750 kV变电站雷击过电压仿真研究.pdf

第 35 卷第 3 期湖南文理学院学报(自然科学版)Vol.35 No.32023 年 9 月Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology)Sep.2023doi:10.3969/j.issn.16726146.2023.03.011750 kV 变电站雷击过电压仿真研究蒋龙云1,杨丽娟2,粟烨岭1(1.安徽三联学院 电子电气工程学院,安徽 合肥,230601;2.宁夏回族自治区电力设计院,宁夏 银川,750001)摘要:变电站相比于输电线路设备更集中,当变电站遭受雷击或雷击过电压沿线路侵入变电站时会在站内设备上产生很高的雷电过电压,高于设备的耐受允许范围内,影响主电网系统的平稳、安全运行。基于此利用ATPEMTP仿真软件对宁夏某750 kV变电站雷击过电压情况及绝缘裕度进行仿真和计算,仿真结果表明,通过合理配置避雷器可以有效抑制雷击过电压,提高绝缘裕度。关键词:变电站;建模;雷击过电压;绝缘裕度中图分类号:TM 866文献标志码:A文章编号:16726146(2023)03005905Simulation study of lightning overvoltage in 750 kV substationJiang Longyun1,Yang Lijuan2,Su Yeling1(1.School of Electronic and Electrical Engineering,Anhui Sanlian University,Hefei 230601,China;2.NingxiaElectric Power Design Institute,Yinchuan 750001,China)Abstract:Compared with the transmission line,the substation equipment is concentrated.The hit of lightning orintrusion of lightning overvoltage along the line will produce a high lightning overvoltage on the equipment in thestation,which is higher than the tolerance range of the equipment,affecting the stable and safe operation of the maingrid system.In this paper,ATPEMTP simulation software is used to simulate and calculate the lightningovervoltage and insulation margin of a 750 kV substation in Ningxia.The simulation results show that the lightningovervoltage can be effectively suppressed and the insulation margin can be improved by rationally configuring thearrester.Key words:substation;modeling;lightning overvoltage;insulation margin随着经济和社会的快速发展,电力消费需求日益增长,对电力供应质量的要求也越来越高1。针对这一需求,我国提出了建设超高压输电线路和建设“强大智能电网”的战略计划。作为建设超高压输电线路的枢纽和关键,750 kV 超高压变电站已成为电网发展的焦点。然而,在威胁电源可靠性和稳定性的关键因素的影响下,过电压保护和绝缘协调仍然存在问题。一旦雷击发生,可能会对整个电网造成无法修复的损坏,甚至导致严重停电。为了尽量减少雷电事故对电网安全稳定运行造成的负面影响,有必要研究变电站过电压与绝缘配合,为变电站建设提供理论支撑。1系统简介本文所仿真模拟的是宁夏某 750 kV 变电站,变电站主变规模为 32 100 MVA,本期建设 2 2 100通信作者:蒋龙云,。收稿日期:20230221基金项目:安徽省高校科研编制计划项目(2022AH052002);安徽省高校优秀青年人才支持计划项目(gxyq2022139);安徽三联学院科学研究项目(KJYB2023003)。60湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年MVA,主变采用单相自耦无励磁调压变压器,主变三侧电压分别为765/3（）、(345/3 2 2.5%)、63kV。系统接线图如图 1 所示。2计算模型与参数2.1雷电模型幅值、波头和波尾时间是雷电流的主要波形参数。国内外研究中收集了不同类型的测量数据,虽然基本原则大致相同,但具体数值不同,存在一定的差异性2。这主要是由于:第一,雷击的随机性受到许多自然条件的影响,如不同地点的气象、地形和地质;第二,测量工具和测量技术水平是不一样的,图 2 显示了典型的雷电波形,整个波形呈现双指数规律,表达式为 i=AIm(et et)。其中:和是固定不变的数,其数值可以从3 个特征中推断出来,即沿先导通道的电荷密度,回击速度,以及回击过程中先导电荷的复合率34。对于常用的雷电流波形,一般有ba?。由于双指数模型与实际雷电流波形较为接近,本次仿真采用双指数模拟法。国标中对于雷电流幅值超过的概率PI一般由公式lgPI=I/88计算可得。从严格考虑,本研究以 260 kA 作为反击侵入波过电压计算用的雷电流,计算可得其 PI值为 0.11%。雷电流幅值、波头时间均按规程规定处理,波型为 2.6/50 s、负极性56,仿真模型如图 3 所示。2.2杆塔模型在进行防雷计算时,雷电冲击波在塔顶产生的电位与塔顶引入的浪涌电流之间的比值,称为击响应波阻抗,其取值的大小会改变计算所得到的顶电位的值。为了简化计算,在工程上一般将杆塔看成一个电感,或者以分布参数为模型的长导线7,本文采用第二种等效,杆塔具体等效模型如图 4 所示。其中,杆塔的波阻抗为 115,杆塔的波传播速度为 2.1 108 m/s(0.7 倍光速),Zcr为杆塔的水平方向上导体的波阻抗,取值为 200,ZH为杆塔主干(垂直方向上的导体)的波阻抗为 150,RGND为接地电阻。2.3输电线路模型考虑到雷电流冲击的高频特性,时间极短,在本文中将 JMARTI 模型用于变电站外部的进线端架空线路,由于此类等效模型把地线和各传输导线之间的耦合系数已经计算出来了8,因此在进行防雷计算时就不需要考虑已经发生闪络现象的导线以及被雷击中的避雷线这二者与未发生闪络的导线之间的耦合电压,这样既简化了计算过程,又提高了计算的准确性。变电站的内部线路选取的是 Clarke 模型线路9,仿真模型如图 5 所示。2.4避雷器模型本变电站使用的是金属氧化物避雷器(MOA),它可以看图 2典型雷电流波形图it0AImetAIm(etet)AImet图 4杆塔模型图 1750 kV 变电站系统接线图图 3雷电流仿真模型反击雷图 5输电线路仿真模型2345第3期蒋龙云,等:750 kV变电站雷击过电压仿真研究61成是一个非线性程度非常高的电阻器10,其伏安特性如图 6 所示。雷电流的波形是非常陡峭的,避雷器的阀片可以等校成电阻和电容的并联结构,其中电阻的非线性程度很高,阻值也非常大。当避雷器上所承受的电压在正常值范围之内时,其斜率趋向于无穷大;但当它承受一个数值比较大的电压时过电压保护区域的阀片的斜率趋向于 0,整体呈现成一个指数函数。避雷器上等效电阻流过的电流与其施加的电压之间的关系式为 i=p(u/uref)q,其中 p 和 q 为固定不变的数,一般来说q的取值范围是2030,uref是电压的参考值,通常认为是电压额定值的 2 倍。通常情况下,用一个指数函数来描述整个范围的特性是很困难的,所以 ATP 电压范围被分解为若干段,每一部分都有其自身的指数函数表示它,本文采用内置非线性电阻原件,只需要填入相应的闪络电压以及相关的伏安特性参数就可以了。需要特别指出的是,对于 750 kV 等级的变电站而言,其接地网与距离相对较远的避雷器的接地电位会存在一定的差异,在进行仿真计算的时候可以在避雷器后面连接一个组织比较小的电阻接地,对计算的结果没有太大影响。避雷器仿真模型如图 7 所示,其参数设置如表 1 所示。2.5绝缘子串的闪络模型750 kV 绝缘子型号为 XWP2160,228 片,由于 750 kV 线路杆塔绝缘子串较长,计算时考虑跳线对杆塔塔身放电的情况。根据我国 750 kV 示范工程的输电线路中绝缘子串的实际长度,考虑在较严重的情况下,取绝缘子串空气间隙为 L=4.1 m 进行计算。由于缺乏相应空间间隙的伏秒特性曲线,仿真中参考Darveniza 等人提出的用绝缘子串长度的函数来描述绝缘子串的伏秒特性公式:Ust=400L+710L/t0.75,式中:L是绝缘子串的长度,单位是 m;t 是从雷击开始到发生闪络所持续的时间,单位为s。绝缘子串闪络仿真模型如图 8 所示。2.6主要设备等值入口电容由于入侵变电站的雷电波等值频率非常高,传播速度非常快,且维持的时间较短,很快就出现了过电压的最大值,因此隔离开关、互感器以及断路器等变电站的主要设备一般都等效成冲击入口电容,它们彼此之间是通过线路分布参数进行隔离。