于暂态特性)的模拟元件（选择恰当的比例尺得到）组成，对还属于探索性或者设计过程中的问题，将发挥重要作用［2-4］。⑵实测方法［5-6］。此方法补充和考虑了许多在计算机或模拟中不能考虑的因素，如耦合、大地的影响，具有更强的真实性与权威性，但它要对如外部干扰的一些影响因素进行处理，且受具体结线限制，不易作结线方式改变的相关研究。⑶计算机方法。可用于规划设计电站时的最优方案，同时也可校验已建的电站关于防雷保护的问题，但必须已知变电站各个元件的参数，且参数的选取对结果影响很大。计算方法以EMTP仿真使用最多，它可以解决电力系统中许多稳态和暂态过程的计算［7-15］。以上三种方法各具特点：模拟具有直观性，实测具有真实性，计算具有灵活性。针对较为复杂的工程问题，可将以上某两种方法互为结合、互为补充、互为验证。目前国内外在研究此类问题时，大都只采用一种方法［5-16］，如将两种方法结合较为适合。笔者以一个已建待投运具体电站为例，对雷电过电压与绝缘配合的合理性问题采用实测与计算（使用ATP-EMTP）相结合的方法进行论证。1雷电过电压降压实测装置试验时若采用投入波幅值与实际的相同，对固体绝缘有累积效应，故采用时间比例尺、阻抗比例尺为1的降压真型试验，它只须对避雷器模拟。在某超高压变电站用低压冲击波进行了现场试验。现场投波试验时的原理性回路见图1。1.1试验装置1.1.1波发生器为了在示波器显示屏上得到稳定的波形，波发生器应发出具有重复频率的波形，波头陡度及幅值均应可调。本试验中，波发生器的输出阻抗基本不变。搜文网发生器的回路如图2所示。其中，输出端b点与e点之间的电阻r2相当小，r1约为10 r2。在工作过程中，输出阻抗的变化，仅为线路阻抗的1%左右。投波时，以100 V模拟1 MV，在发生器与到变电站入口的引线之间串入一个电阻，并使此电阻与发生器输出电阻之和等于投波相的波阻。1.1.2避雷器模型此变电站用的避雷器有XAL-468（线路型）和XAL-444（电站型）。其伏安特性在5、10、20 kA电流时的冲放电压以及残压值见表1。根据表1的数值和厂家提出的um-im曲线，模型用图3表示。模拟避雷器的“放电间隙”由闸流管构成。1.2波阻的测量和投波幅值的确定①测得边相波阻为280Ω。中相波阻按计算的中、边相波阻比取300Ω。②由分析可知：相对于在正常有晕条件下投波电压幅值为U的试验结果，在无晕条件下将投图1投波试验的原理性回路图2发生器回路图注：图中G0为二级管，G1为闸流管，C1为电容器，C2为可调电容器，R为保护电阻，R1为可调电阻，r1、r2均为电阻。额定电压/kV冲放电压/kV残压/kV1.2/50波波前5 kA444 1 020 1 125 935468 1 075 1 185 98010 kA1 0001 05520 kA1 1301 190表1 XAL型避雷器的冲放电压及残压测量结果避雷器不串电感避雷器串入电感04开关1#主变2#主变实测电压峰值/kV 1 020 1 090 1 060绝缘配合系数1.52 1.42 1.46峰值时间/μs 4.9 3.1 2.2仿真电压峰值/kV 956 1 066 1 034绝缘配合系数1.62 1.45 1.50峰值时间/μs 4.2 3.9 4.2电压峰值误差(以实测数据为基准)6.27%2.20%2.45%表4一线二变接线时的结果波电压幅值提高为110%U后，其试验的结果对变电站防雷措施的评价更为严格。经计算，在距电站0.4 km处受雷击后，传到变电站入口时波幅为2 200 kV。由于降压试验是在无晕条件下进行，在投波点串入电阻R0（其值等于线路无晕时呈现的波阻）进行匹配，增大试验波形幅值为110%，即投波幅值为2 420 kV，波形为1.2/53的双指数波。