变电站雷电侵入波过电压防护的研究

　　摘 要：雷电侵入波对变电站内的设备会带来严重危害，为对其进行研究，根据工程实例做出500 kV电压等级变电站主接线的计算网络，并通过PSCAD软件仿真出在雷电波侵入时的变电站内设备的雷电暂态响应特性，设计了不同的避雷器配置的保护方案，并对几个方案进行仿真计算，得出了变电站设备过电压最大值和保护裕度，并选出最佳方案。

　　关键词：变电站;雷电;过电压;防护

　　《电力需求侧管理》(双月刊)创刊于1999年，由国家电网公司主管、国家电网公司电力需求侧管理指导中心主办、东南大学协办。

　　变电站是电力系统中极为关键的一部分，如果一旦遭受雷电灾害而被迫停电，将会对用户的生产、生活造成巨大损失[1]，所以对变电站雷电过电压的保护研究是具有特别重要的意义。

　　在保证电力系统安全平稳运行的过程中，对变电站进行防雷电灾害的保护措施是至关重要的[2]。雷电灾害的危害性非常巨大，一旦发生雷电灾害，就会导致变电站中生产设备大面积受损，同时还会造成设备严重受损[3]，从而导致大面积停电，影响大规模用户的生产生活[4]。另外，变电站中的主要电气设备的内绝缘一旦损坏，很难进行修复[5]。

　　根据500 kV等级的实际工程为对象，并利用PSCAD/EMTDC建立仿真模型进行仿真，建立相应的雷电过电压保护模型，通过研究不同情況下雷电侵入时变电站内主要设备的过电压情况，并对它们进行分析，得出最佳的方案。

　　1 雷电侵入波仿真模型搭建

　　变电站处于不同运行方式时，雷电侵入波在站内设备上引起的过电压幅值差异可能很大，站内设备投运越多，雷电流分流程度越大，侵入波的幅值也就越低。雷电侵入波的理论模型如图1所示。

　　为模拟500 kV变电站的雷电侵入波过电压，侵入波采用2000 kV、2.6/50 μs的雷电压冲击波。雷电侵入波对模型的影响因素有入口电容、杆塔接地电阻、雷电流波形、冲击电晕、运行方式、避雷器距离等。由于进行仿真时，变电站运行方式、杆塔接地电阻等因素均为固定值，仅入口电容发生改变，故通过改变入口电容来分析其对模型的影响。设备等值入口电容为：

　　依照上述参数，搭建的雷电侵入波仿真模型如图2所示。

　　2 仿真结果及分析

　　为更好的展开对雷电侵入波进行研究，采取4种方案进行，分别为：(a)没有仿真避雷器;(b)只在变压器处放置一组避雷器;(c)只在母线处放置一组避雷器;(d)在变压器处和母线处各放置避雷器。

　　(a)没有仿真避雷器时，对模型进行仿真，各个设备的过电压波形图如图3所示。

　　各个设备过电压的最大值及出现的时间，如表1为：

　　从表1中，可以看出这些设备在雷电侵入波作用下的过电压都大于它们的雷电冲击耐受电压[6]，站内设备没有了保护裕度，且随着入口电容值的增大，过电压幅值有所降低，但幅值并不明显，故在没有安置避雷器的情况下运行是不安全的，下面将进行讨论安置避雷器的情况。

　　(b)只在变压器处放置一组避雷器时的仿真结果如图4所示。

　　各个设备过电压的最大值及出现的时间，如表2为：

　　根据公式，计算出在这种保护方案下的各个设备的保护裕度，如表3所示。

　　从表中，可以看出：

　　当BIL=1425时，在变压器处放置一组避雷器，站内设备的保护裕度范围在6%到12%之间，过电压随入口电容的减小而有所增大，导致保护裕度比较低。

　　当BIL=1550时，站内设备的保护裕度范围在14%到19%之间，过电压随入口电容的瞬间增大而很快降低，使保护裕度很好。

　　(c)只在母线处放置一组避雷器，此时的仿真结果如图5所示。

　　各个设备过电压的最大值及出现的时间，如表4所示。

　　根据公式，计算出在这种保护方案下的各个设备的保护裕度，如表5所示。

　　从表5中，可以看出：

　　当BIL=1425时，只在母线处放置一组避雷器，站内设备的保护裕度范围在9%到13%之间，入口电容改变较小，促使过电压变化较少，不能大范围对设备进行保护，保护裕度一般。

