CN108228976B - 典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，包括以下步骤：运用暂态仿真程序建立符合现场实际情况的典型发电厂仿真模型；氧化锌避雷器模型中，设置氧化锌避雷器模型参数；避雷器的额定电压值包括缓波前过电压及快波前过电压；假设该发电厂任一出线端遭受到随机的雷电过电压侵袭，对发电厂电气主接线建模，运行已经搭建好的的典型发电厂仿真模型，观察各参考点的电压波形，验证安装有氧化锌避雷器的发电厂的电气主系统的绝缘和系统稳定性。本发明对发电厂避雷器的数量和位置进行优化选择，按照规程确定设备的绝缘水平，校验其绝缘裕度，为典型发电厂的绝缘配合设计提供指导。

Description

典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别是涉及典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法。

背景技术

发电厂作为电力系统电能的生产者，在电力系统中扮演重要的角色。在我国一些多雷的 地区，发电厂电气设备的绝缘和安全在多雷天气将会面临严重的威胁，鉴于发电厂对电力系 统正常运行的重要性，如何有效保护发电厂电气设备防止雷击过电压的侵扰就显得尤为重要。 而避雷器作为发电厂电气设备防雷保护设计的重要环节，其绝缘配合与配置方案直接影响着 作用于电气设备的雷电冲击水平和设备间安全距离的选择。氧化锌避雷器是具有良好保护性 能的避雷器。利用氧化锌良好的非线性伏安特性，使正常工作电压时流过避雷器的电流极小 (微安或毫安数量级)；当过电压作用于氧化锌避雷器时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量， 起到良好的保护效果。

近年来，国内发电厂避雷器爆炸的事故频出，因此必须正确选择避雷器参数,合理配置数 量和位置，将侵入发电厂的雷电波降低到电气装置绝缘强度允许范围内。我国国内在规划设 计发电厂和变电站时，主要采用经验方法利用指导规程合理安全的配置避雷器和发电厂进线 段保护的数量和位置。这是一种相对简单的规划设计方法，应用简单，但是与实际发电厂遭 遇的雷击过电压及其他形式的过电压相比，仍然存在一定的差异。

目前更多地需要采用电力系统的电磁暂态仿真程序模拟发电厂和大型变电站遭受包括雷 电过电压在内的各种形式的过电压的侵害时，避雷器等绝缘保护装置的绝缘配合性能和抵御 各种形式过电压的能力。

综上所述，现有技术中对于避雷器在发电厂中如何配置的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供了典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的 建模方法，本发明为典型发电厂的绝缘配合设计提供指导。

典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，包括以下步骤：

运用暂态仿真程序建立符合现场实际情况的典型发电厂仿真模型；

氧化锌避雷器模型中，设置氧化锌避雷器模型参数；

避雷器的额定电压值包括缓波前过电压及快波前过电压；

假设该发电厂任一出线端遭受到随机的雷电过电压侵袭，对发电厂电气主接线建模，运 行已经搭建好的的典型发电厂仿真模型，观察各参考点的电压波形，验证安装有氧化锌避雷 器的发电厂的电气主系统的绝缘和系统稳定性。

所述氧化锌避雷器模型参数的确定包括：对于系统标称电压27kV绝缘配合流程为：

确定与氧化锌避雷器设定参数相关的输入量；包括：系统最高电压、污秽等级、海拔、 避雷器雷电冲击保护水平、绝缘距离、铁塔线路数量、档距、雷电性能、可接受的故障率、 架空线的因数。

