基于PSCAD的通用变电站进线杆塔雷击过电压计算模型浅析

　　摘要：雷击过电压是电力系统中较为严重的故障原因，基于PSCAD/EMTDC建立变电站进线杆塔的雷击模型，对变电站的雷击过电压进行计算，计算结果证明通过EMTDC仿真能够得到过电压波形，对于进一步研究雷击的保护方案具有一定理论和应用价值。
　　
　　关键词：雷击；EMTDC仿真；过电压；
　　
　　
　　随着电网的迅速发展，电网不断延伸扩大，雷害事故对于电力系统的影响受到越来越多的重视，相对于输电线路，变电站的雷害事故往往会导致大面积停电，影响较为严重，本文从电力系统变电站进线杆塔的雷击过电压计算入手，探讨雷击过电压计算模型。
　　
　　1、雷击过电压原理
　　雷电放电的物理过程虽然是很复杂的，但是从地面感受到的实际效果和防雷保护的工程角度，可以把它看成是一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地而传播的电磁波过程，据此建立计算模型。在雷电放电过程中，能够测得的雷击地面时流过被击物体的电流，可以使用计算模型反推出雷电波的参数。根据雷电流源等值电路，雷电流计算公式：
　　
　　国际上都习惯把雷击低于接地阻抗（Z≈0或Z≪Z0）物体时，流过该物体的电流定义为雷电流。应当注意的是：定义中的雷电流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德逊等值电路中，等值雷电流源通常就直接用雷电流来表示。雷电过电压主要可以分成三种：
　　1.1反击过电压
　　雷闪直接击中杆塔，或击中杆塔附一近避雷线时，雷电流通过雷击杆塔和杆塔的接地电阻使塔顶电位大大升高，当塔顶与导线之间的电位差超过线路绝缘子串的冲击放电电压时，就会引起线路绝缘子串闪络。这种情况通常称为反击。
　　1.2感应过电压
　　雷闪击中线路附近大地或杆塔时，由于电磁感应在导线上产生的过电压。一般感应过电压只对35kV及以下的线路有威胁。
　　1.3直击导线过电压
　　雷闪直接击中无避雷线的导线或绕过避雷线(屏蔽失败)而击中导线，也称为绕击雷过电压，直接在导线上引起很高的过电压，造成线路绝缘子串闪络。运行经验表明，反击雷过电压对系统危害最大。故本文仅以反击过电压作为雷击过电压。
　　
　　2、PSCAD/EMTDC仿真模型
　　雷电源模型
　　根据中国的雷电流幅值分布概率，按规程建议取波形为斜角平定波、负极性，作为主要研究波形。故仿真采用的雷电流的波形按照通常的情况下的2.6/50μs，取雷电流216kA，并取为负极性。按照前文使用双指数函数的电流模型对2.6/50雷电流的波形的拟合结果，雷电模型使用的表达式为：
　　
　　反击时雷电通道的波阻抗Z0取300Ω。仿真模型如图1所示。
　　
　　图1PSCAD/EMTDC雷电源模型
　　2.1杆塔模型
　　按照不同高度取不同的波阻抗的值的方法来建立杆塔模型，在雷电冲击波的作用下，杆塔可以近似等值为电感和电容的分布参数，根据杆塔尺寸如图2（A）所示，建立计算的电路模型如图2（B）所示。计算中Rch为杆塔的冲击接地电阻，取值10Ω，档距400m。
　　
　　（A）简化杆塔模型（B）仿真模型
　　图2PSCAD/EMTDC杆塔模型
　　建立杆塔模型后就是关于雷击点的选定。在仿真计算中将变电站和进线段结合起来，做为一个网络来进行仿真。我国规程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。而在美国、西欧和日本以及CIGRE（国际大电网会议）工作组，均以近区雷击作为变电站侵入波的重点考察对象。因此雷击点选为进线段的1号～6号杆塔，兼顾近区和远区的雷击，其中雷击6号杆塔为远区雷击，其余为近区雷击。
　　2.2输电线路
　　导线和避雷线均用单相无损导线模拟，模拟时需考虑两个参数：波阻抗和波速。假设线路上波速均为光速。利用单相无损线路的贝杰龙模型研究雷击过电压，与地平行的架空线无损导线的波阻抗由下式决定：
　　
　　式中为导体半径，为导体平均高度。电压等级较高的输电线路一般采用四分裂结构，导线计算后的波阻抗为380Ω，考虑到电晕的作用，波阻抗降低20％～30％，计算时导线波阻抗取为280Ω。
　　变电站电气设备模型
　　因为雷电侵入波等值频率较高，维持时间很短，通常在10μs左右即可算出最大过电压幅值。则变电站设备如变压器，隔离开关，断路器，互感器等，在雷电波作用下，均可等值成冲击入口电容，它们之间有分布参数线段相隔。与输电线波阻抗类似，变电站母线的波阻抗为300Ω，导线波阻抗取为280Ω，GIS内部接线为65Ω。
　　根据经验公式，计算变压器入口电容C：
　　
　　式中S为变压器容量，K为系数，对较高电压等级的变压器n取4，在计算变电站中估算变压器C=5000pF。其他设备等值电容见表1。
　　
　　
　　
　　表1设备等值电容
　　设备名称 电容值（pF）
　　变压器 5000
　　电容式电压互感器 3000
　　电流互的感器 1000
　　断路器 800
　　隔离开关 300
　　穿墙套管 150
　　2.3避雷模型：
　　PSCAD/EMTDC已有避雷器模型，需要对避雷器进行型号，伏安特性进行设置。运用PSCAD仿真计算时，只需在提示框内直接输入该型号避雷器在各个电流下的电压值和避雷器的参考电压，程序自动拟合生成其计算所需的伏安特性曲线。仿真模型搭建如图3所示。
　　
　　图3避雷器模型
　　3、仿真结果
　　采用上述模型对重庆北碚500kV变电站进行仿真计算，得到1~6号杆塔雷击过电压波形。图4为最为严重的2号杆塔雷击过电压，B1、B2分别为1号主变和2号主变的过电压波形，最大值分别为1041.40kV和1021.39kV。其他波形因篇幅原因略。
　　
　　图4模型过电压计算结果
　　4、结论
　　仿真波形与实际测量相比较，符合实际情况，证明仿真模型的正确性。如何利用仿真波形进行有效的防雷保护以及设备的绝缘配合需要进一步研究。
　　
　　参考文献
　　（1）施围、邱毓昌、张乔根.高电压工程基础[M].北京：机械工业出版社，2006.
　　（2）Dommel.H.W著，李永庄等译.电力系统电场暂态计算理论[M].北京：水利电力出版社，1991.
　　（3）金学军.贵州500kV鸭福输电线路雷电过电压研究[D].重庆大学，2003.
　　（4）张斌.贝杰龙算法在乐山500kV变电站雷击过电压分析中的应用研究[D].四川大学,2006
　　（5）李洪涛.500kV变电站雷电侵入波保护研究[D].重庆大学,2006
　　（6）李福寿.500千伏变电所的雷电侵入波保护计算[J].高电压技术,1983,(03)

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