长寿500kV变电站AIS雷电入侵波保护和绝缘配合分析计.docx
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长寿500kV变电站AIS雷电入侵波保护和绝缘配合分析计
四川工业学院学报
JournalofSichuanUniversityofScienceandTechnology
文章编号:
100025722(1999022*******
收到日期:
1998208220
3戴玉松,四川工业学院电子信息与电气工程系,成都,邮编:
611744
长寿500kV变电站(AIS雷电入侵波
保护和绝缘配合分析计算
戴玉松3
电力学教研室
摘 要:
使用较精确的多相线等值模型(可计算冲击电晕条件下的变电站暂态问题,对长寿500kV变电站的雷电入侵波保护进行了较准确的计算。
其结果已提供工程设计采用。
关键词:
变电站;冲击电晕;暂态计算;过电压
中图分类号:
TM866;TM632 文献标识码:
B
超高压变电站在电力系统中地位重要,投资巨大,为保护其安全稳定运行,免受雷电危害,必须
进行雷电入侵波保护和绝缘配合分析计算。
我们已推出了较精确的多相线等值电路模型〔1〕
对多个500kV变电站,开关站进行了分析计算,现受四川省电力局委托,对长寿500kV变电站进行了分析计算,其结果已为工程采用。
1 计算原理
超高压系统在过电压波的作用下,电压达到电晕起始值时,导线表面气体游离放电,形成一个电晕套,相当于增大了导线半径,即改变了线路电容参数,但电晕套对轴向导电性能几无影响,电流基本上沿金属导体流动。
电晕套的出现,并不改变线路电感参数,线路的电容参数是空间,时间和电压的函数,c=c(x,t,u,单相输电线微分方程成为
25u5x=L5i5t
+Ri-5i5x=c(x,t,u5u5t+Gu(1
多相输电线方程为
2
5u5x=L5i5t
+Ri-5i5x=C(x,t,u5u5t
+Gu(2
式中u=u(x,t,i=i(x,t分别是线路电压列矢量,电流列矢量。
L、C、R、G分别是线路电感矩
阵,电容系数矩阵,电阻矩阵,电导矩阵。
其中电容系数矩阵C(x、t、u是线路电位系数矩阵P(x、
t、u的逆阵,冲击电晕的存在只改变P矩阵的对角线元素,而不改变其非对角线元素。
方程(1、
(2是双曲型拟线性微分方程组,难于推出其解析式解答,只能用数值解,可把时间
轴和空间轴离散成多个离散点,时间步长和空间步长分别是Δt、Δx。
时间轴离散点为t0,t0+Δt、t0
+2Δt,……。
线路从首端到末端等分成n段(图1,空间步长是Δx。
只要Δt、Δx、足够小,就可达到
一定的计算精度。
对于线路各空间分点,只要知道初始时刻t0的值,就能计算t0+Δt时刻的值,类似地,又能计算t0+2Δt时刻的值,……,最后达到预定的计算步数。
图1 输电线上离散点的确定
上述计算分两类问题,第一类问题是线路边界点的计算(即图1中的0点和n点,我们推出了一个多相线等值电路,则可把分布参数电路变成等值集中参数电阻网络,把微分方程问题变为代数方程问题,便于求解。
等值电路可以和EMTP程序接口,可求解任意复杂网络暂态问题,而可避免复杂的边界条件问题处理。
第二类问题是线路除边界点外的其余各空间分点的
电流、电压的计算(图1中的1至n—1点。
对于这些点的电流,电压要使用差分法进行求解,把微
分变成差分(dx、dt变成Δx、
Δt,微分方程(1,(2变成差分方程,推出一定差分公式,递推求解。
以三相输电线为例,对某一计算步,在线路末端有
u=z(x,t,u・i
(3图2 三相线终端等值电路
u、i分别是三相线电压、电流列矢量,z为三相
线波阻抗矩阵,其对角线元素是自波阻抗,冲击电晕要影响其变化,非对角线元素为互波阻抗,其值基本上不受冲击电晕影响,Z矩阵元素由线路几何尺寸决定,冲击电晕的电晕套半径可由线路伏库特性的经验公式求出,但电压值应是线路总电压,而不是单独为正向行波电压或反向行波电压确定。
对于某一计算步,线末端Z矩阵算出之后,则可计算
Y=Z21=
y11
y12y
13y21y22y23y31