在雷电侵入波作用下,换流站各设备的等值入口电容如表 2 所示。3仿真计算3.1雷击过电压计算因变电站到杞乡开关站双回 750 kV 线路长度较短,不存在工0.04.08.012.016.020.0I kA0.50.81.01.31.6U MV图 6避雷器伏安特性曲线04.08.012.016.020.01.61.31.00.80.5电流/kA电压/MV图 8绝缘子串闪络仿真模型表 2主要电气设备的入口电容主要电气设备入口电容/pFGIS 隔离开关240GIS 断路器276电容式电压互感器5 000GIS 套管450图 7三相避雷器仿真模型表 1 避雷器仿真参数雷电流/A避雷器残压/kV1.0103810.01.0878.23.01021 133.21.01031 190.91.01051 310.02.01051 380.062湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年频过电压问题,线路充电功率考虑在 750 kV 变电站主变低压侧补偿,不需装设线路高抗。所以本工程避雷器配置方案考虑如下:线路装设避雷器,变压器装设避雷器,母线装设避雷器(母 I、母 II)。其中变压器是变电站最重要的设备,因此入口处避雷器应选用残压较低的避雷器。母线上连接设备众多,对降低站内过电压水平效果明显,所以也应选用残压较低的避雷器。线路处配置的一组避雷器,为减少投资,选用残压较高的避雷器。通过以上分析,避雷器配置配置方案有 2 种:方案一:进线入口处装设线路型(Y20W648/1491)避雷器,主变、母线上装设电站型(Y20W600/1380)避雷器。方案二:进线入口处装设电站型(Y20W600/1380)避雷器,主变、母线上装设电站型(Y20W600/1380)避雷器。考虑到近区雷击发生在线路距变电站 2 公里内时,变电站侵入波过电压最为严重,因此本次计算统一选取 2#杆塔塔顶作为雷击点进行近区雷电侵入波过电压的计算与分析。由于分流的作用,在相同的防雷保护方案下,线路回数越多,防雷效果越好;相反线路回数越少,则侵入波过电压情况越严重。因此从严格的角度出发选取单线单母单变方式对绝缘水平进行仿真,雷击变电站 II 线 2#杆塔主变处雷击过电压波形如图 9 所示,各点过电压计算结果如表 3 所示。由表 3 可知:(1)在单线单母单变的工况下,方案一的过电压要高于方案二,这是由于方案二将线路侧避雷器型号换为与站内侧(母线与变压器处)避雷器型号相同;(2)对比方案一与方案二数据可知,更换线路侧避雷器型号后,对变压器侧过电压影响不大,但线路侧的电压互感器及套管过电压水平有所上升,上升幅度都为 2.08%,绝缘裕度分别为 31.65%和 32.81%;(3)因避雷器残压值越低,对设备的保护效果越好,所以将线路侧Y20W648/1491型避雷器更换为Y20W600/1380型,与站内避雷器同型号。由表 3 中方案二的计算结果可知,更换避雷器型号后,过电压水平整体降低,只是降低的幅度不是很大。通过以上分析,线路侧和站内避雷器使用不同型号,线路处的绝缘裕度依然保持在31%以上,可以满足工程需要,因此线路侧避雷器型号采用 Y20W648/1491 具有一定可行性。3.2绝缘配合裕度计算针对变压器的 2 种配置方案对变电站绝缘裕度进行计算,由于同一配置不同工况下设备的绝缘裕度不一样,表 4 所列值为受雷击最为严重的单线单母单变工况下的最低绝缘裕度。由表 4 可知,方案一所有设备的绝缘裕度保持在 6.23%34.11%范围内,既满足了设备长期运行的绝缘要求,又不使裕度过大造成投资上的浪费,因此经济性和可靠性都得到了保障。方案二绝缘裕度与方案一类似,只是线路 CVT 的绝缘裕度由 33.07%降低到 31.65%,不过仍在可以接受的范围内。4结论为了保证750 kV GIS 变电站内各设备的安全,利用ATPEMTP仿真软件对其进行雷击过电压进行表 3雷电侵入波过电压的计算结果电气设备方案一方案二过电压/kV过电压/kV主变入口1 828.61 826.9主变CVT1 674.61 675.6主变套管1 434.41 433.5线路CVT1 435.41 405.6线路套管1 410.91 381.6母线CVT1 383.81 378.6表 4近区雷击各主要设备绝缘裕度配合电气设备方案一方案二绝缘裕度/%绝缘裕度/%主变入口6.236.31主变 CVT20.2620.21主变套管31.7031.74线路 CVT31.6533.07线路套管32.8134.21母线 CVT34.1134.35图 9雷击 II 线 2#杆塔主变处过电压00.020.040.060.080.101.00.500.51.01.52.0时间/ms电压/MVA 相雷击过电压B 相雷击过电压C 相雷击过电压第3期蒋龙云,等:750 kV变电站雷击过电压仿真研究63仿真计算,结果表明,750 kV变电站750 kV侧遭受260 kA雷电流的作用时各设备上的过电压水平不高,除了变压器绝缘裕度仅为6.23%,其它设备绝缘裕度均达20.21%以上,且避雷器放电电流不大,满足雷电冲击耐受要求,研究结果为超、特高压 GIS 结构及参数的设计提供了理论支撑。