相关参数定义；

确定代表性过电压：包括工频电压、暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

确定配合耐受电压，包括工频电压、暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

确定要求耐受电压：暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

将缓波前要求耐受电压换算至短时工频电压和雷电冲击电压要求耐受电压；

其中，将缓波前要求耐受电压换算至短时工频电压：包括相对地电压及相间电压；

将缓波前要求耐受电压换算至雷电冲击要求耐受电压：包括相对地电压及相间电压；

标准电压的选取：设备相对地绝缘的标准耐受电压在给出的标准化电压系列数中选取， 选取原则是同时满足雷电冲击耐受电压以及操作冲击耐受电压的外绝缘相电压。

上述确定代表性过电压的目的在于：假设在绝缘上产生与在运行时由于各种原因产生的 某一给定种类的过电压相同绝缘作用效果的过电压。确定配合耐受电压：绝缘结构满足性能 指标的耐受电压值。确定要求耐受电压：在标准耐受试验中，绝缘必须耐受的试验电压以保 证绝缘在实际运行条件下和整个寿命期间内承受给定种类过电压时仍能满足性能指标。配合 耐受电压波形并且规定用按照所选择全部标准耐受实验条件来检验要求耐受电压。

将缓波前要求耐受电压换算至短时工频电压和雷电冲击电压要求耐受电压的原因是：绝 缘水平要用短时工频耐受电压和雷电冲击要求耐受电压表征。

进一步的，所述氧化锌避雷器模型参数的确定包括避雷器额定电压，对于500kV绝缘配 合流程为：

确定与氧化锌避雷器设定参数相关的输入量；

相关参数定义；

确定代表性过电压：包括工频电压、暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

确定配合耐受电压，内绝缘的UCW及外绝缘的UCW均包括工频电压、暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

要求耐受电压：内绝缘的UCW及外绝缘的UCW均包括暂态过电压、缓波前过电压及快 波前过电压；

将短时工频耐受电压换算至操作冲击电压；

其中，换算到短时工频耐受电压包括内绝缘及外绝缘的线路侧及变电站侧的电压；

标准电压的选取：设备相对地绝缘的标准耐受电压在给出的标准化电压系列数中选取， 选取原则是最接近但大于要求耐受电压数值的标准电压值；

相间绝缘配合：确定相间代表性过电压、配合相间耐受电压及要求相间耐受电压；并确 定暂时过电压的相间代表性过电压、要求耐受电压及操作冲击耐受电压。

进一步的，上述步骤中建立符合现场实际情况的典型发电厂仿真模型中氧化锌避雷器的 位置：在发电厂电气出线端、母线侧、同步发电机组及变压器高压侧配置一定数量的氧化锌 避雷器。

进一步的，上述步骤中建立符合现场实际情况的典型发电厂仿真模型中氧化锌避雷器的 位置：在发电厂电气出线端、母线侧、同步发电机组及变压器高压侧配置一定数量的氧化锌 避雷器，另外在GIS内部和分支母线侧还均布置适当的氧化锌避雷器。

进一步的，所述氧化锌避雷器的安装用于实现抑制操作过电压、抑制工频暂态过电压及 降低雷电冲击对发电厂电气主系统的威胁。

进一步的，发电厂电气主接线建模：假设该发电厂任一出线端遭受到随机的雷电过电压 侵袭，首先采用单相来波进行分析，再考虑发电厂电气主接线的等值电路，通过仿真建模， 可得出等值电路，在等值电路中，除同步发电机组，电力变压器，母线的重要电气设备，其 余的电气元件均用对地电容进行等效。

进一步的，所述各参考点的电压波形包括发电厂电源波形，用交流电压源来模拟发电厂 同步发电机组输出的交流电，同步发电机组输出标准的正弦波，通过计算得出电源幅值，频 率为工频；

拟发电厂出线端的雷电流波形：发电厂主系统可能遭受的过电压形式多种多样，包括雷 电过电压、操作过电压及工频暂态过电压。

进一步的，所述典型发电厂仿真模型中各部分电气元件仿真包括：

分布参数线路模型中线路使用分布参数，用波阻抗等效模拟；

同步发电机组模型中，电流源可分为直流电流源以及交流电流源；

雷电过电压(过电流)模型中，组建模型过程中，两个电压源无法同时在一个电路中运 行，所以侵入雷电波需采用电流源模型；

对地电容模型中，在电路图中的断路器，隔离开关以及变压器入口电容都可用电容模型 模拟；

电压、电流测量模型中，需得到运行后电路图中某些节点的电压以及电流，因此应要在 某些节点上安装电压测量和电流测量的模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在分析典型发电厂内电气设备在雷电波作用下的等值数学模型的特点后，运用暂 态仿真程序建立符合现场实际情况的典型发电厂仿真模型。并且根据雷击过电压计算结果， 对比有无避雷器的仿真结果验证避雷器的保护效果。对发电厂避雷器的数量和位置进行优化 选择，按照规程确定设备的绝缘水平，校验其绝缘裕度，为典型发电厂的绝缘配合设计提供 指导。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实 施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1发电厂电气主接线图；