　　当BIL=1550时，站内设备的保护裕度范围在16%到20%之间，使得设备尽在保护范围中，保护裕度很好。

　　(3)在变压器处和母线处各放置一组避雷器时，所得到的仿真结果如图6所示。

　　各个设备过电压的最大值及出现的时间，如表6所示。

　　根据公式，计算出在这种保护方案下的各个设备的保护裕度，如表7所示。

　　从表7中，我们可以看出：

　　当BIL=1425 kV时，在变压器处和母线处各放置一组避雷器时，站内设备的保护裕度范围在18%到26%之间，过电压由于入口电容的急速增加而很快下降，设备两端的过电压瞬间降低，保护裕度很好。

　　当BIL=1550 kV时，站内设备的保护裕度范围在25%到32%之间，设备两端的过电压更低，保护裕度很好。

　　通过对上述4中方案进行仿真，可知在没有避雷器及其他避雷装置时，雷电侵入波侵入变电站内[7]，产生的过电压值足以破坏落雷点附近的设备，一般都在1600 kV以上，这明显大于设设备雷电冲击耐受电压，所以在这种情况下变电站的运行是不安全的[8]。

　　为了变电站内的设备安全，在变电站不同设备处加入避雷器后雷电侵入引起设备过电压时，对方案进行讨论[9]。从计算出的保护裕度值看出这三种保护方案都满足保护需要;保护方案b与保护方案c相比较，我们看到保护方案c的保护裕度明显大于保护方案b的裕度，并且他们都是只用一组避雷器[10]，所以如果在保护方案b和保护方案c中选择，选择保护方案c更好。

　　保护方案c和保护方案d相比较，我们可以看出，保护方案d在BIL=1425的情况下保护裕度都大于18%，而保护方案c在BIL=1425的情况下保护裕度为9%到13%，在BIL=1550的情况下保护裕度为16%到20%;所以保护方案c的保护裕度值比保护方案d的大很多，但是保护方案d少用了一组避雷器。

　　通过比较分析，从安全经济两方面考虑，可以看出：

　　(1)如果采用保护方案(二)，从变电站的安全角度出发，则要使用比较贵的BIL=1550的电器设备，提高变电站的绝缘强度;

　　(2)如果采用保护方案(三)，从变电站的经济方面出发，可以降低站内设备的BIL值，从而减少费用;

　　综上对500 kV变压器防雷进行保护方案的设计，并进一步进行仿真和过电压值的统计，通过计算出设备保护裕度来比较、选择保护方案;对于每个变电站，如果存在多种可取的保护方案，应当综合设备的绝缘、避雷器的组数和保护裕度的情况，选取最适合该变电站的保护方案。

　　3 结 论

　　通过对雷电侵入波模型搭建，得出在不同位置添加避雷器时的4种方案，并对每个方案进行分析，得出在不同情况下选取适合变电站的保护方案，为后续变电站内重要设备的保护提供参考。

　　参考文献

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　　[8] 韩雨川，邹国平，何文林，等. 220 kV变电站中压侧雷电波侵入引起中性点过电压的仿真分析[J]. 能源工程，2017(4)：7—11.

　　[9] 傅文韬. 500 kV HGIS变电站防雷保护配置研究[J]. 四川电力技术，2016，39(2)：29—33.

　　[10] 李雪，王楠，孙成，等. 一起雷击引起的35 kV变压器故障分析[J]. 黑龙江电力，2016，38(1)：61—64.