（电气工程专业论文）1000kv变电站雷电侵入波的分析研究.pdf

学位论文版权使用授权书 liie i iei e i11 11 11 1i iiii 、t17 8 0 9 6 4 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：色私q 导师签名： 签字日期：e - o i 。年6 月叫日 签字日期：芝伸 肜 佛叫肼 f 中图分类号：t m 8 6 3 u d c ：6 2 1 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 1 0 0 0 k v 变电站雷电侵入波的分析研究 l i g h t n i n gi n v a s i o nw a v ea n a l y s i so nl0 0 0 k v s u b s t a t i o n 作者姓名：庄秋月 导师姓名：刘明光 学位类别：工学 学科专业：电气工程 学号：0 8 1 2 2 0 1 5 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：电力系统电磁暂态 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文是在我的导师刘明光教授的悉心指导下独立完成的。从论文的选题、 研究方案的设计等方面都凝聚着导师的心血，刘老师知识渊博、思路清晰、态度 严谨，他的一丝不苟的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。每 当我遇到困难的时候都能及时给予指导，帮助我少走了很多弯路。在此衷心感谢 两年来刘老师对我的关心和指导。 此外还要感谢班主任焦超群老师和师姐郝卫华，他们对本论文的完成给予了 极大的支持和鼓励，并提供了相关的工程设计参数，在此向他们表示衷心的谢意! 还要感谢电气学院夏明超老师和张小青老师、电科院葛栋老师和吴桂芳老师 对我的指导和解答，他们的帮助使我受益匪浅! 同时感谢同实验室的薛福成、陈意龙、秦晓灵、杨罡等同学，室友崔娟娟、 韩佳宾在论文撰写期间给予我的帮助和支持! 特别感谢我的父母，感谢他们多年来对我辛苦的抚养和无私的爱，他们的理 解、爱护和支持永远是我克服一切困难、向前迈进的动力。 在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的感谢! 最后，衷心感谢百忙之中评审论文和参加答辩的各位专家、教授! 中文摘要 中文摘要 摘要：1 0 0 0 k v 特高压交流输电系统的建设是未来电力发展的主要趋势，而特 高压变电站是整个电力系统的枢纽站，一旦雷击损坏，将直接影响电网的安全运 行，势必造成严重的后果，因此要求有可靠的防雷措施。由于雷击线路的机会比 雷直击变电站要多，沿线路侵入变电站的雷电过电压行波是很常见的，所以对特 高压系统的变电站进行雷电侵入波过电压的分析研究是十分必要的。 本论文以某1 0 0 0 k v 特高压g i s 变电站为例，采用国际通用的电磁暂态程序 a t p e m t p 进行分析计算。仿真中，将变电站和进线段结合起来，并加入了线路 终端的模拟，雷击点选择近区雷击，考虑变电站运行方式、工频电压、冲击接地 电阻等因素的影响，对雷电侵入波在变电站电气设备( 主要是变压器) 上产生的 过电压进行精确的计算分析，找出过电压的分布及变化规律，提出相应的雷电过 电压保护措施，对电气设备的保护提供了有价值的参考依据；对于同类问题的运 行计算也有一定的工程应用价值。由于a t p e m t p 建立考虑冲击电晕的输电线路 模型很困难，为可靠起见，本文不考虑输电线路的冲击电晕的影响。所以，计算 出的结果偏安全侧。 关键词：特高压变电站；雷电侵入波；过电压；数值计算；a t p e m t p ； 分类号： a b s t r a c t a bs t r a c t l0 0 0 k vu h va ct r a n s m i s s i o ns y s t e mw i l lb e c o m et h em a i nt r e n di np o w e r d e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e ，w h i l eu h v s u b s t a t i o n sa r et h eh u b so ft h ee n t i r ep o w e r s y s t e m , o n c et h e s el o a d - c e n t e rs u b s t a t i o n s a r ed a m a g e db yl i g h t n i n gs t r o k e ，s a f e o p e r a t i o no fe l e c t r i c n e t w o r kw