不同工況下斷路器過電壓仿真及防護措施

馮瑞發(fā)，蔡漢生，廖民傳，馬御棠, 賈磊，屈路，劉剛，胡上茂

(1. 直流輸電技術(shù)國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院)，廣州 510663; 2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

0 引言

南方地區(qū)雷電活動頻繁，輸電線路雷擊跳閘率占線路跳閘總數(shù)的60%以上[1 - 2]。近年來南網(wǎng)范圍內(nèi)發(fā)生多起敞開式變電站內(nèi)斷路器設(shè)備因雷擊導(dǎo)致斷口爆炸的案例[3 - 4]，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。一般是雷云對地放電時，雷云中存在多個電荷中心，在首個電荷中心發(fā)生對地放電后，后續(xù)電荷中心繼續(xù)沿著前面的放電通道放電，一般放電次數(shù)為2—3次，最多監(jiān)測到的達42次，每次放電間隔時間一般在0.6～800 ms[5]。文獻[6]通過對南方電網(wǎng)范圍內(nèi)75條輸電線路沿線的12 763次落雷開展統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)近30%的落雷雷擊頻次主要集中在2～6次，幅值多為5～50 kA，連續(xù)落雷易導(dǎo)致斷路器故障。目前一般僅定性分析斷路器雷擊損壞的原因，部分?jǐn)嗦菲麟m然滅弧室干弧距離、爬距、觸頭開距等參數(shù)滿足要求，但絕緣裕度很難估計，斷路器在雷擊下的絕緣耐受能力也無法確定[7]，如何通過較準(zhǔn)確的仿真計算來分析斷路器雷擊損壞原因，并提出針對性防護措施對保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，提高供電可靠性具有重要意義。

本文通過仿真計算對比分析了某500 kV變電站斷路器在合閘和分閘兩種不同運行工況下的雷電過電壓特性，基于仿真結(jié)果分析了斷路器雷擊損壞的原因，仿真對比了兩種不同措施的防護效果，并提出了雷擊下斷路器有效防護措施。

1 工程概況

某500 kV變電站進線段同塔雙回線路全長約30 km,導(dǎo)線型號為4×JL/LB20A-400/35鋁包鋼芯鋁絞線，分裂間距450 mm，直流電阻0.071 77 Ω/km，普通地線型號為LBGJ-80-33AC鋁包鋼絞線，直流電阻0.672 4 Ω/km，OPGW型號為OPGW-130，直流電阻0.343 Ω/km，玻璃絕緣子串干弧距離4.575 m，典型桿塔單線圖如圖1所示。

圖1 變電站進線段典型桿塔單線圖Fig.1 Typical tower single diagram of the substation

圖2 電氣接線示意圖Fig.2 Electrical wiring diagram

該變電站附近約2 km長度進線段及站內(nèi)跳通段接線示意圖如圖2所示。圖中1—7號塔代表進線段桿塔，總長度1.83 km，Rg為桿塔接地電阻，其值為15 Ω，站內(nèi)入口處MOA為Y20W1-444/1063型金屬氧化物避雷器，CVT為電容式電壓互感器，DS為隔離開關(guān)，CT為電流互感器，CB為斷路器，圖中數(shù)字表示線路檔距和站內(nèi)設(shè)備間的電氣距離。

1 仿真模型

1.1 桿塔模型

雷電流頻率豐富，仿真計算時輸電線路采用頻率相關(guān)的J.Marti模型[8]，變電站外進線段桿塔采用多波阻抗模型[8 - 9]，各部分波阻抗的計算方法如式(1)—(4)所示。

(1)

(2)

ZLk=9ZTk(k=1,2,3,4)

(3)

(4)

式中：ZTk、ZLk、ZAk分別為桿塔主材、斜材和橫擔(dān)波阻抗，Ω；Hk為橫擔(dān)高度，m；rTk為斜材等效半徑，m；RTk為主材等效半徑，m；rB為塔基處斜材等效半徑，m；RB為主材根開，m；rAk為橫擔(dān)等效半徑，m，取橫擔(dān)與塔身連接斷面上下邊之和的1/4，斜材波阻抗ZLk的長度取主材波阻抗ZTk對應(yīng)長度的1.5倍，圖3為圖1對應(yīng)的多波阻抗模型。

