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Journal of Applied Sciences 8 (18): 3298-3301, 2008

ISSN 1812-5654

O 2008 Asian Network for Scientific Information

雷电浪涌对高压变电站避雷器放置的影响

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M.Z.A. Ab Kadir and A.M. Azmi

Department of Electrical and Electronics Engineering，Faculty of Engineering，Universiti Putra Malaysia，43400 Serdang，Selangor，Malaysia

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摘要：本研究概述了用于高压变电站建模中的模型细节，并使用PSCAD/ EMTDC软件对雷电浪涌对高压变电站避雷器放置的影响进行分析。 模型参数和变电站布局设计来源于由Tenaga Nasional Berhad（TNB）提供的位于马来西亚柔佛巴鲁的132千伏变电站。本模型以单相线模型为基础，因能够代表变电站暂态分析仿真而被IEEE提倡。本文的结果将是藉由变电站特定点电压量级测量得出的击穿电流和避雷器放置效果的预测结果。

关键词：绝缘配合；闪电；避雷器；PSCAD/EMTDC

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介绍

雷电干扰主要发生在架空线上，是供电行业最早出现的问题。线上产生的过电压朝终端或变电站传播并可能造成损坏，特别是对诸如变压器等昂贵的设备造成损坏。鉴于其重要性，成本和内部维修困难，大型变压器对雷电过电压的防护通常被着重考虑。东南亚特别是马来西亚的闪电活动排在世界前列。马来西亚的Tenaga Nasional Berhad Research（TNBR）在马来西亚使用闪电侦测网络系统（LDNS）记录了高达320 kA的雷电冲击电流。每年，雷电的毁灭性影响能造成百万美元价值的损失，包括电力系统。马来西亚传输线路的跳闸主要是由雷电引起的，约为70％。

因此，迫切需要进行对绝缘配合研究的深入了解的战略规划，从而能保护尤其是变电站部分的重要设施。闪电过电压是上升沿陡峭的过电压，到达峰值的时间为0.1-20毫秒。对于变电站，屏蔽故障、回击和感应过电压会产生影响变电站设备的浪涌电压。

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闪电感应电压一般在400kV以下，仅适用于较低电压系统。由反冲引起的浪涌比由屏蔽故障引起的的冲击更严重。当这些浪涌自雷击点抵达变电站时，电晕会降低闪电上升沿的陡度和波峰幅值。 屏蔽线对波的传播有显着影响。在每个塔架上接地的屏蔽线使得地模波分量的传播速度非常接近导模分量。由回击引起的浪涌的大小范围为绝缘线的正极性临界闪络电压（CFO）的0到120％。上升沿陡度是导体尺寸即回击位置与站之间的距离（IEEE Power Engineering Society，1999）的函数。

本研究的目的是对高压变电站进行建模，对使变压器击穿的电流量级的预测进行分析，确定变电站避雷器放置的影响。 这将通过将接近变压器测量出的电压量级与推荐的实用的基本绝缘量级（BIL）值进行比较来完成。

图1：变电站模型的个例研究

系统建模

本研究的重中之重是为雷电浪涌分析建立一个高压变电站模型。这种建模必须包括塔，电力线，塔脚接地电阻，雷电，变电站设备和绝缘配合。图1显示了变电站的建模方案，采用了个例研究并且以TNB的132 kV变电站的实际配置为基准。雷击点位于靠近变电站的塔楼。塔距变电站入口50米。点El测量了雷电的入户电压，点E2是避雷器的连接点（POC），其中预期电压在通过电容式电压互感器之前被钳位，标记为。 E3和E4分别是第二个避雷器，SA2和电源变压器，分别标记为。关于模型的具体细节的进一步描述在表1中。

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表1：变电站模型实例研究

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表2：TNB计算电容值与IEEE推荐电容值间的比较

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表2描述了TNB计算方法与IEEE推荐的基于115 kV美国变电站系统模型的电容值比较。对于本研究，TNB的电容器值计算方法适用于系统建模，因为它基本符合IEEE WG 3.4.11（1992）的推荐值也切合实际的分析。 各变电站设备之间的距离如下：

Tbdquo;,	= 3 0 m	Tbdquo;bdquo;	= 4.0 m	Tbdquo;,	= 14 5 m
Tbdquo;,	= 3 5 m	Tbdquo;bdquo;	= 4.5 m	Tbdquo;bdquo;	= 3.0 m
Tbdquo;,	= 3 5 m	Tbdquo;bdquo;	= 3.0 m	Tbdquo;	= 3.0 m
Tbdquo;,	= 3 0 m	Tbdquo;bdquo;	= 3.0 m	Tbdquo;bdquo;	= 5.0 m