图2发电厂电源波形图；

图3雷电流模拟波形；

图4(a)未装设避雷器雷电过电压作用下节点电压波形；

图4(b)装设避雷器雷电过电压作用下节点电压波形；

图5(a)未装设避雷器雷电过电压下节点电压波形放大图；

图5(b)装设避雷器雷电过电压下节点电压波形放大图；

图6(a)未装设避雷器操作过电压下节点电压波形；

图6(b)装设避雷器操作过电压下节点电压波形；

图7(a)未装设避雷器操作过电压下节点电流波形；

图7(b)装设避雷器操作过电压下节点电流波形；

图8(a)未装设避雷器工频暂态过电压下节点电流波形；

图8(b)装设避雷器工频暂态过电压下节点电流波形；

图9(a)未装设避雷器工频暂态过电压下装设避雷器节点电流波形；

图9(b)装设避雷器工频暂态过电压下装设避雷器节点电流波形；

图10(a)避雷器配置方案1节点电压波形；

图10(b)避雷器配置方案2节点电压波形；

图11本发明第一具体实施例子步骤一内容框图；

图12本发明第一具体实施例子步骤二内容框图；

图13本发明第一具体实施例子步骤三内容框图；

图14本发明第一具体实施例子步骤四内容框图；

图15本发明第一具体实施例子步骤五内容框图；

图16本发明第二具体实施例子步骤一内容框图；

图17本发明第二具体实施例子步骤二内容框图；

图18本发明第二具体实施例子步骤三内容框图；

图19本发明第二具体实施例子步骤四内容框图；

图20本发明第二具体实施例子步骤五内容框图；

图21本发明第二具体实施例子步骤六内容框图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指 明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的 相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申 请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图 包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时， 其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

作为电能的生产者和电力系统的源头，发电厂的安全稳定运行关系到整个电力系统的安 全质量。如果发电厂遭受到各种性质的过电压而没有采取有效可靠的预防和故障处理方法而 发生事故，将会影响电力系统的安全和区域性的供电质量。如果发电厂内的电气设备遭受雷 电过电压或其他性质的过电压而损坏，在短时间内恢复区域性供电是困难严峻的，如此会造 成严重的电力供应事故。为了对日后的发电厂防雷防过电压保护工作提供参考意见，本文采 用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件对典型发电厂防雷保护系统进行建模仿真，主要分析雷电侵 入波以及其他性质的操作过电压对发电厂内各电气设备的影响以及典型发电厂氧化锌避雷器 如何合理配置保证发电厂的电气安全，提高发电厂遭受过电压的抗干扰能力。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在着不足，为了解决如上的技术问题，本申请提 出了典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，

关于发电厂的仿真建模与参数设置，其中，涉及到的电磁暂态仿真程序又叫做ATP程序(The Alternative Transients Program)是目前世界上进行电磁暂态分析(EMTP)最广泛使 用的一个版本，ATP-EMTP程序可以被广泛的免费使用，并可在大多数类型的计算机上运行。 电磁暂态程序EMTP是应用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件。它包含用于变压器相传输 线的模型、各种电机、二极管、晶闸管和开关、控制器等模型，是电力系统中高压电力网络 和电力电子仿真应用最广泛的程序，侧重于系统的整体运行状态而不是个别开关的动作特征。

ATP的基本原理是：根据基本元件的不同特性，建立相应的代数方程，偏微分方程及常微 分方程,生成节点导纳矩阵。使用稀疏矩阵算法及优化节点编号的规律方法，把节点电压作为 未知待求量，用矩阵三角进行分解求解，最后可以获得各支路的电流,各节点的电流电压和模 拟电路各元件消耗的功率及能量。在暂态仿真分析计算中，元件的非线性特性可用分线段线 性化来逼近处理,也可以利用迭代的方法从另一个角度进行求解。在稳态计算中应将非线性元 件线性化,进一步利用迭代的方法进行潮流分析计算。