圖3 桿塔多波阻抗模型Fig.3 Multi-wave impedance model of tower

1.2 雷電流模型

雷電流選用規(guī)程GB/T 50064—2014推薦的斜角波計算[10]，波頭/波尾時間為2.6/50 μs。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 311.2—2013[11]提到在計算雷電繞擊侵入波過電壓時，最大繞擊雷電流由電氣幾何模型(EGM)確定，500 kV變電站反擊雷電流按216 kA計算。雷電通道波阻抗繞擊時取800 Ω，反擊時取300 Ω[11 - 12]。

1.3 絕緣子串閃絡(luò)模型

考慮到500 kV線路絕緣子串較長，采用先導(dǎo)發(fā)展模型[13]作為絕緣子串的閃絡(luò)判據(jù)，先導(dǎo)發(fā)展模型是將絕緣子串的閃絡(luò)過程視為同等長度空氣間隙的擊穿過程，先導(dǎo)發(fā)展速度如式(5)所示，EMTP仿真時采用MODLES模塊來實現(xiàn)。

(5)

式中：k為經(jīng)驗系數(shù)，m2/(s·kV2)；v(t)為先導(dǎo)發(fā)展速度，m/μs；u(t)為絕緣子串兩端電壓，kV；g為先導(dǎo)發(fā)展長度，m；l為絕緣距離，m；E0為起始平均場強，kV/m。當(dāng)u(t)/(l-g)-E0>0時，先導(dǎo)開始產(chǎn)生，當(dāng)g=l時絕緣間隙擊穿，絕緣子串閃絡(luò)。仿真時，k和E0的值可按CIGRE推薦的取值[14 - 15]設(shè)置。

1.4 工頻電壓和感應(yīng)電壓模型

研究表明，工頻電壓在一個周期內(nèi)變化時對變電站設(shè)備雷電過電壓有不同的影響[16]，站內(nèi)設(shè)備雷電過電壓大小與雷擊時刻工頻電壓的極性和幅值有較大關(guān)聯(lián)。仿真發(fā)現(xiàn)，對于負極性雷，反擊下工頻電壓取正極性峰值時，斷路器過電壓最嚴(yán)重，繞擊下工頻電壓取負極性峰值時，斷路器過電壓最嚴(yán)重。因此，考慮到500 kV線路，系統(tǒng)最高運行電壓為550 kV，按嚴(yán)酷條件校核，雷擊時設(shè)置工頻電壓源幅值為449 kV，直接施加在線路上。

對于500 kV線路，反擊時感應(yīng)電壓幅值較大，直接影響絕緣子串的閃絡(luò)及斷路器上的過電壓，仿真時考慮感應(yīng)電壓的影響，并采用式(6)[17]來計算某反擊雷電流下的感應(yīng)電壓大小。

(6)

式中：u為感應(yīng)電壓分量；i為雷電流；hc為導(dǎo)線平均高度；hg為地線平均高度；k為導(dǎo)地線耦合系數(shù)。

文獻[17]在EMTP中模擬感應(yīng)電壓時，通過改變絕緣子串閃絡(luò)模型來計及其影響，但該方法不能很好地反應(yīng)雷擊時感應(yīng)電壓隨雷電流變化的特點。因此，本文在仿真中充分利用EMTP中的MODELS和TACS模塊，首先結(jié)合桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出地線與三相導(dǎo)線的耦合系數(shù)k，然后根據(jù)式(6)在MODELS模塊中計算出隨雷電流實時變化的感應(yīng)電壓大小，并利用TACS模塊將感應(yīng)電壓、雷擊時線路運行電壓和地線耦合到導(dǎo)線上的電壓施加到雷擊桿塔所在的導(dǎo)線上，以此來模擬感應(yīng)電壓的實際影響。