避雷器建模

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在文献中的其他地方已经描述了几种避雷器模型（IEC，1993; Martinez和Castro-Aranda，2004; IEEE WG 3.4.11,1992）。 大多数避雷器模型必须包括如图2所示的两个非线性电阻AO和A1与其他组件的组合。 然而对于不同的方法，它基本上是使用不同的集总参数配置。 本工作采用IEEE WG 3.4.11（1992）推荐的频率相关避雷器模型。 该模型如图2所示，它被称为基于单相线模型的最准确的表示（Goudarzi和Mohseni，2004）。 IEEE WG 3.4.11（1992）阐述了参数调整过程。

图2：IEEE频率相关模型

结果与讨论

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冲击现象：

目前有两种情况在临界条件下被考虑; 当避雷器1（SAI）不工作时，以及两个避雷器（SAI和SA2）都不工作时。 这个研究是为了展示在近年来公用事业公司报告的破坏案例中的浮动避雷器（避雷器与变电站接地之间的铜导线缺失）的影响。

表3显示了没有安装SAI情况下的数据。 随着电流的增加，电压量级也增加了。马来西亚TNB用于132 kV额定变压器的BIL为550 kV。 因此，当雷电电流达到144 kA时，可以估计电容式电压互感器损坏的概率。

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表4显示了两个避雷器都不工作的情况下的数据。 这是可能发生的最糟糕的情况，涉及对避雷器的破坏行为。 对于电容式电压互感器，据估计33kA的电流可能会造成损坏，而对于电力变压器，31 kA的电流已经能导致设备故障了。

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避雷器放置的影响：

表5显示了变电站避雷器放置的影响。第一种情况，SA2放置在电力变压器前8m，而不是只有5m的真实位置。对于8m的距离，表5a示出了与原始放置的表5c中的结果相比，点E4处的电压量级略高。而对于距离11m的SA2而言，在点E4处的电压量级也增加，如表5b中的数据所示。几千伏的差异，可能很难得出结果。然而，这是一个能判定合适绝缘配合研究的好依据。 在这种情况下，将避雷器放置在正确的位置是非常关键的，没有相关知识的话，很难做出正确决定。

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表3：没有安装SAT的情况

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表4：两个避雷器都不工作的情况下

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表5：浪涌阻滞安置效果

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结论

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成功提出了高压变电站的详细建模指南和参数。 第一部分的结果清楚地表明，如果没有避雷器在运行或用于保护，即使在低电流值下雷电浪涌的影响也是非常危险的。 总的结果表明，想从可靠性和成本效益方面优化变电站的性能的话将防护装置置于正确的位置是至关重要的。 换句话说，这种避雷器必须尽可能靠近要保护的设备，否则会造成设备的严重损坏。

致谢

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作者衷心感谢Tenaga Nasional Berhad的工程部（输变电）的合作和各种技术资料的供应。

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参考文献：

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CIGRE., 1991. Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines. CIGRE Brochure, pp: 63. http://www.e-cigre.org/Order/ select.asp?ID=67.

Goudarzi, A. and H. Mohseni, 2004. Evaluation of mathematical models of metal oxide surge arrester for energy absorption study. 39th International Universities Power Engineering Conference, September 6-8, Bristol, UK., pp: 211 -21 4.

IEC, 1993. Insulation coordination Part 1: Definition, principle and rules. IEC 71-1: International Standard. ICS Codes: 29.080.30. URL: http://webstore. iec.ch/ webstore/webstore.nsf/artnum/035460.

IEEE Power Engineering Society, 1999. IEEE Std. 1313. 2-1999: Guide for the application of the insulation coordination. ISBN: 0-7381-1 761-°. URL: http://ieeexplor e.ieee.org/servlet/opac?punumber=6 547.

IEEE WG 3.4.11, 1992. Modeling of metal oxide surge arresters. IEEE Trans. Power Delivery, 7: 302-309.

Martinez, L.A. and F. Castro-Aranda, 2004. Modeling overhead transmission lines for line arrester studies. IEEE Power Engineering Society General Meeting, June 6-10, Colorado, USA., pp: 1125-1130.

Woodford, D., 1998. PSCAD/EMTD C: Getting Started Manual. Version 3. Manitoba HVDC Research Centre Inc., Canada.

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