基于电磁暂态程序的发电厂的防雷保护仿真

杨大川　　(青海大学水利电力学院,　西宁　810016)

基于电磁暂态程序的发电厂的防雷保护仿真

杨大川
(青海大学水利电力学院,西宁810016)

发电厂是电能产生的中心，对于发电厂的保护关系到整个电力系统运行的稳定。本文基于电磁暂态仿真计算程序ATP-EMTP，选取了合适的电气设备及恰当的电气布局，对35kv的某发电厂进行仿真分析计算，从而对于日后的发电厂防雷保护工作提供参考。

发电厂；电磁暂态仿真计算程序；避雷器模型；电磁式电压互感器

1　　引言

众所周知，发电厂是电能产生的中心，在整个电力系统中扮演者生产者的角色，在雷电活动较为频繁的地区，如果对于发电厂的保护不力，那么侵入系统的雷电过电压谐波将会在很大程度上影响电力系统的稳定运行，甚至会造成大范围的、地区性的用电事故，因此，对于发电厂的电气防雷保护则显得格外重要。

发电厂面临的雷害可能来自两个方面：一是雷直击于发电厂,所产生的直击雷过电压直接造成建筑物或户外配电装置的损毁；二是雷击输电线路后产生的雷电波侵入发电厂，对电气设备构成威胁.对两种雷害的不同特点，可针对性地采取措施，能有效防止雷害[1]。采用ATPDraw进行过电压的仿真可根据线路长度等因数设置仿真步长，有较高的精度，针对过电压的电磁暂态程序有较好的仿真效果。本文基于电磁暂态仿真计算程序ATP-EMTP对35KV的某发电厂进行仿真分析计算，从而为日后的发电厂防雷保护工作提供参考。

2　　ATP—EMTP和　ATPDraw的简介

ATPDraw是挪威电力研究院（EFI）于1996年开发的，专用ATP的图形预处理器，能够将用户设计的电路原理图编辑成ATP输入文件，仿真分析电力系统暂态过程响应[2]。ATPDraw的核心是ATP,不同之处是ATPDraw增加了图形化界面,用户只需从模型库中选出所需的电路元件及绘成电路图的工程文件(*.adp)[3]。ATP（选择性暂态程序）可以计算以时间为函数的变量对电力系统的影响，在现阶段，ATP通常包括线性集中参数元件、分布参数和频域参数的电力电线或电缆、非线性元件等，还提供许多模型，包括旋转电机、有饱和和磁滞特性的变压器、避雷器等。

3　雷电波在线路中的传播

雷电波的冲击频率很高，一般波头为780m，在雷电冲击电压下，架空线、电缆线、变压器及其绕组都应按分布参数电路来分析。分布参数电路中的电磁暂态过程就是电磁波的传播过程，简称波过程。波阻抗Z表示同一方向传播的电压波与电流波之间的比例大小。在不同波阻抗线路中波将发生折反射,公式如下所述[4-6]：

其中，α为折射系数，β为反射系数。

若z1＞z1＞z2或者z1＜z1＜z3，则有β1与β2符号相反,u2q为一震荡波；若z1＞z1且z2＞z1,则β1＞0,β1＞0,u2q的波形为逐渐增加的阶梯波。电力系统中的线路大多为网状结构，远比图1所述的复杂的多，其实际中的折反射也相对更为复杂和难以控制。快速准确的计算雷电波多次折反射的过电压所出现的时间与位置是发电厂、线路以及变电站的过电压保护设计及绝缘设计的重要理论依据。

振荡周期与避雷器到变压器的电气距离l和变压器的入口电容有关。这种波形对变压器绝缘的作用接近截波。变压器承受截波的能力为多次(一般指3次)截波耐压值:

根据相关理论，变压器与避雷器间允许的最大电气距离

其中Uj为多次截波冲击耐压值（可通过查表得到），Uc5为避雷器5千安下残压，波速v为300000000米/秒。

4　　避雷器模型

4.1 氧化锌避雷器

本文中使用了氧化锌避雷器。氧化锌避雷器(MOA)主要由氧化锌压敏电阻构成。氧化锌避雷器能够起到很好的防雷作用,这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙,利用氧化锌的非线性特性起到泄流和幵断的作用,造价低廉,性价比高,在电力系统中已经得到广泛应用[7]。输电线路保护用氧化锌避雷器并联在线路绝缘子的两端，用于限制线路上的雷电过电压和（或）操作过电压，提高线路耐雷水平，降低雷击跳闸率[8]。

