ATP-EMTP中建立雷电侵入波过电压的计算模型.docx

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1、变电站设备的雷电过电压主要取决于从架空线侵入变电站的雷电过电压的幅值、波形以及电站本身的行波特性。这种侵入波过电压的发生频率由与变电站相连的架空线路的雷电性能决定。因此在进行仿真计算之前，需要研究采用的计算方法，分析计算的原理，建立精确的数学模型。本章着重讨论如何在ATP-EMTP中建立雷电侵入波过电压的计算模型，并结合实际工程给出参考数据1雷电侵入方式和雷电的模拟变电站遭受雷害的来源有两种:一是雷直击于变电站;二是沿线路传过来的过电压波。对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。我国运行经验表明，凡按规程（标准）要求正确安装避雷针、避雷线和接地装置的变电站，绕击和反击的事故率都很低，防雷效果是很

2、可靠的。并且雷击线路的机会远比雷直击变电站的多，所以沿线路侵入变电站的雷电过电压波是很常见的，是对变电站电气设备构成威胁的主要方式，因此本文将针对变电站雷电侵入波进行仿真计算分析。对沿全线架设避雷线的线路来说，距离变电站2km内的线路称为进线段。线路其余长度的避雷线是为线路防雷用的，而这2k1n进线段的避雷线除为了线路防雷，还担负着避免或减少变电站雷电侵入波事故的作用，其重要性大的多。一般根据雷击点到变电站距离的不同，将2km以内的落雷称为近区落雷，2km以外的落雷称为远区落雷。将输电线路（包括杆塔、地线和导线在内）连同变电站内部的母线、连接线和电气设备作为一个网络整体来考虑，这样计算更加准确

3、和符合实际情况。我国有的规程曾规定只计算离变电站2km以外的远区雷击，不考虑2km以内的近区雷击。这可能是沿袭较低电压系统等级的作法，认为进线段有地线保护或己加强绝缘，不会因反击或绕击而进波。实际上，对220kV及以上电压等级的线路而言，2km以外的雷击，由于雷电波在较长距离传播过程中幅值衰减和波头陡度变缓，使变电站内设备上形成的侵入波过电压较低，以它为考察的主要对象不太合适。雷电侵入波通过进线段传入变电站时，由于线路阻尼和电晕衰减效应，过电压幅值和陡度通常随雷击点离变电站距离的增加而降低。所以应重点研究变电站进线段（从变电站开始的大约2km线路）近区雷击。在美国、西欧和日本以及CIGRE工作

4、组，均以近区雷击作为变电站侵入波的重点考察对象。武汉高压研究所进行的大量变电站侵入波的研究，也均以近区雷击为主要研究对象。在本文研究中也选择近区雷击作为比较的主要依据口1。在进线段内遭受雷击时，因发生反击和绕击，会在导线上产生雷电侵入波传递到变电站内，在变电站设备上产生雷电过电压，且当雷击电流较大时，会引起站内设备的损坏。对于反击侵入波，应着重研究雷击近区杆塔;对于绕击侵入波。这也是IEc60071-2D1（绝缘配合第二部分:高压输变电设备的绝缘配合使用规则）所推荐的。除此之外，同时也应研究进线段其它位置受雷击时的侵入波过电压，对计算结果进行比较分析。所以，根据以上的分析，将雷击进线段架空线路

5、杆塔反击（近区反击和远区反击）形成的雷电波作为侵入波，即按雷击塔顶来计算。关于雷电通道模型及波形参数，国内外研究已经积累了各种实测数据，虽然基本规律大致接近，但具体数值却有差别，存在一定的分散性，主要原因来自两个方面:一是雷电放电本身的随机性受到各地气象、地形和地质等诸多自然条件的影响;二是测量手段和测量技术水平的不同。雷电侵入波大多数是通过进线段流入变电站的，所以进线段的仿真模拟尤为重要。雷击线路主要有反击、绕击和雷击避雷线3种情况。对于后者，只要导线和避雷线间的空气距离符合规程的规定，一般不会发生闪络，因此对G1S及主变压器绝缘构成主要威胁的是反击和绕击口引。一般认为，在最不利的情况下，侵