i l ln o tb ei n s u r e da n di n e v i t a b l yc a u s es e r i o u s c o n s e q u e n c e s ，s oi tr e q u i r e sr e l i a b l el i g h t n i n gp r o t e c t i o nm e a s u r e s a st h ep r o b a b i l i t yo f l i n e sb yl i g h t n i n gi sh i g h e rt h a nt h a to fs u b s t a t i o n s ，a n di ti sc o m m o n p l a c et h a t o v e r - v o l t a g el i g h t n i n gw a v ei n v a d i n gi n t os u b s t a t i o n sa l o n gl i n e s ，t h e r e f o r e ，l i g h t n i n g o v e r - v o l t a g ea n a l y s i so ns u b s t a t i o n so fu h vs y s t e mb e c o m e sn e c e s s a r y t h i sp a p e rt a k e sa10 0 0 k vu h vg i ss u b s t a t i o nf o re x a m p l ea n dm a k e st h em o s t o fi n t e r n a t i o n a l l yu n i v e r s a le l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ea t p - e m t pt o r e s e a r c hi t i nt h es i m u l a t i o n , t h ep a p e rs y n t h e s i z e st h es u b s t a t i o na n di t si n c o m i n gl i n e s t o g e t h e r , t a k e st h el i n et e r m i n a l si n t oa c c o u n t ，s e l e c t st h en e a rl i g h t n i n gs t r i k ea s l i g h t n i n gs t r i k ep o i n t ，a n dt a k e st h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r si n t oc o n s i d e r a t i o n ，s u c h a ss u b s t a t i o no p e r a t i o nm o d e ，p o w e r - f r e q u e n c yv o l t a g e ，i m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e e t c o v e r - v o l t a g eg e n e r a t e db yl i g h m i n gi n v a s i o nw a v ei nt h ee l e c t r i c a ls u b s t a t i o n e q u i p m e n t s ( m a i n l yt r a n s f o r m e r s ) i sc a l c u l a t e da n da n a l y z e da c c u r a t e l ys ot h a tw ec a n i d e n t i f yt h eo v e r - v o l t a g ed i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o nt h r o u g hi t ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n g l i g h t n i n go v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nm e a s u r e sa r ep r o p o s e d ，s i m u l t a n e o u s l y , i t c a np r o v i d e av a l u a b l er e f e r e n c et ot h ee l e c t r i c a le q u i p m e n tp