1.5 站內(nèi)設(shè)備等值模型

由于雷擊時間很短，圖2中的站內(nèi)設(shè)備采用入口等值電容模擬[13,18]，如表1所示。

表1 站內(nèi)主要設(shè)備等值電容Tab.1 Equivalent capacitance of substation equipment

站內(nèi)連接線采用波阻抗等值模擬，波阻抗計算公式如下[19]。

(7)

式中：Zc為站內(nèi)導(dǎo)線的波阻抗，Ω；hc為導(dǎo)線高度，m；re為導(dǎo)線的等值半徑，m，波速取2.85×108m/s。

實際上在雷雨季節(jié)，線路發(fā)生雷擊閃絡(luò)后，斷路器在保護指令下立刻動作切斷故障電流，在重合閘整定時間內(nèi)(一般為700～800 ms)[10]若再次遇到雷擊，此時斷口SF6介質(zhì)絕緣性能仍未完全恢復(fù)，雷電侵入波疊加反極性工頻電壓后，極易威脅斷路器的絕緣安全。運行經(jīng)驗表明，南方電網(wǎng)范圍內(nèi)雷電活動強烈地區(qū)易發(fā)生這種情形。此過程中，斷路器的狀態(tài)可概括為合閘運行和分閘熱備用兩種狀態(tài)。本文仿真計算斷路器分別在合閘和分閘兩種工況下的雷電過電壓，圖4為在EMTP中建立的部分仿真模型截圖。

2 不同工況下斷路器雷電過電壓仿真

2.1 繞擊過電壓

繞擊工況重要的是確定繞擊位置及繞擊電流，首先根據(jù)電氣幾何模型[20]，結(jié)合規(guī)程中的擊距公式[10]計算得到1—7號塔的最大繞擊雷電流Im，結(jié)果如表2所示。

圖4 仿真計算模型Fig.4 Simulation calculation model in EMTP

仿真發(fā)現(xiàn)，絕緣子串閃絡(luò)和未閃絡(luò)時斷路器對地過電壓波形差異較大。未閃絡(luò)時，雷電流沿著導(dǎo)線向雷擊點兩側(cè)傳播，斷路器過電壓波形在達到峰值后逐步振蕩衰減至雷擊前的水平，與雷電流波形較相似；閃絡(luò)后，一部分雷電流經(jīng)閃絡(luò)點通過桿塔入地，斷路器過電壓波形受桿塔等效模型、設(shè)備等值分布參數(shù)及波在桿塔處、設(shè)備間復(fù)雜的折反射等因素影響，過電壓波形振蕩較嚴(yán)重，幅值顯著大于未閃絡(luò)的值并且與未閃絡(luò)時的波形差異較大。圖5為不同雷電流繞擊2號塔時，絕緣子串在閃絡(luò)前后斷路器對地過電壓波形。

為分析斷路器在不同運行工況下的繞擊過電壓，現(xiàn)利用各基桿塔的最大繞擊雷電流繞擊對應(yīng)的相，得到斷路器在合閘和分閘運行下的最大繞擊過電壓如表3所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，分閘下斷路器上相對地最大電壓水平均顯著高于合閘下的過電壓。規(guī)程[10]中針對500 kV線路，給出的斷路器相對地額定雷電沖擊耐受電壓是1 675 kV，斷口間額定雷電沖擊耐受電壓是2 125 kV，標(biāo)準(zhǔn)[11]建議在計算雷電侵入波時，一般運行方式下(斷路器處于合閘運行狀態(tài))，絕緣安全裕度要求不低于15%，特殊運行方式下(斷路器處于分閘熱備用狀態(tài))，絕緣安全裕度要求不低于10%，這樣即使在不考慮安全裕度下，合閘下繞擊2號塔時斷路器對地電壓水平會超出絕緣耐受值，分閘下1—7號塔時斷路器最大對地電壓和斷口間最大電壓均會大幅超出斷路器額定絕緣耐受水平，此時斷路器斷口雷擊擊穿、甚至爆炸的風(fēng)險極大。

