atp报告-500kV变电站中雷电暂态过程的仿真计算

电力系统过电压计算

实验报告

——500kV变电站中雷电暂态过程的仿真计算

1研究背景与意义

在雷电活动频繁的地区，由于雷击造成变电站内电气设备损坏的情况时常发生。变电站内设备因雷击造成的绝缘损坏大多由输电线侵入的雷电过电压波引起。为保证电网的安全稳定运行，减少变电站电气设备雷击损坏，应对变电站的雷电侵入波特性进行研究分析，以确保在各种运行方式下各电气设备因雷电引起的过电压值低于其额定雷电冲击耐受水平（BIL）。研究沿线路传来的雷电波侵入变电站的波过程时，由于输电线的分布参数复杂，且变电站内设备和回路分支众多，雷电侵入波在变电站内将发生复杂的折反射。

变电站的雷害可能来自两个方面：一是雷直击于变电站；二是雷击输电线路产生的雷电过电压波沿线路侵入变电站。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，防雷效果很可靠。另一方面，线路落雷比较频繁，虽然线路入侵变电站的雷电波电压受到线路绝缘的限制，但变电站电气设备的绝缘水平较线路低。同时，变电站虽设有进线段保护，然其与非进线段并无本质差异，同样可能遭受雷击而形成侵入波。由于变电站内有许多联络短线（如变压器到母线和避雷器的连线等），它们和输电线路一样，在持续时间极短的雷电波作用下，表现为各个联络线段间行波的传播和快速折、反射过程，并且通常在此过程中产生瞬时幅值极高的过电压，容易对设备造成危害。因此若防护措施不可靠，势必造成变电站电气设备的损坏事故。由此可见，沿线路侵入变电站的雷电过电压波是对变电站电气设备构成威胁的主要原因。因此，对雷电侵入波在变电站电气设备上所产生的过电压进行仿真计算，找出过电压的分布变化规律，能够为限制雷电过电压（以保护变电站电气设备的绝缘）提供有价值的参考依据，从而合理配置避雷器保护，以进一步优化变电站的工程设计。

为此，对某500kV变电站进行仿真计算，分析雷电侵入变电站时，在不同雷击点与变电站的距离、不同的运行方式、不同的杆塔冲击接地电阻、不同的等效入口电容、避雷器的配置以及其他因素下，雷电过电压对设备的影响。图1-1为500kV变电站电气主接线图。

图1 500kV 变电站单线图

2 系统建模及参数设置

2.1雷电流模型

雷电的物理过程虽然复杂，但是从地面感受的实际效果和防雷保护的工程实用角度，可以把它简化为一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地面传播的电磁波过程，据此建立计算模型如图2.7。

在雷电放电过程中，人们能够测知的电气参数主要是雷击地面时流过被击物体的电流i ，然后再根据计算模型反推出雷电波的参数以供工程应用。由图 2.7（a ）电流源等值电路，有公式如下：

其中：

Z ——为被击中物体的阻抗，Ω Z 0——为雷电通道波阻抗，Ω I 0——为雷电流波幅值，

A

02Z i i Z Z =+

显然i 与Z 有关。当Z =Z 0时，恰好i =i 0；当Z =0时，i =2i 0，而Z 不可能为零；但若Z Z 0，仍可测得i ≈2i 0。在雷电流的实际测量中一般都能满足条件Z>Z 0）物体时，流过该物体的电流定义为雷电流。定义中的雷电流i 恰好等于沿雷电通道传播而来的雷电流波的两倍。因而在防雷保护计算的彼得逊等值电路中，如图2.7（a ）所示，等值雷电流源通常就用雷电流来表示。

根据国内外的实测统计，75%~90%的雷电流是负极性的。因此电力系统的防雷保护和绝缘配合通常都取负极性的雷电冲击波进行研究分析。

电力系统的防雷计算、保护设计都要求将雷电流波形等值为典型化的可以解析表达的波形。常用等值波形有三种：标准冲击波、等值斜角波和等值余弦波。本文的仿真中，雷电流波形选用2.6/50μs 的等值斜角波。前苏联科学家通过观测和计算得出雷电通道波阻抗Z 0在300~3000Ω之间，如图2.7（b ）所示。I <10kA 时，Z 0约为几k Ω；I 在10~30kA 时，Z 0约为2100~700Ω；I 在30~100kA 时，Z 0约为700~300Ω。当I >100kA 时，Z 0稳定于300Ω附近，在反击计算中雷电流幅值很高，Z 0较小可以取为300Ω。