r o t e c t i o n a n di th a ss o m ev a l u et or u n c a l c u l a t i o n sw i t hs i m i l a rp r o b l e m sa sw e l l b e c a u s ei ti sd i 伍c u l tt oc o n s i d e rt h ee f f e c t o f i m p u l s ec o r o n ao nt r a n s m i s s i o nl i n e si na t p e m t p , t h i sp a p e rd o e sn o tc o n s i d e rt h e i m p a c to ft r a n s m i s s i o n1 i n e c o r o n ae f f e c t sf o rt h es a k eo fr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h e c a l c u l a t e dr e s u l ti ss a f e r k e y w o r d s ：u h vs u b s t a t i o n ；l i g h t n i n gi n v a s i o nw a v e ；o v e r - v o l t a g e ；n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ；a t p e m t p ； c i 。a s s n o ! v u 鼻 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i 1 绪论1 1 1 论文研究的背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的研究内容8 2 雷电侵入波过电压计算的数值分析法9 2 1 贝杰龙数值计算方法9 2 1 1 均匀无损导线的计算电路9 2 1 2 集中参数元件的等值计算电路1 1 2 1 3 节点电压方程和节点导纳矩阵1 3 2 2 变电站内各电气设备的数值化处理1 4 2 2 1 变压器的数学模型15 2 2 2 避雷器的数学模型1 6 2 3 仿真软件17 2 3 1a t p e m t p 简介1 7 2 3 2 主要功能18 2 3 3 程序中计算步长的选取1 9 2 4 本章小结2 l 3 研究方法及模型建立2 3 3 1 雷电侵入波方式2 3 3 2 仿真模型和计算数据2 4 3 2 1 雷电模型。2 4 3 2 2 输电线路模型2 7 3 2 3 杆塔模型3 2 3 2 4 绝缘子闪络模型。3 5 3 2 5 避雷器模型及伏安特性曲线3 6 3 2 6g i s 管道及母线、站内设备连接线3 8 3 2 7 变电站内电气设备的计算模型3 9 3 2 8 电气设备的雷电冲击绝缘水平4 0 3 3 本章小结4 1 北京交通大学硕士学位论文 4 仿真分析4 3 4 1 特高压g i s 变电站电气主接线及运行方式4 3 4 1 1 电气主接线4 3 4 1 2 计算运行方式4 4 4 2 雷电反击计算分析4 5 4 2 1 运行方式的影响5 4 4 2 2 雷击点的影响5 5 4 2 3 工频电压的影响5 6 4 2 4 冲击接地电阻的影响5 7 4 2 5 主变与避雷器电气距离的影响5 8 4 2 6 几个特殊问题的说明5 9 4 3 雷电绕击计算分析6 2 4 4 本章小结6 7 5 防雷保护方案的研究6 9 6 结论与展望7 3 6 1 结论7 3 6 2 展望7 4 参考文献7 5 作者简历7 7 独创性声明7 9 学位论文数据集8 1 1 1 论文研究的背景及意义 1 绪论 电力工业是关系国民经济全局的重要基础产业。电网的快速发展，必然会打 破历史形成的地方电力系统的强域，逐渐连成完整的大区域或跨区域的现代电网。 不论从长距离大容量输电、维持电力系统稳定水平的需要，还是从节省基建投资 和运行费用的角度，大网络间的连接必须采用超高压等级的5 0 0 k v 或7 5 0 k v 系统， 有些国家如前苏联已经采用过1 1 5 0 k v 的特高压系统。自1 9 8 1 年我国第一条5 0 0 k v 超高压输电工程平( 平顶山) 武( 武汉) 工程投运以来，我国已经建成了以 5 0 0 k v 网络为主干的华中、华东、华北、东北、西北五个跨省电网【，为国民生活 的安全保证及电力工业的发展起到了重要作用。近年来我国国民经济的迅速发展 使电力负荷急剧增长，据相关数据统计，到2 0 2 0 年我国电力装机容量将达到 1 0 0 0 g w 。但是由于我国一次能源分布和负荷中心分布及其不均匀，因此决定了“西 电东送，南北互供 是国家能源工业的一项必然选择【2 】。