6、入变电所的雷电波最大幅值为绝缘子串的50%冲击放电电压。因为若超过U50%,绝缘子串闪络，线路两端断路器跳闸将故障线路切除，不会有入侵波进入变电站。通常规定应该保证进线段上2km外线路导线上出现雷电过电压侵入波时，其连接的发电厂和变电站电气设备绝缘不至损坏。但在实际情况中，假如变电站2km外线路上落雷，传输到变电站后能量大大衰减，不会对变电站内电气设备绝缘构成威胁乃至损坏。如果变电站的雷电侵入波主要来自进线段以外，由于进线段线路冲击电晕的影响，削弱了侵入波的陡度和幅值，同时也减小了通过避雷器的雷电流。所以在文中的变电站侵入波的模拟中，主要考虑在进线段内发生雷击的情形。为了使仿真符合实际情况，本

7、文选取2km进线段距离，根据电气击距理论求取的绕击相导线雷电流幅值一般很小，不足以产生引起G1S绝缘故障的过电压。一般可以忽略绕击对G1S及主变绝缘的影响口力计算采用雷击进线段线路杆塔造成的反击为例。计算用的雷电入侵波一般有两种波形可供选择：指数波和斜角平顶波。从能量的观点出发，斜角平顶波的雷电能量大。对于工程计算，精度符合要求，故本文选择后者作为计算用雷电入侵波波形。在绕击和反击计算中，雷击点位置均在进线段即距离变电站2km内，反击雷电压波形为2.6/50US的斜角平顶波。根据规程，选择入侵波幅值为绝缘子50%放电电压,22OkV线路绝缘子串50%放电电压为141OkV.图2.1是雷电压模拟

8、图。当2.6US时雷电压最大，波幅值为绝缘子50%放电电压,220kV线路绝缘子串50%放电电压为1410kV0图2.1雷电压模拟图2变电站输电线路模型2.1某22OkV主接线本文是针对宝钢供配电系统的某220kVG1S变电站，计算雷击进线段侵入变电站时，在G1S内部设备及主变上出现的雷电过电压。某变电站运行方式主要有4种，某变电所主接线见图2.2。共3回架空进线：至扬行变电所20（简称R1、R2）、至二受变电所10（简称C1）。220kVGIS为双母线接线。某变电所两台主变压器并列运行，容量均为300MV-A,变压器直接与220kVGIS相连，低压侧接至I1okVGIS（简称P1、P2）。另

9、外，通过2回电缆接至宝钢两台主变压器（简称F1、F2）,每相2根电缆,分两个“品”字型敷设，电缆长度为2km通过1回1.2km电缆接至第2电炉主变压器。图2.2是某22OkVG1S变电站主接线图，图中有三回进线，分别为至扬行变R1R2和至二受变C1接线方式采用双母线接线方式，出线共五回，至宝钢变压器F1,F2,至第二电炉变电所一回，至HOkVGIS变电站P1,P2.要求计算四种实际的运行方式下，宝钢两台变压器以及第二电炉变压器端部的雷电过电压，从而确定是否需要在上述变压器旁安装避雷器。从以往的雷电过电压计算中可知，单条进线、单母线运行、单台变压器供电的方式过电压最严重。i,/隔离开关OOMOA

10、-HMOA-HMOAH断路器一_快速接地f开关r-接地开关金属氧化物避雷器VTP2至I1OkVGIS宝钢F2宝钢F1PI至I1OkVGIS图2.222OkVGIS变电站主接线图2. 2某变电站的运行方式(1)方式1某变电所220kVGIS双母线并列运行，3回架空进线，即至扬行变电站的进线RKR2和至二受变电站的进线C1均投运，5台变压器均运行，如图2-3所示(图中快速接地开关均打开)。图2-3方式1运行方式接线图（2）方式2某变电所220kVGIS双母线并列运行，2回架空线投运（扬行变电站的进线RKR2投运，到二受的架空线停运），3台变压器运行（某、宝钢各一台、第二电炉变压器），如图2-4所示