（a ）雷电流源等值电路（b ）Z 0和I 关系曲线图 图2.7雷电流源等值电路和雷电通道波阻抗

现有的雷电流幅值概率分布是由一般高度的杆塔上测量数据（基本上是下行雷）得出的，不包括上行雷。上行雷是由高建筑物引发的特殊放电形式。防雷电反击计算应该把上行雷和下行雷分开计算，否则会带来较大的误差。超过100m 的高杆塔，随着杆塔高度的增加，落雷次数增加，上行雷发生的概率也越来越大。3条线路杆塔高度不超过70m 。根据上行雷发生概率和建筑物高度的关系图（图2.8），上行雷的概率不到10％。因此在本研究中，计算反击闪络率时只考虑下

≈

行雷的落雷次数，而把上行雷部分除外。

图2.8上行雷发生概率和建筑物高度关系图

对于本次计算的500kV系统线路，其反击耐雷水平均大于100kA，所以从图2.7(b)中看出，当I>100kA时，Z0稳定于300Ω附近，在反击计算中雷电流幅值很高，Z0较小可以取为300Ω，而雷电流波形选用2.6/50μs的等值斜角波。

图2.9雷电流源的仿真模型与数据

仿真计算使用的雷电流在2.6us处到达峰值，波尾时间为50us，在雷电流源侧设置检测模块观察雷电流波形，以峰值为50kA的雷电流为例，雷电流波形如图2.10所示。

图2.10雷电流波形图（50kA为例）

2.2 杆塔模型

近年来，国外一些专家尝试通过试验的方法来建立新的杆塔模型，并且建立了多种多波阻抗模型。多波阻抗模型是基于垂直导体不同高度处的波阻抗是不同的原理，使用于尺寸较大的杆塔。

如图2.4所示，在t =t 1时，行进波到达半径x 1=vct 1覆盖的区域内，此时该波不能到达其他区域，因此距起点为x 1的这段垂直导体的波阻抗Z (x 1)是可以通过x 1区域内的几何和物理参数得出的，由于几何参数x 1不同于t =t 2时的x 2，所以Z (x 1)不同于Z (x 2)。因此，距起点不同的地方，垂直导体的波阻抗是不同的，所以就可以将垂直导体分割成几段，每一段都可以计算出一个波阻抗。

图2.4垂直导体上的波行进

由波阻抗的特性可知，垂直圆柱体的波阻抗值仅依赖于该圆柱体的半径和对地高度，由此我们可以用下面的经验公式来描述单根垂直导体的波阻抗。

式中：

r ——是垂直圆柱体的半径/m ； h ——是垂直圆柱体的高度/m 。

以上式为基础，我们继续研究多导体系统的波阻抗。现有一个多导体系统，包含数根平行的圆柱体，则这n 根平行圆柱体组成的系统平均波阻抗为：

式中：

???

?

??-=222ln 60r h Z T ()n T T T n T Z Z Z n

Z 1,12,11,,1

+++=

n ——为圆柱体的数目；

Z T,kk ——为第k 根圆柱体的自波阻抗/Ω； Z T,kl ——为第k 根和第l 根之间的互波阻抗/Ω。

假定上式对于该系统是有效的，那么Z T,kk 和Z T,kl 可表示为：

式中：

R kl ——是第k 根和第l 根间的距离/m 。

由于杆塔最多是4导体系统，所以给出了2、3、4多导体系统的波阻抗计算公式。

式错误！未找到引用源。中的r e 为多导体系统的等效半径，可以由下式算出：

式中：

R ——是临近导体间的距离，如图2.5(a)所示/m 。

对于非平衡多导体系统，如图2.5(b)等效半径公式是基于测量结果的经验公式：

，

,60ln 2T kk kk

Z r ??

=- ? ??

?,60ln 2T kl kl

Z ??

=- ? ???

???

?

??-=222ln 60,e n

T r h Z ??

???=4/34/18/13

/23/12

/12/12R r R r R r r e ()()()432===n n n 1/32/3T B r r r =3

/23/1B T R R R =

(a)平行导体组成的多导体系统 (b)包含不平行导体的多导体系统

图2.5多导体系统

Hara T 等学者认为，杆塔可以等效为图2.6所示的等值分布多波阻模型。杆塔的主体可以分为四段，每段杆塔可以用波阻抗分别为Z T1-Z T4，波速都为光速的分布参数表示。

图2.6杆塔的多波阻抗模型

主支架部分每部分的波阻抗Z Tk 计算公式为：

（k=1~4） 式中r ek 为多导体系统的等效半径，可以由式算出：

60ln 2k Tk ek Z r ??

=- ? ???