根据我国能源丰富地区远 离经济发达地区的基本国情，必须加快建设坚强的特高压电网以满足持续增长的 电力需求，提高电力系统的供电能力，实现大规模的电力输送。在我国的特高压 电网建设规划中，将以1 0 0 0 k v 交流特高压输电为主形成国家特高压电压等级骨干 的网架，以实现各大区域电网的同步强联网，各级电网协调发展的坚强国家电网 的战略举措，这也是今后大电网发展建设的主要趋势1 3 j 。 特高压输电系统在现代电网的互联中对于大容量、远距离输电以及维护整个 系统的安全稳定具有重要的战略意义。1 0 0 0 k v 交流特高压输电工程具有工作电压 高、输电距离长、输送容量大、线路损耗小的特点，且自身的无功功率也很大， 1 0 0 k m 的1 0 0 0 k v 线路无功可达5 0 0 m v a r 左右，约为5 0 0 k v 线路充电功率的4 - 5 倍。这样使得线路在合闸操作时会产生较高的操作过电压，在故障及三相甩负荷 时还可能导致严重的工频过电压及操作过电压，同时在正常运行负荷变化时将给 无功调节和电压控制造成困难。为降低特高压输变电设备造价，同时考虑到空气 间隙的饱和与高海拔问题，必须采取合理的限制措施将过电压限制在合理的水平。 另外，过电压高还会对设备的绝缘水平提出更高的要求【4 】。因此，限制输电系统的 过电压水平以及选择合理的绝缘水平是特高压输变电工程建设的关键。由于 1 0 0 0 k v 特高压输电工程是一个新领域，其防雷保护和绝缘配合都是关键性的技术 问题。绝缘配合是否合理将直接影响到整个工程的布局和工程设备的造价，而特 北京交通人学硕士学位论文 高压变电站又是交流电力系统中的枢纽， 雷击损坏事故，有可能造成大面积停电， 全可靠的防雷保护措施。 起着输电和变电的关键作用，一旦 影响十分严重。所以，变电站要求 变电站的雷害来自两个方面，一是雷电直接击到变电站上而造成站内设 损坏，简称直击雷；二是雷击到输电线路杆塔或避雷线上，造成绝缘子闪络 击) ，或者直接击到导线上( 绕击) 产生的雷电波，波沿输电线路传递到变电 在站内设备上产生雷电过电压引起设备绝缘损坏，此简称雷电侵入波。所以 电站设备的防雷保护措施有两个方面，一个是直击雷的防护，另一个是雷电侵入 波的防护。由于输电线路走廊面积较变电站大得多，且线路经过的地区也较复杂， 自然，雷击线路的机会远比雷电直击变电站的机会多。因此，沿线路侵入变电站 的雷电过电压行波是很常见的，是对变电站电气设备构成威胁的主要方式之一， 严重威胁变电站及整个电力系统的安全运行【5 j 。 因此，结合我国特高压变电站的电气主接线，对雷电侵入波在站内电气设备 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，可以对防护雷 电过电压、保护电气设备提供有价值的参考依据，进一步优化特高压变电站的工 程设计。根据工程需要，本文以分析计算变压器上的过电压水平为主。 变压器是连续运行的电力设备，特别是特高压系统的变压器，对电力系统的 安全稳定影响甚大。对波头很陡的行波而言，变电站各点电压超过保护水平的数 量取决于该点与避雷器安装地点的距离、波前的陡度以及变电站内各电气设备的 技术参数。所以，通过分析研究确定避雷器的安装位置、数量，可使总体造价最 低，实现理想的经济效益。 1 2 国内外研究现状 1 0 0 0 k v 特高压交流输电技术研究始于上世纪6 0 年代。前苏联、美国、意大 利和日本等国都是世界特高压输电试验研究的先行者，先后开展了特高压交流输 电技术的试验研究。其中，美国、意大利、巴西等国只是建成了特高压建设的试 验线路。前苏联于1 9 8 5 年建成了9 0 0 k m 的1 1 5 0 k v 特高压输电线路并带电运行过 一段时间，现已分段降压运行；同本于1 9 9 2 年也建设成了1 0 0 0 k v 双回的特高压 输电线路，但输电线路较短，目前也在5 0 0 k v 下运行【6 1 。我国武汉高压研究所1 9 9 6 年开始建成了第一条2 0 0 m 特高压试验研究线段，在电力建设研究所进行了杆塔试 验，在中国电力科学研究院进行7 5 0 k v 冲击电厂试验，并在系统方面对绝缘配合、 线路、设备、环境等各方面开展了研究【_ 7 1 。2 0 0 6 年8 月，国家电网公司晋东南( 长 治) 南阳一荆门1 0 0 0 k v 特高压交流试验示范工程开工建设，并于2 0 0 9 年1 月 2 1 绪论 顺利投入商业运行，迄今运行正常。由于国外特高压输电工程设计运行经验均不 足【8 1 ，在过电压与绝缘配合及防雷保护方面对于我国远距离、大容量特高压输电技 术中可直接借鉴的经验不多。我国5 0 0 k v 级交流电力系统虽然已有多年成功运行 的经验，对7 5 0 k v 国外也有较成功的经验，但其送电距离和规模都无法与我国特 高压相比，而且我国拟建的1 0 0 0 k v 级输电工程涉及到g i s 、h g i s 多种变电站方 式，可借鉴的成功经验较少，因此有必要进行多次反复认真的分析与计算。 