y32
y33
(4
图3 在XOt平面上的矩形网格
则可以计算该时间步线路末端的等值电路如图2
(详细推导见文献[1]。
其中,i1λ、i2λ、i3λ是该时刻流入线路终端的电流,i61、i62、i63为终端该时刻三个入射电压波定义的一个电流。
例如
i61=y11u1+y12u2+y13u3
(5由于三相线路终端电压在暂态过程中不断波动,每一计算步都要用数学选代法计算Z参数矩阵。
同理可以推导线路首端等值电路。
这两个电路反映
了线路边界点的电压、电流关系,则可与按贝杰龙法编成的EMTP程序的各类元件等值电路接口,
形成通用程序,这样既便于使用,又可避免复杂的边界条件处理。
5第18卷第2期 戴玉松:
长寿500kV变电站(AIS雷电入侵波保护和绝缘配合分析计算
除开线路端点外的其它空间分点(图1,在暂态过程中的电压、电流在不断波动,当线路参数
非线性时,方程(1、
(2用差分法求解,在xot平面上,把时间轴,空间轴离散化,空间步长及时间步长分别是Δx,Δt(图3,由偏微分方程特征理论及计算方法,多相线拟线性方程组(2的对称差分格式公式如下〔
2~4〕
un+1j=12
〔unj-1+unj+1+ΔtΔxPn+1j(1-ΔtL-1R(inj-1-in
j+1〕in+1j=12
〔(1-ΔtL-1R(inj-1+inj+1+ΔtΔxL-1(unj-1-un
j+1
〕(6
式中P=C21,为线路电位系数矩阵,1为单位阵,当知道第n步各空间分点电流电压时,就可计算
第n+1步P点的电流,电压值。
但P点电压、电流还未算出来,Pn+1j不能定,则可取Pn+1
j
≈Pnj,计算出P点的电流、电压后又可计算Pn+1j
经多次迭代可计算P点电流、电压的较精确值,(6式是方程(2的解答,能计算冲击电晕时的多相线空间分点的电压、电流。
上述计算方法的详细说明可参看文献〔1〕。
2 长寿500kV变电站(AIS的雷电入侵波计算
长寿500kV变电站联接重庆陈家桥变电站和万县变电站,一次接线图如图4所示,为11
2
接线图4 长寿500kV变电站接线方式(500k部分
方式。
变电站初期运行,投入设备,线路少,电容小,雷电流分流情况差,过电压高,这是较危险的运行方式。
这些方式能承受雷电入侵波冲击,其它运行方式就没有问题。
长寿500kV变电站初期接线方式如图5所示。
在图5的电路图中,两母线间只有一串开关接通。
旁边有一临时联接的跨接线,并带两个隔离开关,随着系统发展,逐步完成其余设备安装。
按此初期接线图,我们计算了四种运行方式(图6
下面以过渡接线(2运行方式为例,其等值电路图如图7所示。
图中B为避雷器,Y为电压互感器,G为隔离开关,CT为电流互感器,
S为断路器,T为变压器。
因为雷电入侵波等值
频率较高,维持时间很短,通常10μs左右则可算出过电压幅值。
则变电站设备如变压器,隔离开关,断
路器,互感器等,在雷电波作用下,均可等值成冲击入口电容,它们之间有分布参数线段相隔。
计算时,考虑雷击#1塔项,当电压很高时,反击到边相导线,雷电波向站内设备传播。
设备参数为:
主变压器4919PF,电压互感器5000PF,隔离开关为300PF(断开时为150PF,电流互感器为1000PF,断路器为800PF。
设备雷电冲击绝缘水平(BIL:
内绝缘是1550kV,外绝缘是1675kV。
6四川工业学院学报 1999年
图5 长寿变电站初期运行接线方式图
避雷器是ZnO型,应考虑为小电流情况,否则会增大计算误差,伏安特性如表1
表1 ZnO避雷器的伏安特性
11mA2kA5kA10kA20kAV444型(kV597875941159951075V420型(kV
565
826
89415
950
1026
杆塔等值波阻抗是115Ω,波速是210m/μs。
架空地线平均高度是41163m,输电线(边相平均高度是25167m。
避雷线电压晕起始电压为310186kV,输电线电晕起始电压是133417kV,
当线路各离散点电压超过上述值
图6 长寿度电站初期运行方式
图7 长寿变电站(TIS过渡接线方式(2等值电路