参考文献:1陈思敏.紧凑型 GIS 变电站雷电过电压及防护研究D.西安:西安理工大学,2021.2胡京,张敦晶,周龙武等.考虑雷击过电压分布特性的特高压直流线路避雷器装设策略研究J.电瓷避雷器,2022,308(4):177184.3黄中华,方炯,杨先进,张阳阳.220 kV GIS 变电站雷击过电压分布特征仿真研究J.电工技术,2020(7):126128.4张普.特高压 GIS 中快速暂态过电压的仿真与分析D.镇江:江苏大学,2021.5蔡双,蔡明山,曹文辉.1000kV 特高压系统雷击保护的建模与仿真分析J.湖南文理学院学报(自然科学版),2012,24(3):5053.6席楚妍,郝捷,程雪婷.智能变电站防雷电侵入波的仿真研究J.山西电力,2018(3):1014.7范懿,常湧,蓝天.500KV 同线路 AIS 及 GIS 变电站雷电过电压对比仿真研究J.科技创业月刊,2014,27(7):191193.8谭永杰.雷击过电压影响下发电厂变电站避雷器配置优化研究J.机械管理开发,2021,36(3):100101,119.9王婷,王娜.500kV 变电站雷电过电压仿真与分析J.东北电力技术,2020,41(7):3437.10 高雅琦.变电站雷电过电压仿真研究J.内蒙古科技与经济,2018(9):90,117.(责任编校:张艳燕)3CAI W,HU S J,YUAN J X.Deformable sheet metal fixturing:Principles,algorithms,and simulations J.Journal ofManufacturing Science and Engineering Transactions of theASME,1996,118(3):318324.4秦国华,吴竹溪,张卫红.薄壁件的装夹变形机理分析与控制技术J.机械工程学报,2007,43(4):211216,223.5SABAREESWARAN M,PADMANABAN K P,SUNDARARAMAN KA.Comparison of evolutionary techniques for theoptimization of machining fixture layout under dynamic conditions J.Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2018,232(12):2 1452 158.6MILAD K,MARYAM G S,ABDOLREZA O.Multiobjective optimization of autobody fixture layout based on an antcolony algorithm J.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C:Journal of Mechanical EngineeringScience,2020,234(6):1 1371 145.7SERTAC P,JOSHUA D S.A Review of Computeraided Fixture Design with Respect to Information SupportRequirements J.International Journal of Production Research,2008,46(4):929947.8张国政,杨海卉,刘顺.基于工序集中要求的加工中心夹具设计研究J.重庆科技学院学报(自然科学版),2012,14(3):128132.9张国政,韩江.多工序加工系统的数控夹具设计应用研究J.机械设计,2012,29(11):9498.10 杨磊,张国政.基于多件装夹方法的数控夹具设计研究J.芜湖职业技术学院学报,2021,23(3):2427.11 蒋连琼,吴棚业.齿轮传动的三维建模及有限元静力学分析J.湖南文理学院学报(自然科学版),2018,30(1):4649,84.(责任编校:张艳燕)(上接第 47 页)