沿线路侵入变电站的雷电波来源于绕击和反击【9 】。 ( 1 ) 绕击 2 0 世纪6 0 年代提出了研究线路遭受雷电绕击的方法一电气几何分析模型， 之后经过不断修正和完善，形成了现代电气几何模型方法( e g m ) 。现代电气几何 模型可以将雷电的放电特性和线路的结构尺寸联系起来分析，并能考虑塔高、地 面倾斜角、雷电流等影响因素。目前，美、欧、日均采用电气几何模型来分析和 计算绕击率。 分析绕击问题时，击距认为是雷电流幅值，的函数，关于的求取，怀特黑 德( w h i t e h e a d ) 1 9 6 9 年提出的关系式为【l o 】： ， r = 7 1 i o 。7 5 铆) ( 1 一1 ) 洛夫( l o v e ) 1 9 7 3 年提出的关系式为： r = 1 0 i o 6 5 ( 肌) ( 1 - 2 ) 式中：i 一雷电流的幅值，k a 。 ( 2 ) 反击 n 人们对反击造成的危害认识较早，主要是反击对系统的安全影响较大的缘故。 国外学者提出了很多方法和理论来估计预测反击跳闸率，如综合曲线法、行波理 论、区间组合法等；计算机的发展也使得行波过程的数值解法、区间组合法得到 了很大的发展。但是不管何种方法，计算都需要建立在一定的模型之上，而模型 的好坏取决于对雷电机理和雷电波作用下杆塔一避雷线一导线系统中波过程的认 识。由于雷电现象具有很强的随机性，过程又非常短暂，使得人们难以对雷击过 程的物理现象有非常清楚的认识，这就是防雷研究中之所以问题较多的原因。通 常只能通过对许多问题建立简化模型，得到理论结果后通过运行实际经验，再不 断优化模型，进而得到与运行实践最接近的理论模型。 目前国际上通用的研究结果，影响反击跳闸率的主要原因有绝缘子串伏秒特 性问题、冲击电晕问题、感应电压问题、工频电压问题、杆塔模型问题、杆塔冲 击接地电阻问题等等【l l 】。 a 绝缘子串的伏秒特性是指绝缘子串上出现的电压最大值和放电时间的关系 曲线，通常指的是在标准冲击波下测得的曲线。实际上，雷电引起的绝缘子串上 3 北京交通人学硕七学位论文 的冲击波并非标准波，采用标准冲击波下的绝缘子串的伏秒特性必然给最终结果 带来偏差。虽然目前在非标准冲击波下绝缘闪络方面的研究取得了一些进展，但 尚未有满意的解决办法。i e e e 防雷工作组仍然推荐使用标准冲击波下的伏秒特性。 b 在避雷线或导线上由于雷电流作用而具有很高的电压时就会发生冲击电 晕。它是雷电波衰减和畸变的主要因素，但对于防雷保护是有利的。常用的计算 方法有经验公式法、差分法和流动波法【1 2 1 。我国规程采用式( 1 3 ) 来反映雷电波 因电晕效应而引起的变形： r ：+ ( o 5 + 竺坠) 名 ( 1 - 3 ) 式中：f 一进线保护段末端变形后斜角波波头的长度，t s ； 一进线保护段首端斜角波波头的长度，, u s ； z 。进线保护段的长度，k m ； u 妒一进行波的幅值，k v 。 c 感应电压是雷击发展过程中由于空间电磁场的变化所引起的。雷击杆塔时， 在绝缘子串的闪络判断中占有一定的比例。如果忽略，容易带来误差。由于它的 物理机制比较复杂，而且受到雷电发展的随机性及观测条件的限制，目前还没有 比较满意的模型，已有的计算模型和方法都是基于一定的假设之上。 尽管国内外这方面的研究工作有很多，但是分歧较大。首先，欧美、日本等 国家承认有感应过电压，也提出计算公式，但计算的感应电压比我国规程法【1 3 】计 算的要小得多，并认为感应电压对线路防雷的影响很小，在防雷计算中不考虑感 应过电压，这和前苏联、中国的做法相差甚远。近年来随着雷电流观测数据的增 加，大幅值、高陡度的雷电流的存在已被认为不可忽视，人们已经越来越重视感 应电压的影响。其次，对雷击杆塔时从塔顶向上发展的上行先导( 流注) 长度三。的 不同估计，严重影响感应电压的计算值。a r m s t r o n g 和w h i t e h e a d 等人认为丘和击 距t 有下列关系： l s 考( 1 - 4 ) 我国在规程中用经验公式的办法考虑感应电压的作用，但模型过于粗糙，计 算误差较大。我国规程规定感应电压u 由下式计算： h q = 口吃( 1 _ o ，- g ) ( 1 - 5 ) ，l c 式中：见一导线对地平均高度，m ； 允一避雷线对地平均高度，m ； 晚一导线和避雷线间的耦合系数； a 一雷电流的陡度。 4 1 绪论 上述计算公式是前苏联半个世纪以前的研究成果，计算结果较大，且已经落 后于时代。w h i t e h e a d 提出下面的近似计算公式： 2 面9 6 h i ( 1 - 6 ) 国网武汉高压研究所得出的一组计算曲线【1 4 】，通过拟合计算，给出下列近似 计算式： = ( 1 7 7 1 + 1 7 5 4 h 。一0 0 1 0 8 8 h 。