4.2 Pinceti模型

ATP中避雷器模型可以采用Pinceti模型,在避雷器中电阻片非线性采用多指数函数拟和法,其指数函数表达为[9]

式中Uref是参考电压,通常取2倍避雷器额定电压。p、q参数由避雷器的伏安特性数据来拟和确定,q典型值是20～30,在ATP程序中只要输入伏安特性数据,ATP会自动调用子程序生成分段的p、q参数,从而得到分段的多指数函数[9]。

5　　电压互感器模型

目前，在我国的电力系统中，对于电压互感器，一般有电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器。一般来讲，对于高压范围内的电压互感器，我们普遍使用电容分压式的，但对于中、低压范围内的电压互感器，我们依然使用的较多的是电磁式电压互感器。

5.1 电磁式电压互感器

电磁式电压互感器具有稳定性好、精确度高、事故响应迅速、绝缘不易受潮和造成本较低等优点，在35kv及以下的电力系统中得到普遍使用[10]。电磁式电压互感器的工作原理和变压器相同，其特点主要有两点，一是容量很小，类似于一台小容量变压器，但结构上要求有较高的安全系数；二是二次侧仪表和继电器的电压线圈阻抗大，电压互感器在近于空载状态下运行[11]。

5.2 注意事项

根据文献[11]，我们知道电磁式电压互感器的励磁特性为非线性特性。

在中性点不接地系统中，电磁式电压互感器与母线或线路对地电容形成的回路，在一定激发条件下，可能发生铁磁谐振而产生过电压及过电流使电压互感器损坏，因此应采取诸如选用三相防谐振电压互感器、增加对地电容破坏谐振条件等消谐措施。中性点直接接地系统中，电磁式电压互感器在断路器分闸或隔离开关合闸时，可能与断路器并联，均压电容或杂散电容形成铁磁谐振。为抑制这种谐振现象，不宜在零序回路包括开口三角形回路采取措施[12]。

6　　某35KV发电厂防雷保护仿真计算分析

6.1 概述

该厂属于环保型地方发电厂，共有三台装机，每台机组容量为15MW,6.3KV。通过三台双绕组变压器由6.3KV升压为35KV，容量为20MVA。35KV采用单母线分段，每段母线装设一组电磁式电压互感器和氧化锌避雷器。Ⅰ、Ⅱ组母线各接有一条35KV架空线和系统相连，其主接线图如下图1所示。

6.2变压器的入口电容

当冲击波刚到达绕组时，变压器绕组等效为K0～C0组成的电容链，对首端来说相当于一个等效集中电容，称为入口电容。

式中，C为变压器总的对地电容，单位为F；K为变压器总的匝间电容，单位为F。

6.3 参数给定

计算参数如下

主变压器入口电容：C=1000pF。电磁式电压互感器：C=100pF。

断路器SN-35：C=200pF。隔离开关GN-35:C=100pF。

架空输电线路波阻抗Z=500Ω，波速相当于光速。

6.4 分析与计算

假设此发电厂在任意一条35KV架空线一相遭受随机的雷击来波，则有以下分析计算：

首先我们应考虑运行方式的选择，由于在一线路一母线一变压器的过电压最为严重，而且一向来波基率较两相来波的基率高，那么综合考虑，我们的计算采用一相来波。其次，我们应考虑等值电路，经过分析，可画出等值电路如图2所示

输出数据表格如下（t以雷电波到达1KM进线段处为零时刻）

表1　不同节点电压、电流输出数据

当变电站设有1KM进线段保护和35KV母线各装有一组Y5WZ-51/134型避雷器，站内主要设备过电压值见下表：

表2　一线路一母线一变压器运行方式站内主要设备最大过电压值及出现时间

最后，经过上述分析计算，我们有足够的证据说明该保护可以在一定程度上满足要求。

7　　结论

（1）经过客观分析，基于EMTP的发电厂的防雷保护仿真可以作为发电厂实际防雷保护的参考模型，并且，可以在此基础上进一步的改善。

（2）根据分析结果，我们有足够的理由相信，只要能选用恰当的电气设备和合理的电气布局，那么雷电对于发电厂的冲击影响将会被控制在合理范围以内，即电气设备因雷电引起的过电压值将不会高于其额定的耐压值。

（3）本文是在模拟仿真的情况下得出的结果，在实际运行和操作中，还必须要考虑一定的经济成本和政策要求，因此，我们的防雷保护还需要在未来做进一步的改善。

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杨大川(1994-),男,山东济宁人,青海大学，本科，电气工程及其自动化。