表3 斷路器在分合閘狀態(tài)下的繞擊過電壓Tab.3 Circuit breaker maximum overvoltage under close and open conditions when lightning strokes the tower

需要說明的是表中合閘時，2號塔對應(yīng)的過電壓顯著大于3號塔對應(yīng)的過電壓，但分閘下3號塔對應(yīng)的過電壓卻反過來大于2號塔對應(yīng)的過電壓，經(jīng)多次仿真對比發(fā)現(xiàn)，這主要是由于在J.Marti頻變參數(shù)模型下，斷路器運行時，2號塔與斷路器之間的電氣距離使得線路上復(fù)雜的折、反射波的波峰恰好發(fā)生疊加，造成幅值過大的情況，若改變2號塔與斷路器之間的距離，則會發(fā)現(xiàn)斷路器過電壓會顯著降低至安全水平。而分閘下，由于斷路器斷口的存在，雷電波在斷口處的全反射破壞了原來線路上折、反射波波峰恰好疊加的狀態(tài)，且仿真發(fā)現(xiàn)此時3號塔繞擊電流大于2號塔，繞擊3號塔時斷路器左側(cè)斷口處的過電壓較繞擊2號塔時大，這樣通過斷口均壓電容耦合到右側(cè)斷口處的過電壓也較大，最終導(dǎo)致3號塔對應(yīng)的斷路器左、右兩側(cè)斷口間的過電壓差大于2號塔對應(yīng)的過電壓差。圖6為繞擊1號塔時斷路器對地過電壓波形。

圖6 分合閘下雷電流繞擊1號塔時斷路器對地過電壓Fig.6 Circuit breaker overvoltage waveform under close and open conditions while shielding failure on tower No. 1

2.2 反擊過電壓

同樣地，采用216 kA的雷電流反擊1—7號塔塔頂，按照IEEE推薦的雷電流幅值概率分布公式[21]，自然界中大于該雷電流的落雷占0.639 %，因此采用該雷電流進行仿真可滿足絕大多數(shù)的反擊情形。仿真得到站內(nèi)斷路器在分合閘下雷電流反擊1—7號塔時的最大過電壓如表4所示，圖7為兩種運行工況下反擊1號塔時斷路器上的過電壓波形。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，分閘時雷電流反擊，斷路器上的過電壓水平同樣顯著大于合閘反擊下的值，斷口間的過電壓水平大于對地過電壓。與繞擊相比，反擊時雷電流大部分通過避雷線和桿塔分流泄放，經(jīng)導(dǎo)線傳入站內(nèi)的雷電流較小，反擊下斷路器過電壓較低。因此，對于500 kV及以上以繞擊跳閘為主的線路，應(yīng)重點加強進線段桿塔的繞擊防護。

表4 斷路器在分合閘狀態(tài)下的反擊過電壓Tab.4 Circuit breaker maximum overvoltage under close and open conditions when lightning back-striking the tower No.1—No.7

圖7 分合閘下雷電流反擊1號塔時斷路器對地過電壓波形Fig.7 Circuit breaker overvoltage waveform under close and open conditions while back-striking the tower No. 1

結(jié)合上述仿真結(jié)果可知，變電站進線段桿塔遭受雷擊時，若斷路器正處于合閘運行，此時雷電過電壓對其絕緣威脅一般較小，若斷路器處于分閘熱備用狀態(tài)，此時在斷路器上產(chǎn)生的雷電過電壓極易超出其絕緣耐受水平，且斷口電壓較對地電壓嚴(yán)重，此時高幅值過電壓產(chǎn)生的能量不斷累積，極易造成斷路器斷口絕緣擊穿或爆炸。