2 + 1 9 3 5 x 1 0 弓h c 3 ) i ( 0 1 7 0 6 h f l m ) ( 1 - k o ) x 1 3 3 ( 1 - 7 ) 武汉大学与武汉高压研究所合作研究提出近似计算公式： u l = 2 2 i 。 4 h ( 一和 8 ， 并且指出，在线路绝缘上的雷电过电压中，感应电压分量和雷电流注入分量 的幅值不是同时出现的。当注入分量到达峰值时，感应电压仅为其峰值的7 0 。 d 反击时，工频电压在绝缘予串两端电压中占有相当大的比例。美、r 、欧 等国均己考虑工频电压的影响，日本采用和雷电流相反极性的工频电压峰值。我 国现行规程在防雷计算中未明确考虑工频电压。 e 对于杆塔模型的选择，由于最早的输电线路杆塔不超过3 0 m ，我国规程规 定在防雷计算中将杆塔等效为集中参数电感，以简化计算，但精度不高。随着高 杆塔的出现i 考虑到波从塔顶传递到塔基是需要时间的，提出用单一的波阻抗来 模拟杆塔。比较著名的是c i g r e ( 国际大电网会议) 提出的杆塔模型，即用分布 参数线段代表杆塔，并用波阻抗和波在杆塔中的视在传播速度表征雷电冲击波在 杆塔中的传播特性。但杆塔波阻抗并不是单一的，而是沿杆塔变化的，实际应为 时间的函数。尽管如此，给杆塔波阻抗确定一个不变值是可能的，由此得到的杆 塔电位随时间变化的函数与模型试验得到的结果和用场论计算的结果很接近。另 外，波在杆塔中的视在传播速度小于光速，这是由于杆塔横担和支架延缓了电位 增长速度所致。目前比较常用的是对杆塔的不同部位采用不同的波阻抗表示的杆 塔多波阻抗模型【1 5 1 。 f 表征杆塔冲击接地特性的参数常用冲击接地电阻。杆塔冲击接地电阻已被 证明是影响耐雷水平的最敏感因素。雷电冲击电流作用下，一方面接地体电感呈 现较大的阻碍电流的作用，另一方面接地体周围土壤在电场强度很高时会产生强 烈的火花放电。这两方面的作用使杆塔接地电阻表现为与工频( 直流) 下不一样， 且为时间的函数。工程上常用固定的电阻值近似代表杆塔冲击接地电阻，也有人 用大小随塔高和雷电波上升时间变化的电感作为杆塔冲击接地参数。 综上所述，雷电侵入波的过电压计算中还有很多不确定的因素。尤其对于特 高压变电站雷电过电压的保护，由于投入运行的时间不长，因此更需要人们的不 5 二i 断探索，将理论与实践结合， 合理的防雷保护方案，确保电 过程中回路参数可能还会突变( 例如火花问隙放电) ，计算起来是非常困难的。由 于雷电波的时间非常短暂( 微秒级) ，测量这个过程需要复杂的高压一次示波技术， 这也是不容易的。应用几何相似的变电站模拟进行试验也不容易，因为模型本身 电容、电感跟小，受寄生电容及连线电感的影响很大。1 9 4 8 年柯勒琴科等人提议 应用模拟法则制成链式等效回路来研究变电站的防雷问题，并将所研制的仪器命 名为防雷分析仪，使实验室技术大为简化。其模拟方法剐1 6 1 ： 模拟线路任意时刻f i 任意坐标五处的电流及电压u 和实际线路中相当时n t 相当坐标x 处的电流i 和电压u 满足下列关系式： = ，嬲，t i = s t ，= a i ，u l = v r ( 1 9 ) 式中：m ，s ，a 及1 ，为常数，分别为模型的长度、时间、电流和电压的比例尺。 1 ) 模型电路的各个集中参数元件足，厶，g l 及c l 为： r i = v r 口 厶= v sl 口 g l = a _ g 1 ， 一 a s 门 乙l2 一【， 1 ， ( 1 1 0 ) 式中：r ，g 及c 分别为实际电路中的对应元件。 2 ) 实际电路中的分布参数元件( 如母线) 以t 型回路的集中参数元件组成的 链形电路代替，然后按式( 1 1 0 ) 的条件制造模型。 3 ) 实际电路中的非线性电阻“= 伊( f ) 在模型中以特性为u 。v = 缈( a ) 的非线 性电阻代替。 4 ) 实际电阻中的绝缘伏秒特性为u 。= 认口) ，在模型中可以用伏秒特性为 ( ，。= 缈( s ) 的元件来代替。 6 1 绪论 5 ) 实际电路中的波阻抗为z 的无穷长导线在模型中以电阻置代替，其中： 墨= 兰z ( 1 1 1 ) 口 6 ) 实际电路中沿无穷长线路导线袭来的冲击波u ( t ) 在模型中可以用冲击电源 来代替，后者的电压应满足下式t u i ( s t ) = 2 v u ( t ) ( 1 1 2 ) 7 ) 模型线路中元件连接的相互次序应与实际电路中的各元件连接的相互次序 相同。 防雷分析仪模拟在2 k m 处施加一个幅值等于绝缘子串雷电5 0 放电电压u 5 蚴 的直角波( 即电压源法) ，从而测量变电站设备上的过电压。其理论基础是侵入波 过电压幅值不能大于绝缘子串的放电电压u 5 蚴，这可能和只考虑2 k m 以外的雷击 有关。如考虑近区雷电反击，雷电流在导线上形成的侵入波过电压幅值完全可能 超过绝缘子串的临界放电电压u 5 0 。因为此侵入波过电压的波头较陡，还可能是 短尾波，其放电电压较高。如考虑近区雷电绕击，此侵入波过电压也可能低于u 5 似。 所以这个方法的前提条件是不成立的。