其中的发电厂有两台，容量1073.3MV，额定电压27kV，额定电流27kA的同步发电机组， 功率因数均是0.85，两台主变压器额定容量1330MVA，变压器变比500/27kV，YN，d11连接。 电气主接线采用双母线分段，并在发电机组，变压器，主母线，电气出线端加装氧化锌避雷 器。发电厂电气主接线的模拟图如下，图1中标注了1-12节点作为电压电流测试节点。

典型发电厂各部分电气元件仿真介绍，其中，分布参数线路模型中线路使用分布参数， 用波阻抗等效模拟，可以双击设定参数，如波阻抗，波速以及线路长度等。

同步发电机组模型中，电流源可分为直流电流源以及交流电流源，本文中使用交流电流 源用以模仿发电厂发出的电流，参数设置中可定义电压幅值、时长、频率等。

雷电过电压(过电流)模型中，组建模型过程中，两个电压源无法同时在一个电路中运 行，所以侵入雷电波需采用电流源模型，模型中可设置雷电流的幅值，时长以及前指数等参 数。

氧化锌避雷器模型中，避雷器模型需要查阅具体的参数资料，因为需要输入具体电压等 级的避雷器参数才能使避雷器有着正确的图像，将高电流导向大地，避免电气设备受到过电 压的冲击以致损坏。参数设置中可设置避雷器的参考电压，闪络电压等。

对地电容模型中，经分析，在此电路图中的断路器，隔离开关以及变压器入口电容都可 用电容模型模拟。可在参数设置中设置计算得出的不同电容的值。

电压、电流测量模型中，需得到运行后电路图中某些节点的电压以及电流，因此应要在 某些节点上安装电压测量和电流测量的模型。

元件参数设置中，重要电气元件对地电容，通过查阅资料，总结了电容式电压互感器， 电磁式电压互感器，自耦变压器，电流互感器，电力变压器，接地开关，套管，隔离开关和 断路器在不同电压等级(115kV，400kV，500kV，765kV)下的对地电容数值。如下表1所示：

表1不同电压下各电气元件对地电容值

避雷器的额定电压值，

1)缓波前过电压：

避雷器额定值也取决于所研究的相同系统(通常来自暂态过电压特性：振幅和持续 时间)在变电站内和线路端可通过安装氧化锌避雷器来限制缓波前过电压^[8]，对于本例的 特定情况，确定了以下氧化锌避雷器MOA的操作冲击保护水平U_ps：

当MOA的额定电压为420kV时(适用于母线侧)：U_ps＝1.9p.u.＝852kV(峰值)；

当MOA的额定电压为444kV时(适用于线路侧)：U_ps＝2.0p.u.＝900kV(峰值)。

2)快波前过电压：

在本例中，仅考虑雷电产生的快波前过电压。

当确定代表性过电压只考虑相对地时，使用简化统计法可以直接得到配合耐受电压。

取MOA的雷电冲击保护水平U_pl为20kV(8/20μs)时的残压，故当MOA的额定电压为420kV和444kV时，分别为：

线路侧：U_pl＝960kV；母线侧：U_pl＝1050kV。

发电厂电气主接线建模分析计算：

假设该发电厂任一出线端遭受到随机的雷电过电压侵袭，现进行以下分析：因为在线路 一母线一变压器侧的过电压最为严重，并且单相来波的几率比两相来波要高的多，所以首先 采用单相来波进行分析，再考虑发电厂电气主接线的等值电路，通过仿真建模，可得出图1 所示的等值电路。

在这个等值电路中，除同步发电机组，电力变压器，母线的重要电气设备，其余的电气 元件如电磁式电压互感器，接地开关，隔离开关，断路器，电流互感器均用对地电容进行等 效。下面进一步运行已经搭建好的的发电厂电磁暂态仿真模型，观察各参考点的电压波形。