如上式所示，由于本文采用的杆塔塔基半径比通常的要大，所以在计算r e1~r e3

时用来替代，而在计算r e4时才采用。

实验表明，测得在有无支架的情况下的波阻抗，从测量结果中可看出：导体系统的波阻抗在增加了支架之后减小了10%左右，从而每段杆塔对应支架部分的波阻抗Z Lk 计算公式为：

（k=1~4）

同时，电磁波通过含有支架的多导体系统时需要更长时间，在仿真中，模型支架部分的长度可取为对应主体部分的1.5倍。

相关文献表明，可以用分布参数来模拟杆塔臂。取其波阻抗为Z Ak ，波速为光速，长度可以取它自身的长度。波阻抗Z Ak 可以由下式得到：

（k=1~4） 式中r Ak 为第k 部分横担的等值半径，可取为杆塔臂与主杆塔连接处长度的1/4。

多波阻抗计算模型结果如下：

()()()()1/43/4

1/81/32/31/32/31/43/41/81/32/31/32/32(13)2(4)

Tk B Tk B ek Tk B Tk B r r R R k r r r R R k ?'=~?

=?

?=?

'

B R B R B R 9Lk Tk Z Z =260ln

k

Ak Ak

H Z r

=

2.3 线路模型

对变电站内的线路采用连续换位的Clarke模型。具体参数如下：

对变电站外输电线采用8线的JMartiLCC模型(相导线加架空地线)，即6条相导线和2条地线（含一条避雷线）的模型。因这种架空线的模型直接计算了地线与导线之间的耦合关系，所以在计算过程中就不必再考虑被击避雷线与已闪络导线对未闪络导线的耦合电压，这样简化了计算，提高了计算精度。

2.4 绝缘子串模型

在EMTP-ATP仿真计算软件中，将绝缘子串等效为压控开关，绝缘子串的冲击闪络电压U50%则为开关的导通电压，计算中考虑到感应电压U i’的影响，故压控开关导通电压设置为（U50%-U i’），其中感应电压U i’的计算公式参见GB/T 50064“交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范”。

2.5 冲击接地电阻

杆塔冲击接地电阻的范围一般在7-5Ω，仿真建模时冲击接地电阻选择为10Ω。

2.6 避雷器的模型

由于氧化锌电阻片具有非常优异的非线性伏安特性，可以实现避雷器的无间隙无续流，且造价低廉，因此氧化锌避雷器（MOA）已经得到越来越广泛的应用。

本次仿真变电站内避雷器用金属氧化物避雷器，其参数设置如表：

表某1000KV避雷器伏安特性

2.7 互感器模型

在雷电陡波作用下，电磁电压互感器用入口等值电容模型，此500kV站内电压互感器等效入口电容为3000pF。

2.8 变压器模型

在雷电陡波作用下，变压器用入口等值电容模型，此500kV站内变压器等效入口电容为5000pF。

2.9 断路器模型

对于断路器，在分闸状态下，有断口电容和两端触头的对地电容，合闸状态下，只有两端触头的对地电容，其等效模型如图2-4 所示，图b 中开关的开闭分别代表断路器的开关状态。取C1 =140pF，C2=830pF。

a 电容等效模型

b 断路器不同状态等效模型

图2-4 断路器雷电冲击下等效模型

3.ATP-EMTP建模

根据上述分析,在ATP中搭建的仿真模型如图所示：

A 整体电路图

B 杆塔模型电路图

C 500KV变电站电路图

4.计算结果与分析

4.1 反击过电压

4.1.1 雷击点的影响

在正常运行方式（1、2馈线两回进线，3馈线接电源）下进行雷电流的仿真

实验，即上面四个断路器闭合，其他打开，単母线的运行，寻找合适的雷击位置，对各种雷击位置下的各设备电压进行测量，包括断路器（CB1、CB2、CB3、CB4）、主变（TR400）、馈线（LINE1、LINE2、LINE3、LINE4、LINE5）、电压互感器（PT1、PT2、PT3）、母线1末端（BUS1、BUS2），受雷击输电线路杆塔顶端（TWR）上的过电压，实验计算结果，各设备的电压如表3所示（本算例中并未体现0塔）：

表1不同受雷位置下，各设备的最高电压，及避雷器中的最大电流大小

由结果看出，雷击#1塔塔顶会在变电站形成最严重的侵入波过电压，这种想法在某些情况下可能是正确的，但在我国，大多数情况下不合适。大量研究表明，#1塔和变电站的终端门型构架（也称#0 塔）（本算例中并未体现）距离一般较近，再加上门型构架的冲击接地电阻比较小，雷击#1塔塔顶时，经地线由#0塔返回的负反射波很快返回#1塔，降低了#1塔电位，使侵入波过电压减小。而#2塔、#3塔离#0塔较远，受负反射波的影响较小，过电压较高。所以选择计算雷击#1塔侵入波过电压不合适。另外，进线段各杆塔的塔型、高度、绝缘子串的伏秒特性、杆塔接地电阻不同，也影响着雷击进线段各杆塔时的侵入波过电压。