3 斷路器雷擊防護

為有效限制斷路器在分閘下的過電壓水平，確保斷路器安全可靠運行，需采取一定的防護措施?，F(xiàn)對比分析兩種不同防護措施的效果，方案一是在進線段桿塔安裝外串聯(lián)間隙的線路型避雷器，方案二是在變電站內(nèi)斷路器線路側(cè)安裝站用型無間隙避雷器，下面以斷路器分閘下進線段桿塔發(fā)生雷電繞擊的情況進行討論。

3.1 進線段桿塔安裝線路避雷器

結(jié)合表3的仿真結(jié)果，現(xiàn)在靠近站的進線段桿塔1—4號塔上安裝某種YH20CX-396/1050型線路避雷器，間隙距離按南網(wǎng)規(guī)范取1 700 mm，其U-I特性曲線如圖8所示。

圖8 線路避雷器U-I特性曲線Fig.8 U-I characteristics curve of line arrester

仿真得到安裝避雷器后，斷路器分閘時，進線段1—7號塔在雷電流繞擊下斷路器過電壓水平如表5所示。

表5 安裝避雷器后斷路器分閘下最大繞擊過電壓Tab.5 Circuit breaker maximum overvoltage under open condition when striking the tower No.1—No.7 after installing line arrester

與表3中的結(jié)果相比，在進線段桿塔安裝線路型避雷器后，斷路器分閘下繞擊時其過電壓有較大幅度的下降，但部分情形下的過電壓水平仍超出現(xiàn)行規(guī)程推薦的額定耐受值，斷路器仍存在雷擊損壞的風(fēng)險。分析認(rèn)為這主要是由于線路避雷器與線路絕緣水平相互配合，并用于防止線路雷擊閃絡(luò)，而線路絕緣水平顯著大于站內(nèi)設(shè)備絕緣水平，當(dāng)線路避雷器動作后，雷電流波頭產(chǎn)生的較大峰值已侵入站內(nèi)，仍會造成斷路器過電壓超標(biāo)，特別是繞擊發(fā)生在靠近站的桿塔時過電壓超標(biāo)更明顯，因此在進線段桿塔安裝線路避雷器僅可在一定程度上抑制站內(nèi)斷路器過電壓水平。

進一步改變線路避雷器串聯(lián)間隙的長度，分別設(shè)置串聯(lián)間隙長為10 mm、200 mm、500 mm、1 000 mm及1 700 mm，得到斷路器分閘下繞擊不同桿塔時的斷口過電壓如圖9所示。

圖9 不同串聯(lián)間隙長度下的斷口過電壓Fig.9 Circuit breaker fracture overvoltage under different gap length

可以看到，在500 mm～1 700 mm串聯(lián)間隙長度范圍內(nèi)，斷路器斷口過電壓隨著串聯(lián)間隙長度的減小而降低，當(dāng)串聯(lián)間隙長度小于500 mm時，斷路器斷口過電壓不再因串聯(lián)間隙距離的減小而降低。雖然僅從降低雷電侵入波過電壓的角度來講，在進線段桿塔安裝較小間隙的線路避雷器是有一定效果的，但運行時小間隙避雷器無法與線路進行合理絕緣配合，且安裝后不能完全限制斷路器的過電壓水平，如1號塔在間隙為10 mm時，斷口過電壓仍達2 125 kV，幾乎不存在絕緣安全裕度，這不符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)提出的斷路器處于分閘特殊運行方式下，絕緣安全裕度不低于10 %的要求。因此對于雷電活動強烈、斷路器易受雷擊侵入波過電壓威脅的地區(qū)，不建議僅在進線段桿塔安裝線路避雷器來對站內(nèi)斷路器等開關(guān)設(shè)備進行防護。

3.2 站內(nèi)安裝無間隙避雷器

在靠近斷路器線路側(cè)的地方安裝Y20W1-444/1063站用型無間隙避雷器，仿真得到安裝避雷器后斷路器分閘下繞擊時的過電壓如表6所示。

可以看到，在斷路器線路側(cè)安裝站用無間隙避雷器后，不論繞擊時站內(nèi)斷路器處于何種運行狀態(tài)，其過電壓水平均被限制在安全范圍內(nèi)，斷路器得到有效防護。