雷电过电压下装设和未装设氧化锌避雷器时节点电压波形的比较：

1)发电厂电源波形，发电厂系统的电源波形如图2所示。用交流电压源来模拟发电厂同 步发电机组输出的交流电，同步发电机组输出标准的正弦波，其中线电压为27kV，通过计算 得出电源幅值，频率为工频，得输出图像如图2所示。

2)拟发电厂出线端的雷电流波形

发电厂主系统可能遭受的过电压形式多种多样，如雷电过电压，操作过电压，工频暂态 过电压等。本文首先利用雷电过电压的模型来进行本文中发电厂防雷仿真的分析研究。

本次仿真中雷电流幅值选择80kA，时间常数为0.45ms，标准的雷电过电压波形有一个上 升和一个下降的过程，上升的过程是比较快速的，时间常数很短，而其下降的过程会比较缓 慢，直到雷电波的过程结束。绘制图像如图3。

3)雷电流冲击发电厂有无避雷器的分析

进一步分析在雷电过电流的冲击下，发电厂电气主系统中安装和未安装氧化锌避雷器时 主要节点的电压波形和系统中的过电压，过电流的数值，并简要分析过电压对发电厂系统的 绝缘和系统安全运行的影响。

装设和未装设避雷器情况下，节点2电压波形如图4(a)-图4(b)所示。

将图4(a)-图4(b)中在1.5ms内的电压波形放大，因为雷电流的冲击时间是1ms，重点 观察分析在雷电流冲击发电厂主系统时，系统各节点的过电压值。观察图5(a)-图5(b)可知，在雷电流冲击发电厂电气主系统时，节点电压的最大值能够达到接近3MV，这对发电厂主系统的绝缘和安全运行将会造成很大的冲击和影响。

因此，正确安装了氧化锌避雷器的发电厂主系统在遭受雷电流的冲击时，氧化锌避雷器 发挥了限流泄流的功能，抑制了雷电流在发电厂主系统中的影响，将雷电流的能量泄放到大 地，限制了雷电流对系统的过电流冲击影响，保证了系统的绝缘和安全运行。雷电流的幅值 被限制在700kV以内，相比于3MV，发电厂主系统的绝缘和安全能够得到有效的保证。

避雷器对雷电过电压起抑制作用，吸收雷电的能量使发电厂电气系统不至于遭受过电压 的侵袭，并将雷电过电流导入大地，所以电压波形在经过氧化锌避雷器后仍与电压源的相同。 其波形仍是正弦波，而且波形的频率仍是工频，为50Hz。

操作过电压下氧化锌避雷器对发电厂电气系统的保护作用，运行仿真模型，可以得出操 作过电压作用下发电厂电气系统中节点的电压电流波形，其中节点2电压波形图如图6(a) -图6(b)所示。

当发电厂电气主系统遭受由于开关设备动作引起的操作过电压时，对比合理装设和未装 设氧化锌避雷器时系统节点电压电流的波形。当未装设避雷器时由于开关设备动作引起的操 作过电压的幅值可以达到3MV，过电流的幅值可以达到5000A，很明显这对发电厂电气主系 统的绝缘和安全运行将造成严重威胁。

当正确合理配置一定数量的氧化锌避雷器,操作过电压的幅值限制在500kV以内，将操作 过电流的幅值限制在500A以内，当然在2ms的时间内过电流的幅值可以达到4500A，这就要 求对氧化锌避雷器的配置位置和数量进行进一步的优化，限制开关动作在前几毫秒内对发电 厂电气主系统的冲击和绝缘威胁。

节点2电流波形如图7(a)-图7(b)所示：由电流波形图可以看出，未配置避雷器时当 开关动作时系统在3ms的时间以内迅速产生4500A的操作过电流，对系统的绝缘耐压水平有 很大的威胁。同样由于氧化锌避雷器的合理配置，操作过电流在很短的时间内被限制在几百 安范围内。

工频暂态过电压下氧化锌避雷器对发电厂电气系统的保护作用，运行仿真模型，可以得 出发电厂电气系统中节点的电压电流波形，节点2电压电流波形图如图8(a)-图8(b)所 示。