时,其伏库特性及波阻抗呈非线性,应按有关公式计算。
雷电流波形为216/50μs,大气雷电通道波
阻抗取300Ω。
图7的计算结果见表2。
表2 节点最大电压值(kV图7的计算结果
#1塔接地电阻Y
7
S12
CT13
T18
Y20
CT22
S23
Y31
36
Y39
10Ω11461363134594292813421367148617751956613
Ω11421198118689388511741211146114371541
表2计算雷电流是230kV,当#0塔接地电阻是1Ω,#1塔接地电阻为613Ω时,变电站各设备均安全。
同样,对变电站过渡接线方式(1,(3,(4计算,只要#1塔接地电阻是613Ω时,变电站各设备均安全。
3 长寿500kV变电站防雷安全估计
由上述的计算,长寿500kV变电站几种运行方
式,只要#0塔接地电阻是1Ω,#1塔的接地电阻是
7第18卷第2期 戴玉松:
长寿500kV变电站(AIS雷电入侵波保护和绝缘配合分析计算
8四川工业学院学报 1999年
613Ω,则变电站可承受230kA雷电流。
随着变电站其它线路的投运,电容增大,雷电流分流条件更好,则变电站更安全。
按照230kA危险电流计算,每年发生雷害的计算公式为:
N=01015×T×h×n×(l/100×p×g
式中,N为变电站每年平均雷害事故概率次数;
T为年雷电日,42天;
h为避雷线平均高度,41163m;
n为出线回路数,n=1; g为击杆率,g=1/4;
l为进线段长度,2km;p为超过危险雷电流概率。
p有两个公式,p=10(-I/108,和p=10(0105-I/74,前一个是规程公式,后一个是220kV新—杭线上实测公式,与国际大电网会议推荐的公式一致,雷击#1塔危险电流是230kV危险雷电流。
按规程公式计算1/N是安全运行年数,当雷电流I=230kA时,安全运行年数是1028年,而东北东丰500kV变电站是1010年。
若按新—杭线概率分布公式,安全年还要多。
根据IEC有关资料,变电站安全年取400~800年,因而按上述计算,可以认为长寿变电站是安全的。
4 结论
(1本文使用了一种较精确的多相线值电路模型,与过去的线性线路模型比较,有较高的计算精度,从理论上讲,是目前较为精确的计算方法。
(2使用较精确的多相线模型,对长寿500kV变电站工程进行了计算,得出的结论为工程采用。
参 考 文 献
〔1〕戴玉松,颜怀梁1考虑冲击电晕时的一种多相线等值电路模型1中国电机工程学报,1997,17(5
〔2〕吴维韩,张芳榴等著1电力系统过电压数值计算1北京科学出版社,1989
〔3〕陈恕行编1偏微分方程概论1北京高等教肓出版社,1981
〔4〕李荣华,冯果忱1偏微分方程的数值解1北京教育出版社,1980
・CH・
ComputationofLightningImpulseWavesandInsulationCoordinateAnalysisinthe500kVSubstation(AISChang2Shou.
DAIYu2song
DepartmentofElectronicInformationandElectricalEngineering
Abstract:
Thispaperusesanequivalentcircuitmodelofthemultiphasetransmissionlines(thismodelcanbeusedtocomputethetransientproblemsofsubstationsoffectedbycoronatocomputetheproblemsoflightningimpulsewavesofthe500kVSubstationChang-Shouaccurately,whichisusefulforsubstationengi2neering
KeyWords:
Coronacausedbysurges;transientcalculation;overvoltage
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