進一步改變站用避雷器的安裝距離，分別取避雷器與斷路器之間的距離為0 m、15 m、30 m、45 m及70 m，得到斷路器分閘下，雷電流繞擊不同桿塔時的斷口過電壓變化情況如圖10所示。

表6 安裝站用避雷器后斷路器分閘下繞擊過電壓Tab.6 Circuit breaker maximum overvoltage under open condition when striking the tower No.1—No.7 after installing arrester without gap

圖10 不同避雷器安裝距離下的斷路器斷口過電壓Fig.10 Circuit breaker fracture overvoltage under different installation locations of MOA

從圖10中可以看到，分閘下斷路器斷口繞擊過電壓水平隨著避雷器安裝距離的減小而降低。按目前規(guī)程中給出的斷路器在單次雷擊下的斷口過電壓水平耐受值計算，在考慮10%裕度的情況下，雷擊時斷路器斷口過電壓應(yīng)不超過1 932 kV，這樣站用無間隙避雷器距斷路器的最大距離不超過45 m時才能有效保護斷路器。目前部分運行人員在確定斷路器線路側(cè)站用避雷器的安裝距離時，有時忽略了站內(nèi)設(shè)備電氣連接特點，直接套用規(guī)程提到的避雷器對其他設(shè)備的距離較距主變壓器的距離增加35%的做法[10]，一方面忽略了規(guī)程指的是35 kV—220 kV電壓等級，另一方面也忽略了規(guī)程對變電站的電氣接線要求，對于本工程線路在變電站跳通時出線僅一回，無其他支路分流雷電流，直接套用規(guī)程容易導(dǎo)致避雷器對斷路器的保護力度不足，特別是斷路器分閘下遇到較大雷擊時，站用避雷器安裝較遠無法滿足斷路器雷擊防護要求。

根據(jù)上面的仿真結(jié)果可知，斷路器分閘運行下的雷電侵入波過電壓水平較嚴(yán)重，易導(dǎo)致斷路器絕緣不足發(fā)生擊穿損壞，最有效的防護方式是在斷路器線路側(cè)合適位置安裝無間隙避雷器。此外，從雷擊和設(shè)備本身出發(fā)，加強進線段桿塔雷擊防護及提高斷路器絕緣耐受水平也能在一定程度上保護斷路器，如降低進線段保護角，減小最大繞擊電流，進線段桿塔安裝線路避雷器及適當(dāng)提高斷口絕緣設(shè)計水平，及時開展斷路器雷電沖擊與反極性工頻聯(lián)合電壓試驗進行內(nèi)部絕緣缺陷檢測等。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某500 kV線路工程計算了斷路器在分、合閘兩種不同運行工況下的雷電侵入波過電壓，對比分析了兩種不同防護措施的效果，得出如下結(jié)論。

1)變電站斷路器雷電過電壓與絕緣子串閃絡(luò)有較大聯(lián)系，閃絡(luò)時過電壓一般較未閃絡(luò)時大，運行時應(yīng)盡量降低進線段桿塔雷擊閃絡(luò)概率；

2)斷路器合閘運行時，進線段桿塔遭受雷擊一般對其絕緣威脅較小，分閘下雷電侵入波在斷口處全反射產(chǎn)生的高幅值過電壓是造成斷路器絕緣擊穿、爆炸的主要原因；

3)斷路器分閘下，其斷口雷電過電壓水平較對地過電壓嚴(yán)重，產(chǎn)品設(shè)計時有必要適當(dāng)提高斷口間的絕緣耐受水平；

4)對于500 kV及以上電壓等級的線路，一般斷路器上的繞擊侵入波過電壓較反擊嚴(yán)重，實際運行時應(yīng)加強進線段的繞擊防護；

5)對斷路器進行雷擊防護時，最有效的防護方式是在斷路器線路側(cè)安裝站用型無間隙避雷器，避雷器安裝位置與被保護斷路器的最大距離宜通過仿真計算后合理確定。