在雷击#6塔时出现了电压反升的现象，且雷击点越远，最高过电压出现的时刻越大（从5us一直到50us不等），推断是电压折反射叠加的结果，根据经验一般选择近区雷，由于雷击#2塔或#3塔时的过电压较高。

本算例中后续仿真中选择#2塔作为雷击点。

4.1.2 避雷器对过电压大小的影响

配置一：将加在变压器出口处避雷器隐藏，仅配置进线处避雷器。

表2配有3个进线避雷器，各设备的最高电压，及避雷器的最大电流大小

最高过电压大小(MV)

配置二：将加在进线处避雷器隐藏，仅配置变压器出口处避雷器。

表3配有1个变压器避雷器，各设备的最高电压，及避雷器的最大电流大小

最高过电压大小(MV)

配置三：将加在其余进线处与变压器的避雷器隐藏，仅配置进线1出口处避雷器。

表4配有1个进线避雷器，各设备的最高电压，及避雷器的最大电流大小

最高过电压大小(MV)

配置四：不配置避雷器

表5不配有避雷器，各设备的最高电压，及避雷器的最大电流大小

最高过电压大小(MV)

二四对比可以看出，变压器出口处避雷器对变压器过电压作用明显；

三四对比，一四可以看出，进线出口处避雷器对全网均有影响；

综上可以看出，加入避雷器可以有效降低过电压，且接在线路入口处可以同

时降低变电站各处电压，一进线出口处避雷器起最大作用。

一三对比，可以看出避雷器对雷电流的幅值有一定的衰减，但是衰减程度较小，只有过电压幅值较高时才有明显的衰减，这是因为MOA的伏安特性决定的，在电压较低时，避雷器几乎不流过电流，因此起不到抑制设备过电压的作用。同时由于采用的是间隙式的避雷器，阈值电压的设定也很重要，在不同时刻开始泄放电流对过电压的值也有影响，算例中阈值为1100KV，阈值越低，放电时刻越早，对过电压的抑制越有利，但阈值有一定要求标准，否则正常运行或其他工况时也会放电，本算例中不细究。

4.1.3不同电源初始值对过电压大小的影响

仅电源的初始相角，在不带避雷器方式下进行雷电流的仿真实验，实验计算结果，各设备的电压如表8所示：

表8不同入口电容下，雷电流波形的变化

在0°时，#2塔，一回线A相绝缘子击穿；

在90°时，#2塔，一回线A相，二回线C相绝缘子击穿；

在180°时，#2塔，二回线C相绝缘子击穿；

由于不同的初始相位下，各绝缘子串到达闪络的时刻不同，将影响各设备的过电压值，上表数据0°时，最大过电压均来自于一回A相，而180°时，均来

自二回C相，故绝缘子串的闪络将很大程度上影响设备过电压，变压器的绝缘水平通常低于互感器，并且由于本算例的初衷是为了检验变压器出口处过电压，故选用0°出相位。

4.1.4 接地电阻对过电压大小的影响

在母线及线路上都不加装避雷器（效果较明显），在正常运行方式下进行雷电流的仿真实验，实验计算结果，各设备的电压如表9所示：

表9不同接地电阻情况下，各设备的最高电压大小

从表中可以看出接地电阻的大小对雷电压的大小有较大影响，且靠近雷击点的杆塔起主要作用，接地电阻越大，系统中各处的雷电压均越大。

其次土壤电阻率对雷电流大小也有影响，在接地电阻全部取10情况下，改变土壤电阻率300Ω*m ，500Ω*m，1000Ω*m，如表17所示。

表10不同接地电阻情况下，各设备的最高电压大小

可以看出土壤电阻率小将使塔顶电压减小，但会提升变电站内的电压。查阅资料了解到，高土壤电阻率的地方易于形成连续的放电。而土壤电阻率低的地方，

如粘土、泥炭和耕地等，落雷时雷电流比较大，因而感应过电压也比较高，易于造成事故。

4.1.5不同运行方式下对设备过电压大小的影响

方式一：单母线，1、2进线，3接电源

方式二：单母线，1进线，2停运，3接电源

方式三：单母线，1停运，2进线，3接电源

方式四：双母线，1、2进线，3进线，2连接1母线断路器检修

表11. 不同运行方式下，各设备的最高电压，及避雷器中的最大电流大小