高海拔超高压变电站过电压与绝缘配合

3.1 雷电流模型
雷电放电本身具有很强的随机性和区域性， 会受到各地地形、 地质和气象等诸多自然条 件的影响；另外，测量技术水平和测量手段存在很大差异，因此，直至目前，世界各国关于 雷电流波形参数（包括幅值、波头和波尾时间） ，尽管在基本规律取得一定的共识，但具体 数值仍存在分歧。 为了能够定量的分析雷电流， 有必要对典型的雷电流波形进行研究， 抽象归纳出其波形 的数学表达式。Stekolnikov、Bruce 和 Golde 三人于上世纪中叶，同时提出了双指数表达 式，如下所示：
u
n u0 Hn
（公式 2）
式中： u0 ——标准气象条件下绝缘放电电压，kV；
u ——实际放电电压，kV； ——相对空气密度，标准气象条件下为 1； H ——空气湿度校正系数； n ——指数，与绝缘长度有关。
由以上公式可知， 在高海拔地区绝缘子串的放电电压会有所下降。 阿海水电站的海拔高 度为 1500m，本次计算中考虑海拔及气象条件对外绝缘放电电压的影响，计算中进线段按 30 片绝缘子计算。取 30 片 XP-16（每片高 155mm）的绝缘子计算，其正极性伏秒特性为：
表 6 一机一线、不带母线雷击#1 塔横担方式下主要电气设备过电压的幅值 主要电气设备 L=400m L=600m L=800m L=1000m CVT 1370 1358 1332 1295 DS 1370 1360 1329 1216 CB 1241 1250 1189 1200 CT 1375 1361 1331 1217 VT 1378 1362 1332 1218 主变 1555 1546 1529 1506
高海拔超高压变电站过电压与绝缘配合
摘要：我国水电资源主要集中在西部高海拔地区，因此未来西部水电厂与变电站都将
面临高海拔高度所带来的问题。 高海拔地区变电站过电压与绝缘配合的关键在于其过电压计 算。本文通过对高海拔电气绝缘进行修正计算、变电站雷电过电压计算、操作过电压计算得 出相应的限制措施。
关键词：高海拔、超高压变电站、过电压、绝缘配合 一、概述
表 1 不同条件下的一机一线运行方式 雷击杆塔号 #0 #2 #2 #1 #1 #1 #1 雷击点 横担 横担 横担 横担 横担 横担 横担 运行方式 发电机 G1—换流站一回线—不带母线 发电机 G1—换流站一回线—不带母线 发电机 G1—换流站一回线—不带母线 发电机 G1—换流站一回线—不带母线 发电机 G1—换流站一回线—不带母线 发电机 G1—换流站一回线—不带母线 发电机 G1—换流站一回线—不带母线 终端塔跨距 L（m） 400 400 400 400 600 800 1000 程序号 程序 1 程序 2 程序 3 程序 4 程序 5 程序 6 程序 7
程序 3：换流站一回进波（无其它线接入） ，不带母线，仅有一台发电机 G1 运行，雷
击#2 杆塔塔顶避雷线，L=400m。 主要电气设备的过电压幅值如表 4 所示：
表 4 一机一线、不带母线雷击#2 塔横担方式下主要电气设备过电压的幅值 主要电气设备 设备过电压幅值（kV） CVT 915 DS 912 CB 910 CT 907 VT 905 主变 904
3.3 雷电过电压计算与绝缘配合
依据前面所得出的雷电过电压波形、 主要电气设备的基本模型参数， 并根据甲方给定的 布置图，以及进线端的电气长度后，依照某水电站主接线图，对以下方案分别构造其数值仿
真图并记录运行结果。 变电站有多种运行方式，经分析，一机一线运行方式是雷电过电压最严重的情况，本文 只对此种情况进行分析。现拟定了一机一线几种不同情况下的雷击过电压计算方案。
三、雷电过电压与绝缘配合
电力系统中 500kVGIS 水电站，对于雷电过电压冲击应有一定的承受能力，雷电过电压 超过这个承受能力，将导致水电站不能安全可靠运行，因此，对于雷电过电压的研究有着极 其重大的意义和价值。 运行经验和大量统计数据表明， 雷击线路的概率远高于雷直击水电站 的概率，因此，在考虑水电站的雷电侵入方式时，主要考虑的是雷电侵入波。
Ka
1 1.1 H 104
（公wk.baidu.com 1）
式中：H 为设备安装地点的海拔高度，单位为 m.
2.1.2 绝缘子串放电电压的高海拔校正
参考 DL-T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中关于气象条件的校正 规则，当外绝缘所在地气象条件异于标准气象条件时，放电电压可按下式校正：