2雷电过电压ATP-EMTP仿真模型为了将实测与ATP-EMTP仿真的结果进行比较，ATP-EMTP仿真模型中，将侵入电压波幅值为2 420 kV、1.2/53的双指数波用两折线电源近似表示；避雷器中ZnO电阻片伏安特性见图3，间隙用压控开关代替，此控制电压见表1中的冲放电压；边相及中相波阻采用实测值。在雷电波作用下，电气设备等值为入口电容，电气主接线中各电气设备的等值入口电容与对应的雷电冲击绝缘水平见表2。3实测与仿真的结果分析变电站的主接线如图4所示。图中画出了部分主要设备，并标明了以中相距离为准的尺寸。投波点在XAL-468避雷器处，并考察两种运行方式。⑴一线一变：由进线向2#主变供电，开关01、02、03合，04、05、06断，投波点与变压器之间的平面距离为319 m，另有两条母线经01、03开关相连。⑵一线二变：由进线向1#、2#主变供电，全部开关合闸，母线经各开关形成闭环，由投波点到1#主变平面距离约与一线一变时相等。为了研究避雷器内电感的影响，试验与仿真都串入了约36μH电感。现场调压仅凭示波器显示屏上的读数确定，故现场调压投入波幅值与前面提到的2 420 kV有差别，下面的几种方案中投入波幅值均略偏高。3.1一线一变投入波幅值2 490 kV，1.2/53波，投波边相，电站入口处串入280Ω电阻以模拟边相的无晕波阻。现场实测与ATP-EMTP仿真结果见表3。3.2一线二变投入波幅值2 440 kV，1.2/53波，投波中相，电站入口处串入300Ω电阻以模拟中相的无晕波阻。现场实测与ATP-EMTP仿真的结果见表4。为分析波形对站内电压的影响，改变投入波的波形。实测与ATP-EMTP仿真结果见表5（避雷器不串电感）。3.3结果分析①由表3～表5可见，降压实测与ATP-EMTP名称入口电容/pF绝缘水平/kVCVT 5 000 1 550开关600 1 550变压器5 000 1 550表2电气设备入口电容和雷电冲击绝缘水平图4某500 kV变电站主接线图（尺寸部分：m）测量结果避雷器不串电感避雷器串入电感02开关2#主变2#主变实测电压峰值/kV 1 020 1 100 1 155绝缘配合系数1.52 1.41 1.34峰值时间/μs 6.2 4.1 4.0仿真电压峰值/kV 1 124 1 104 1 156绝缘配合系数1.38 1.40 1.34峰值时间/μs 4.5 3.3 3.5电压峰值误差(以实测数据为基准)10%0.36%0.09%表3一线一变接线时的结果仿真的结果均比较相近，以实测数据为基准，主变压器上电压峰值的误差均不超过5%，站内其他设备上电压峰值的误差也在10%的范围内，这是工程实际能接受的。这个误差来自实测中的外部干扰、测量误差等；仿真对大地的影响及线路间的相互耦合考虑的不完善、电站内参数的选取不符合实际等。如果能够尽量减小这些误差来源，降压实测与ATP-EMTP仿真之间的误差将会更低。因而降压实测与ATP-EMTP仿真是分析电力系统雷电过电压很好的方法。②由表3可得，与未串电感时相比，避雷器串入电感时变压器上电压提高了5%（实测）；由表5看出，投波波头变长，主变上的电压均有所下降，但下降不多。波头为1μs的斜角平顶波投入变电站后，后果比1.2/53严重些，变压器上的电压约高4%（实测）。③按照国标和IEC标准要求，为满足500 kV电力系统绝缘配合的规定，雷电冲击配合系数应大于1.4。由表3、表4可以看到，一线一变运行方式下，若串入36μH的电感，2#主变不能满足雷电冲击绝缘配合的要求；而其他情况下的电气设备绝缘配合均较好。故避雷器的内电感对绝缘配合有影响。设计避雷器时，其内电感取值有待研究。4结语(1)电力系统过电压问题三种研究方法各具特点：模拟具有直观性，实测具有真实性，计算具有灵活性。(2)通过对某电站的降压实测与ATP-EMTP仿真计算可以看到，两者结果很相近，相互得到验证。(3)针对较为复杂的实际工程问题，三种方法应互为补充结合起来，特别是将实测与计算结合起来是一种很好的研究方法。