某水电站过电压计算及分析
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某水电站过电压计算及分析
[摘要] 利用emtp电磁暂态计算软件，针对某水电站在不同运行方式下的主电气设备过电压进行了计算，分析了不同避雷器配置下电气设备过电压水平和绝缘裕度，提出了合理的避雷器配置方案。
[关键词] 水电站过电压计算避雷器；
前言：某水电站总装机容量320mw，包括4台80mw轴流转桨机组。
机组出口电压13.8kv,经厂高变220kv电压等级送出，发电机电压回路采用发变组单元接线，升高电站侧采用双母线接线，出线两回。
通过对该水电站的过电压水平进行计算分析研究，提出限制过电压的措施，确定电站的绝缘配合原则，合理配置避雷器，选择并确定电站各设备的技术参数。
一、计算模型及参数的选取
利用电磁暂态软件emtp软件建立该水电站暂态模型，并进行雷电过电压的计算。
相关的参数选取如下：
（1）雷电流参数
雷电流波形参数选为2.6/50us，幅值根据雷击方式有所不同。
雷击塔顶时，雷电流幅值选为150ka，雷电通道波阻抗为300ω。
雷电绕击于导线时，计算出最大绕击电流约为22.4ka。
雷电流的波形取2.6/50μs的三角波。
（2）主要电气设备参数
雷电冲击波等值频率较高，在波到达变压器的瞬间，不会有电流
流过电感。
所以，在电压波作用到变压器的5 us内，变压器对外的作用可以等效为一个入口电容。
在过电压计算时，变压器及变电站各主要设备均用入口电容来模拟，具体参数如表1所示。
（3）避雷器电气参数及布置
线路侧、母线及主变侧避雷器型号依次为y10w-204/532、
y10w5-200/520、y1.5w-144/320，具体参数见表2。
仿真模型中通过输入非线性电阻的伏安特性来模拟避雷器，动作参考电压取额定电压的2倍。
（4）典型计算条件
无论是远区落雷还是近区落雷，单线单变的运行方式都是最严重的情况，在这种运行方式下雷电流经过的线路少，电容小，雷电流分流情况差，其过电压最严重。
所以，本文在不作特殊说明时，计算方式的选择为：“一线一变”。
二、计算结果及分析
（1）不同运行方式的比较
当发电机台数不变，岀线数改变时，各主要设备上的过电压值如表3所示。
当出线回数一定，以最不利的一回出线为例，改变发电机台数时，各设备上的过电压值如表4所示。
由表3可见，发电机台数一定时，出线回数越少，各主要设备上的过电压值越大。
由表4可见，随着发电机台数的增加，各主要设备上的过电压值减小。
（1）避雷器的布置影响
根据《gb311.1–1997 高压输电设备的绝缘配合》，220kv变电站
各主要电气设备的雷电冲击耐受电压为950kv。
因此变电站内配置避雷器的原则是：使得在雷电侵入波传入变电站时，各电气设备都在避雷器的保护范围内，即各设备的过电压最大值应低于其绝缘水平950kv，并留有足够的绝缘配合裕度。
根据避雷器的布置位置，分为线路侧避雷器、母线避雷器和主变侧避雷器。
因此，避雷器的配置方案就有以下7种：a.仅设置线路侧避雷器；b.仅设置母线避雷器；c.仅设置主变侧避雷器；d.既设置线路侧避雷器，又设置母线避雷器；e.既设置线路侧避雷器，又设置主变侧避雷器；f.既设置母线避雷器，又设置主变侧避雷器；
g.线路侧、母线、主变侧均设置避雷器。
针对以上7种配置方案，在“一线一变”运行方式下，计算各主要电气设备上的过电压最大值以及避雷器的电流、能量的最大值见表5。
由表5可见，b、c、f等3种方案中没有设置线路侧避雷器。
b 方案条件下，线路入口装设的cvt最大过电压值达到867kv，绝缘裕度只有8.74%。
c方案条件下，线路入口cvt最大过电压值达到1292kv超过电气设备的冲击耐受压力，隔离开关最大过电压也超过了设备耐受值。
f方案下，线路入口装设的cvt最大过电压值达到867kv，绝缘裕度只有8.74%。
因此线路侧避雷器必须设置。
a、b、d三种方案中没有设置主变侧避雷器。
三种方案下，主变上的最大过电压幅值都超过了设备耐受值950kv。
因此主变侧需要设置避雷器。
b、d、f三种方案中，母线均设置了避雷器，隔离开关、断路器、电压互感器最大过电压幅值为574kv，绝缘裕度达39.58%。
a方案下，其过电压幅值已经超过了电气设备的耐受水平。
e方案下，最大过电压幅值达到775kv，绝缘裕度只有18.42%。
建议母线设置避雷器。
g方案下，设备上的最大过电压为577kv，绝缘裕度达到39.26%。
综上所述，该水电站220kv侧避雷器设置建议采用g方案，即“线路侧、母线、主变侧均有避雷器”。
这种配置方案，既能保证各主要电气设备上过电压不超过其绝缘水平，又有足够的绝缘配合裕度。
（2）各主要设备的绝缘水平和绝缘配合裕度
采用方案g时，该电站各主要设备的绝缘水平和绝缘配合裕度见表6。
由表6可见，避雷器设置采用方案g时，在各种可能的运行方式下，遭受雷电侵入波危害时，主要电气设备都有足够的绝缘配合裕度，不会对设备造成损害。
（3）雷电侵入波过电压故障率计算与保护可靠性评估
本计算方案中，所选最大雷电流为2.6/50us 150ka，根据标准雷电流大于此幅值的概率为1.97%，按照方案e配置避雷器，各设备都有一定的绝缘裕度，不会发生故障。
然而，当雷电流幅值大于150ka时，各主要电气设备上的过电压值会变得更大。
当雷电流幅值增大至某个值时，电气设备上电压最先达到其绝缘水平950kv，雷电流超过这个幅值的概率可以理解为
侵入波故障率。
在“一线一变”运行方式下，增大反击的雷电流幅值，使cvt上过电压最大值刚好达到950kv，记录此时的雷电流幅值i=290ka。
则我国一般地区雷电流幅值超过i的概率p可按lgp=-i/88求得，由此计算得“一回岀线一台变压器”运行方式时的故障率为
0.0506%。
由表6得知，选定的方案g保护下，各个设备的过电压值最大值为577kv，绝缘配合裕度达到39.26%以上，保护可靠性良好。
三、结论
1、在近区落雷，即雷击变电站出口端杆塔塔顶时，各主要电气设备上过电压值最大，最大值是在主变压器上产生的过电压，其值为577kv；
2、在各种可能的运行方式中，“一线一变”方式下主变压器上产生的过电压值最大为577kv；
3、避雷器设置建议采用方案g，即线路侧、母线、主变侧均设置避雷器。
在这种运行方式下，当有雷电波侵入变电站时，能保证站内各主要设备上的过电压低于设备的绝缘水平，各设备的绝缘配合裕度在39.3%～44.4%。
参考文献：
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作者简介：
耿鹏云(1977-)，女，经济师，主要从事电力系统技术及概预算工作。