另外，防雷分析仪不能够考虑到变电站进 线段及变电站内部的波过程，难于准确模拟和调整元件特性，模拟对象的复杂程 度也受到设备条件的限制。 ( 2 ) 补偿法 补偿法的基本原理及计算过程是：先将避雷器置于开路，应用戴维南定理把 剩下部分简化为一个线性有源二端网络，即等值为一个开路电压和等值阻抗，然 后用牛顿一拉夫逊迭代法求解避雷器支路的放电电流，最后利用叠加原理求得含 有避雷器支路网络的真解。 变电站雷电侵入波过电压保护计算的基本过程与输电线路的雷电过电压计算 大同小异，主要的区别在于计算电路中含有避雷器非线性电阻支路。在计算的每 一时步，都需要如上述一样先求解出线性部分电路的开路电压，检查避雷器是否 动作，若已动作则接入避雷器支路，迭代求解出避雷器放电电流，然后修正各节 点电压。此外，变电站的等值计算电路含有较多的电气设备的入口电容接地支路， 节点和线段较多，计算量显然要大得多。 ( 3 ) 电力系统数字仿真 随着电力系统的发展，电网扩大，自动化程度也越来越高，许多计算和控制 问题同益复杂，无论从现有技术还是从供电可靠性及设备安全性考虑，直接在实 际电力系统中进行各种试验的可能性很小，因此运用电力系统数字仿真进行计算 分析已经成为主流。电力系统数字仿真是对实际系统进行分析，建立电力系统的 数学模型，再用数字计算机对模型进行实验，以获得我们所需要结果的过程。 7 北京交通大学硕十学位论文 近年来有关雷电侵入波过电压方面的研究很多，因建立的数学模型的不同， 所用到的方法多种多样，目前国内外通用电力系统暂态仿真程序e m t p 进行雷电 过电压的分析和计算【1 7 】【1 8 】。e m t p 是国际上通用的一种数字程序，是当今世界上 应用最广泛的研究电力系统暂态过程的程序，其原型是由加拿大哥伦比亚大学的 d o m m e l 教授开发的。e m t p 是计算电磁暂态过程的通用程序，同时也设有稳定状 态下的解，因此可以解决电力系统中许多稳态和暂态过程的计算，诸如过电压计 算、系统的故障分析、交直流联合电力系统中暂态现象的研究乃至某些高压试验 的校验计算和铁磁谐振研究等。我国于1 9 8 1 年引入该程序，在许多项目上都使用 了e m t p 程序，对电力生产实际起到了不可估量的作用。随着研究的不断深入以 及实际运行经验的不断积累，e m t p 中的程序和各种元件模型也日趋完善，更加符 合实际情况，计算精度也在不断提高。我国超、特高压的防雷保护计算工作都是 基于该程序完成的，建立的仿真模型与实际波过程是否合理决定计算误差的大小。 1 3 本文的研究内容 本文以我国某1 0 0 0 k v 特高压g i s 变电站为工程背景，结合变电站内电气设备 主接线特点和各类电气设备雷电冲击绝缘水平，运用a t p e m t p 程序建立雷电侵 入波的仿真模型，计算分析该变电站在各种运行方式下，可能出现的最大过电压， 并对影响雷电过电压的各种因素进行了仿真分析；并对该变电站的初始避雷器保 护方案作了优化计算。本文的具体内容包括： 1 、雷电过电压计算的数值分析； 2 、建立雷电侵入波过电压的计算模型，包括雷电流、输电线路、杆塔、避雷 器等模型，建议加入线路终端的模拟；并给出各部分模型的计算数据。 3 、结合变电站电气主接线，利用a t p e m t p 搭建雷电波入侵变电站的整体模 型并进行仿真计算，对变电站的运行方式、雷击点等影响过电压的多种因素进行 论证分析；并指出特高压变电站较高侵入波幅值是来源于绕击，这是与5 0 0 k v 及 以下电压等级变电站防雷计算侧重点的不同之处。 4 、针对雷电侵入波对变电站的危害情况，对避雷器的配置方案进行探讨，推 荐优化的避雷器配置方案。 2 雷电侵入波过电压计算的数值分析法 2 雷电侵入波过电压计算的数值分析法 2 0 世纪6 0 年代以来，国内外很多学者先后提出了不同的过电压计算方法，如 行波法( 包括网格法和贝杰龙法) 、差分法、傅氏变换法等，最具有代表性的是道 米尔( d o m m d ) 等人于1 9 6 9 年完成的基于贝杰龙法的b p a 通用电磁暂态程序 ( e m t p ) ，在大型电力系统中得到了广泛的应用【j9 1 。近年来，国内又有不少单位 引进国外e m t p 微机版，并结合雷电侵入波过电压计算的特点编制了一些软件， 为过电压计算提供了实用的手段，比较具有代表性的有清华大学编制的防雷计算 分析程序f l f x 以及复杂变电站波过程的通用计算程序c e t s p 、西安交通大学研 究的变电所侵入波保护程序s s p p 等等。本章主要介绍贝杰龙法计算雷电过电压的 数值分析过程以及基于该分析方法的a t p e m t p 暂态程序。 2 1 贝杰龙数值计算方法 贝杰龙数值计算方法的核心是把分布参数元件等值为集中参数元件，以便用 比较通用的集中参数的数值求解方法来计算线路上的波过程。因此电路中的集中 参数元件l 和c 需要按照数值计算的要求化为相应的等值计算电路。 