IEC 所规定供分析用的雷电流解析表达式如下所示：
i (0, t ) (
I0 k t ) s exp( ) 1 k s 2
（公式 5）
其中： 为峰值电流修正系数（当 1 ， 2 / 1 1 时 取 1） ， I 0 为峰值电流，
ks t / 1 是电流陡度因子， n 一般取为 10.上式是依据传输线模型和霍德勒（Heidler）模
2.2 高海拔地区雷电过电压绝缘强度修正计算 2.1.1 常用的绝缘强度海拔校正方法
根据 GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》中规定，对用于海拔高于 1000m，但 不超过 4000m 处的设备的外绝缘及干式变压器的绝缘，海拔每升高 100m，绝缘强度约降低 1%， 在海拔不高于 1000m 的地点试验时， 其试验电压应按本标准规定的额定耐受电压乘以海 拔校正因数 Ka：
比较程序 1、2、4 所计算的主变上雷电过电压幅值，发现雷击点落在 1#杆塔，雷击过 电压最为严重。这是由于#1 塔离#0 塔距离相对近些的缘故。后续计算中，将只就雷击在 31 塔情况进行讨论。
程序 5、6、7：换流站一回进波（无其它线接入） ，不带母线，仅有一台发电机 G1
运行，雷击#1 杆塔 L 分别为 400m、800m、1000m。 主要电气设备的过电压幅值如表 6 所示：
我国水力资源分布有着非常明显的区域性， 水力资源主要分布在西部， 而耗电大户主要 在东部，这使得我国水力资源密集区和耗能密集区不相匹配。从装机容量来看，我国目前水 力资源的开发程度还不到 20%，而这其中西部的水电开发程度又只占其中的 11.41%，可见， 西部地区有大量的水力资源有待开发。 我国西部地区主要位于青藏高原和云贵高原上，海拔高度均在 1000m 以上，高海拔高 度成为这一地区水电站及电网的显著特点。 因此， 高海拔超高压变电站过电压与绝缘配合对 于保证这一地区水电站及电网的安全可靠运行有着重大意义。 目前， 国内外对高海拔空气间隙放电研究已经起步， 但主要是针对于海拔高度在 2000m 以下。而更高海拔高度下（2500~4000m）的空气间隙放电试验及海拔修正的方法尚属空白。 本文主要根据《中华人民共和国电力行业标准》中的规定进行高海拔的绝缘强度修正计算。
程序 1：换流站一回进波（无其它线接入） ，不带母线，仅有一台发电机 G1 运行，雷
击#0 塔横担，L=400m。 主要电气设备的过电压幅值如表 2 所示：
表 2 一机一线、不带母线雷击#0 塔横担方式下主要电气设备过电压的幅值 主要电气设备 设备过电压幅值（kV） CVT 910 DS 908 CB 906 CT 907 VT 904 主变 898
二、高海拔地区绝缘强度的确定 2.1 大气压强与击穿电压的关系
1889 年，物理学家巴申（F.Paschen）从大量的实验结果中总结出了气隙击穿电压与大 气压强 p 及极间距离 d 的关系，这种规律成为巴申定律。
图 1 巴申曲线
由巴申曲线可以看到，当气隙长度 d 一定时，击穿电压与大气压强的关系是成先反相 关后正相关的关系。 在地面附近及本文讨论的高海拔地区， 大气压强均处在巴申曲线的右半 支，即击穿电压随大气压强的减小而减小。即从定性角度来分析，输电线路的绝缘强度随着 海拔高度的升高而减小。
说明：CVT 电压互感器、DS 电流互感器、CB 隔离开关、CT 断路器、VT 变压器。
程序 2：换流站一回进波（无其它线接入） ，不带母线，仅有一台发电机 G1 运行，雷
击#2 杆塔横担，L=400m。 主要电气设备的过电压幅值如表 3 所示：
表 3 一机一线、不带母线雷击#2 塔横担方式下主要电气设备过电压的幅值 主要电气设备 设备过电压幅值（kV） CVT 1312 DS 1240 CB 1205 CT 1238 VT 1220 主变 1525
通过上述数据可知： 雷击点选在横担上比在塔顶上雷击过电压更为严重； 跨距越短雷电 呀幅值越高。
3.4 限压措施的探讨
通过与变电所的雷电侵入波的分析可知，主变上的雷电过电压幅值 U 由下式决定：
U U R 2a
S v
（公式 6）
