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的設備會帶來嚴重危害，為對其進行研究，根據工程實例做出500 kV電壓等級變電站主接線的計算網絡，并通過PSCAD軟件仿真出在雷電波侵入時的變電站內設備的雷電暫態響應特性，設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，得出了變電站設備過電壓最大值和保護裕度，并選出最佳方案。

　　關鍵詞：變電站;雷電;過電壓;防護

　　《電力需求側管理》(雙月刊)創刊于1999年，由國家電網公司主管、國家電網公司電力需求側管理指導中心主辦、東南大學協辦。

　　變電站是電力系統中極為關鍵的一部分，如果一旦遭受雷電災害而被迫停電，將會對用戶的生產、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。

　　在保證電力系統安全平穩運行的過程中，對變電站進行防雷電災害的保護措施是至關重要的[2]。雷電災害的危害性非常巨大，一旦發生雷電災害，就會導致變電站中生產設備大面積受損，同時還會造成設備嚴重受損[3]，從而導致大面積停電，影響大規模用戶的生產生活[4]。另外，變電站中的主要電氣設備的內絕緣一旦損壞，很難進行修復[5]。

　　根據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主要設備的過電壓情況，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，雷電侵入波在站內設備上引起的過電壓幅值差異可能很大，站內設備投運越多，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，僅入口電容發生改變，故通過改變入口電容來分析其對模型的影響。設備等值入口電容為：

　　依照上述參數，搭建的雷電侵入波仿真模型如圖2所示。

　　2 仿真結果及分析

　　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，各個設備的過電壓波形圖如圖3所示。

　　各個設備過電壓的最大值及出現的時間，如表1為：

　　從表1中，可以看出這些設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]，站內設備沒有了保護裕度，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果如圖4所示。

　　各個設備過電壓的最大值及出現的時間，如表2為：

　　根據公式，計算出在這種保護方案下的各個設備的保護裕度，如表3所示。

　　從表中，可以看出：

　　當BIL=1425時，在變壓器處放置一組避雷器，站內設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，導致保護裕度比較低。

　　當BIL=1550時，站內設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，此時的仿真結果如圖5所示。

　　各個設備過電壓的最大值及出現的時間，如表4所示。

　　根據公式，計算出在這種保護方案下的各個設備的保護裕度，如表5所示。

　　從表5中，可以看出：

　　當BIL=1425時，只在母線處放置一組避雷器，站內設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，不能大范圍對設備進行保護，保護裕度一般。

　　當BIL=1550時，站內設備的保護裕度范圍在16%到20%之間，使得設備盡在保護范圍中，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，所得到的仿真結果如圖6所示。

　　各個設備過電壓的最大值及出現的時間，如表6所示。

　　根據公式，計算出在這種保護方案下的各個設備的保護裕度，如表7所示。

　　從表7中，我們可以看出：

　　當BIL=1425 kV時，在變壓器處和母線處各放置一組避雷器時，站內設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，設備兩端的過電壓瞬間降低，保護裕度很好。

　　當BIL=1550 kV時，站內設備的保護裕度范圍在25%到32%之間，設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[7]，產生的過電壓值足以破壞落雷點附近的設備，一般都在1600 kV以上，這明顯大于設設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]。

　　為了變電站內的設備安全，在變電站不同設備處加入避雷器后雷電侵入引起設備過電壓時，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，則要使用比較貴的BIL=1550的電器設備，提高變電站的絕緣強度;

　　(2)如果采用保護方案(三)，從變電站的經濟方面出發，可以降低站內設備的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計，并進一步進行仿真和過電壓值的統計，通過計算出設備保護裕度來比較、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，應當綜合設備的絕緣、避雷器的組數和保護裕度的情況，選取最適合該變電站的保護方案。

　　3 結 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，為后續變電站內重要設備的保護提供參考。

　　參考文獻

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