11、（图中快速接地开关均打开）。（3）方式3某变电所220kVGIS双母线分列运行，2回架空线投运（扬行变电站的进线RKR2投运，到二受的架空线停运），5台变压器运行（其中，一段母线带3台变压器：某1台、宝钢1台、第二电炉1台；另一段母线带2台变压器：某1台、宝钢1台），如图2-5所示（图中快速接地开关均打开）。图2-5方式3运行方式接线图(4)方式43回架空进线，RKR2和C1仅一条投运，5台变压器仅一台运行，选取四种典型的情况进行计算，即：方式4-a.至扬行变电站R1进线、单母线运行、宝钢一台变压器运行；方式4-b.至扬行变电站R1进线、单母线运行、第二电炉一台变压器运行;方式4-c.至扬行变

12、电站R2进线、单母线运行、宝钢一台变压器运行；方式4-d.至扬行变电站R2进线、单母线运行、第二电炉一台变压器运行;方式4四种情况的运行方式接线见图2.6图2.6方式四四种情况的运行方式接3站内各元件模型及参数2.1 G1S中元件模型及参数选取：对地电容众所周知，雷电现象的最大特征是大电流和高频率，其幅值可达上百千安，频率范围约在IOkHZIMHZ之间。在雷电波的冲击下，线路的电气参数与工频下的参数相比将发生很大的变化，呈现出较强的电容特性。故可将变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、套管等模拟成对地电容，通过以往的计算表明，这样处理不会失去准确性。因为原始资料未提供对地电容值，根据一般220

13、kVGIS的参数范围，计算中取值如下：变压器入口电容取2500pF相，断路器入口电容取210pF相，隔离开关入口电容取IOOPF/相，快速接地开关、接地开关入口电容取80pF相，电压互感器入口电容取120pF相，油气套管入口电容取60pF相。无间隙金属氧化物避雷器(MOA)于1973年研制出，1978年完成了3.350OkV电力系统用的新型系列无间隙避雷器。金属氧化物或氧化锌避雷器是一种高度非线性的电阻。本论文的MoA由日本东芝提供，Un=210kV,动作电压316kV。5、10、20kA残压分别为474、507、556kVo计算中采用分段拟和法处理MOA的伏安特性，同时考虑60pF/相的对地

14、电容。3. 2揄电线路模型本论文采用单相无损线路模型来研究雷电过电压，在大多数情况下它是足够准确的，因为：(1)在超高压输电线路上单相雷击占大多数，只需分析雷击的那一相，而其它相上感应的过电压要低的多(2)变电站绝缘损坏的危险性是在2km或更近处发生反击时最高。因而，绝缘配合的研究通常是近处雷击。此时，M相线路上模量波就“挤在一起”，因为在这样短的距离内M个波的波速和畸变差别很小，极易将它们合成一个波加在受雷击的相上。4. 3分布参数模型由于雷电过电压频率很高，GIS母线、GI1,进线段的架空线路以及变压器前的电缆线路，都需要用分布参数模拟，否则会引起过电压波形的局部畸变，从而影响过电压的最大

15、值。GIS管线、GI1,电缆及架空线路均用分布参数线路模拟，否则会引起过电压波形的局部畸变。根据厂家提供参数，计算得到波阻抗、波速见表2-1表2-1GIS管线、GI1,电缆及架空线路均用分布参数线路类型波阻抗/Q波速/(mS-1)GIS管线及GI170.00299220kV架空线路300.003002.0km电缆40.001391.2km电缆48.65I11综上所述，各元件模型及参数见表22。表22GIS中各元件模型及参数元件名称元件模型及参数变压器入口电容参数250OPFGIS母线用分布参数线路模拟参数：波阻抗Z=70Q,波速尸299msGI1管道用分布参数线路模拟参数：波阻抗Z=70Q,波速y=299ms220kV架空线路用分布参数线路模拟参数：波阻抗Z=3OOQ,波速v=300ms2km电缆（至宝钢）用分布参数线路模拟参数：波阻抗Z=40Q,波速尸139ms1.2km电缆（至第二电炉）用分布参数线路模拟参数：波阻抗Z=48.65Q,波速尸Inms断路器对地电容参数：210pF相隔离开关对地电容参数：IooPF/相电压互感器对地电容参数：120pF相金属氧化物避雷器用非线性电阻和对地电容共同模拟对地电容60pF；非线性电阻利用伏安