式中，U R 是 MOA 上的残压，a 是雷电波的波前陡度，S 是主变与 MOA 之间的距离，v 是 雷电波波速。 由上式可知， 降低 MOA 的残压， 缩短 MOA 和主变之间的距离是降低雷电过电压幅值的两 个措施。对于生产 MOA 的厂家来说，MOA 的规格是统一的，降低 MOA 的残压是不可行的。因 此，本文将就缩短 MOA 和主变之间的距离进行探讨。 从过电压角度及 MOA 上能量角度分析可得， 缩短主变与 MOA 的距离 S 是降低主变上雷电 过电压幅值的有效措施。考虑到变电站的实际布置，MOA 与主变之间的距离不能过于缩短， 应按实际情况进行布置。
型并结合实测数据综合归纳出来的，其中
ks t 决定了雷电流波形的上升沿， exp( ) 决 1 ks 2
定了雷电流波形衰减部分。在 IEC 所推荐的雷电流模型，很好地反映了雷电流的各种特征 值。
3.2 最大雷电流
最大雷电流的规定对于雷电过电压的计算和绝缘配合裕度的设定有着重要的作用， 其大 小取值既要着眼于当地的雷电流分布概率情况， 又要考虑投资成本， 满足电力系统建设的经 济安全要求。 世界各国根据本国的实际情况所取得的雷电流幅值是不同的： 对于超高压电力 系统，日本最大雷电流幅值选取 150kA，西欧一些国家取 250kA。根据我国的经济情况和经 由大量实测数据总结拟合出的雷电流幅值分布概率， 我国规定在工程计算中最大雷电流计算 值应在 210～230kA 范围内取值，与之相对应的雷电流幅值分布概率为 4.11‰～2.43‰。
四、操作过电压与绝缘配合
电力系统中常见的操作过电压有： 中性点绝缘电网中的间歇电弧接地过电压； 开断电感 性负载过电压；开断电容性负载过电压；空载线路合闸过电压等。 首先，中性点绝缘电网中的间歇电弧接地过电压在中性点直接接地的电网中并不明显； 其次，由于变压器一般有 MOA 进行保护，切电感性负载过电压较小，不予考虑；第三，断 路器的整体性能大大提升使得切空线过电压的幅值和出现的概率大大减小， 可以忽略。 最后， 超高压远距离输电线路的电容效应会引起很大的工频电压升高， 在此基础上将出现幅值很高 的合闸过电压。因此，超高压电网中操作过电压计算将主要考虑空载线路合闸过电压。 空载线路合闸主要有以下三种类型：合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸。经过大量 实验可以得出上述三种操作产生操作过电压的数值大小关系， 由高到低排列如下： 三相重合 闸过电压，合闸过电压，单相重合闸过电压。根据相关文献，超高压系统是禁止使用三相重 合闸的。因此超高压电网中操作过电压计算将不考虑三相重合闸过电压和单相重合闸过电 压。以下计算讨论中，空载线路合闸过电压即指合闸过电压，不考虑重合闸，并简称为合空 线过电压。 水电站运行方式通常有一机一线、二机一线、多机一线、一机多线等，其中一机一线的 合空线过电压最为严重，因此本文只就一机一线合空线过电压进行讨论。
i AI m exp t exp t
（公式 4）
式中， 和 为常数，如图 2-1（a）所示为双指数等值波形，是由时间常数不同的两 个指数函数叠加而成的，通常情况下 。
（a）双指数等值波形 （b）波头与波尾时间定义 图 2 雷电流双指数模型波形示意图
程序 4：换流站一回进波（无其它线接入） ，不带母线，仅有一台发电机 G1 运行，雷 击#1 杆塔横担，L=400m。 主要电气设备的过电压幅值如表 5 所示：
表 5 一机一线、不带母线雷击#2 塔横担方式下主要电气设备过电压的幅值 主要电气设备 设备过电压幅值（kV） CVT 1370 DS 1370 CB 1241 CT 1375 VT 1378 主变 1555
u50% (t ) 2400 800e

t 4
1600e

t 1.5
2000e

t 0.8
1700e

t 0.25
(公式 3)
2.1.3 高海拔地区操作过电压绝缘强度修正计算
对于高海拔地区的输电线路来说， 由于空气击穿电压的降低， 输电线路的绝缘强度会降 低，但经查阅相关文献，电力设计院在设计高海拔地区的输电线路的时候，会考虑到这个因 素，调整绝缘距离以保证绝缘强度维持在规程所规定的 2p.u（相电压幅值的 2 倍） 。因此， 在研究高海拔地区输电线路的绝缘强度时，采用规程要求的 2p.u。 对于高海拔地区的电气设备来说， 将采用与高海拔地区雷电过电压绝缘强度修正计算一 致的 GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》进行修正计算。