2 1 1 均匀无损导线的计算电路 研究图2 1 的均匀无损导线，线路的波阻抗为z ，长度为z ，波在导线上传播 一次的时间为f ，首端和末端的电压及电流分别为u t c ( f ) 、u m ( f ) 、( f ) 和0 ( f ) 。 端点上电流的正方向都取为从端点流向线路。根据混合波的概念，首端在t r 时 发出的前行混合波将于t 时刻到达线路的末端，因此线路末端的电压和电流可用 f f 时刻首端的电压和电流表示，即 ( f ) + z 卜i ( f ) 】= “i o f ) + z ( - r ) ( 2 - l a ) 或写成 t m k ( f ) = i 1 ( f ) 一三( f r ) 一( f f ) ( 2 1 b ) 若设 l ( f f ) = 一吉“ ( f r ) 一( f f ) ( 2 - 2 则式( 2 1 b ) 可改写成 9 ( a ) c i r c u i t ( b ) e q u i v a l e n tc i r c u i t 图2 - 1 单相无损导线的等值计算电路 f i g 2 - 1s i n g l e - p h a s el o s s l e s sl i n ee q u i v a l e n tc a l c u l a t i o nc i r c u i t 同样，从反行混合波出发，首端的电压和电流可以用末端在卜r 时刻的电压 和电流表示，即 ( ，) 一z k ( f ) - u 。o f ) 一z 【- t o f ) 】 ( 2 4 a ) 或写成 ( f ) = 三( ；) 一三“，( f f ) 一k o f ) ( 2 - 4 b ) 若设 l k ( t - - t ) = 一吉“。( t - r ) - 女o r ) ( 2 5 ) 则式( 2 4 b ) 可改写成 ( f ) = 吉蚝( f ) + 厶。一f ) ( 2 - 6 ) 根据上式可得端点k 在t 时刻的等值计算电路，如图2 1 ( b ) 的左端所示。图 中电流源i k ( t - r ) 可以根据式( 2 5 ) 由端点m 在t - r 时刻的电压和电流求得。 如果进一步把对式( 2 6 ) 进行递推计算的结果 代入式( 2 8 ) ， 代入式( 2 5 ) ， o r ) = 吉“。( f r ) + 厶( f 一2 f ) 厶 则式( 2 9 ) 进行递推计算的结果 1 t ( ，) = 吉甜。( f ) + l ( f f ) 厶 可得等值电流源的递推公式 l o ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 2 雷电侵入波过电压计算的数值分析法 i ( t - r ) = 一号( 卜r ) - i k ( t - 2 f ) ( 2 9 ) 6 ， i k ( t - r ) = - - 歹u ( t - r ) - i , ( t - 2 f ) ( 2 1 0 ) 此o c l , ( t f ) 7 0 1 k ( t r ) 均可以由f f 时刻k 和m 点的电压以及f 一2 r 时刻的 和厶决定，不必再计算出端点的电流k ( f f ) 和( f f ) ，这就可以使计算更为 简便。 2 1 2 集中参数元件的等值计算电路 ( 1 ) 电感的等值计算电路 如图2 - 2 ( a ) 所示，集中参数电感l 、电感上的电压( f ) 和流经电感的电流( f ) 间显然存在以下关系 归三掣( 2 - 1 1 a ) 或写成 吒( f ) = _ 1 叱( t ) d t ( 2 一ll b ) l k j 掣! 广r y 、n mk ( a ) 电路图 蚶t ) l t r l = 2 l a t ( b ) 等值电路 ( b ) e q u i v a l e n tc i r c u i t u t ) m 图2 - 2电感的等值计舁电路 f i g 2 - 2i n d u c t a n c ee q u i v a l e n tc a l c u l a t i o nc i r c u i t 用数值计算法求解时，需把时间划分为一系列时间间隔a t 很小的时段，根据 f a t 时刻的叱( t - a t )i 拥( t - a t ) 来求t 时刻的( f ) 和( f ) 。为此把式( 2 - l l b ) 改写为从t a t 到t 的积分形式 & 吒= 圭f _ 血纵f ) a t ( 2 - 1 2 a ) 即 北京交通大学硕士学位论文 ( f ) 一o 一出) = z 1 由“c ( f 渺 ( 2 - 1 2 b ) 对式( 2 1 2 b ) 右边用梯形法进行数值积分后可得 乞( f ) = o 一f ) + 瓦a t 【o 一& ) + 蚝( f ) 】 ( 2 1 3 a ) 考虑到( f ) = 蚝( t ) - - u 。( f ) ，上式可写成 、 ( f ) = ( f a