由于空载长线路的容升效应，不对称接地故障，突然甩负荷等原因引起的电气主系统产 生的工频暂态过电压。在未装设氧化锌避雷器时，工频暂态过电压的幅值可以达到900kV， 如果正确合理的配置了氧化锌避雷器，工频过电压将被限制在600kV以内，这对发电厂电气 主系统的绝缘和系统稳定性起到积极的保护作用。

同理可得，在工频暂态过电压下节点电流为：由图9(a)-图9(b)可见，装设避雷器处 的节点电流幅值由未装设时的6kA骤降至20A，且对谐波的削弱作用强，装设避雷器后可以 得到近似标准的正弦波形，因此，氧化锌避雷器对于工频暂态过电压有良好的抑制作用。

不同避雷器配置方案的比较：

通过改变氧化锌避雷器的配置位置和避雷器配置的数量，将其安装到其他位置，对比验 证哪种配置方案能够更好的保护好发电厂内部的电气设备。

方案1中，氧化锌避雷器的位置在发电厂电气出线端，母线侧，同步发电机组，变压器 高压侧配置一定数量的氧化锌避雷器；方案2在方案1的避雷器配置基础上适当调整配置数 量，在GIS内部和分支母线侧布置适当的氧化锌避雷器，并与方案1进行对比分析。

通过仿真分析可得，方案1和方案2中，在雷电过电压的作用下，装设避雷器节点处的 电压波形如图10(a)-图10(b)所示。

通过对比可以观察出方案2中氧化锌避雷器配置的数量较方案1多，并且方案2中避雷 器的配置位置更加灵活，在发电机侧，主要母线侧，出线端侧均设置了避雷器。方案2中避 雷器配置的数量和位置较方案1更加完善，所以我们可以看出在方案2下，雷电过电压被限 制在相对更低的水平，这样使得发电厂主系统的耐压水平更高。

因此，优化氧化锌避雷器配置的数量和位置，可以有效提高电力系统的耐压水平，限制 雷电过电压对发电厂主电气系统的冲击影响，明显提高发电厂系统的绝压耐压和安全运行水 平。

总之，1)当电气主接线系统遭受雷电过电压的侵袭时，会在系统内产生较为严重的雷电 过电压，对系统绝缘耐压强度提出了很大的考验。在合理适当配置氧化锌避雷器的情况下， 避雷器能够吸收雷电流的能量，在很大程度上降低雷电冲击对发电厂电气主系统的威胁。在 合理配置氧化锌避雷器时，系统内出现的过电压被有效的限制在700kV以内。

2)然后进一步分析操作过电压的情况，操作过电压的产生是由于系统中断路器，隔离开 关等开关设备的动作引起的，对于500kV的电气系统，当由于开关动作导致系统产生过电压， 此时过电压的幅值大，持续时间相对较短暂，并且操作过电压的数值与系统标称电压有关。 在电力系统中，针对超高压或者特高压系统，系统的操作过电压与电压等级相关，对系统绝 缘的破坏也尤为明显。所以针对高电压等级的电力系统，在合理位置配置相当数量的避雷器 抑制操作过电压就显得尤为重要。

3)最后是工频暂态过电压，它是由于电气系统中长线路的容升效应和电力系统运行方 式改变时，在电气主系统中产生的持续时间相对较长，幅值不是很大的一种过电压。在我 们本文分析的500kV系统中，当由于电气主接线的运行方式改变时，在系统内部产生持续 时间较长的工频暂态过电压，幅值在600kV以下，但也对系统存在相当的危害。仿真证明， 安装氧化锌避雷器能够有效地抑制工频暂态过电压，吸收过电压能量，并对过电压产生的 谐波进行抑制削弱，使线路中电压波形为近似的正弦波形。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的 实施例与对比例详细说明本申请的技术方案。

在典型发电厂设计中，需要在发电机出口、变压器出口、母线、GIS入口、以及发电厂500kV 出线配置避雷器。避雷器最终参数的确定参考《电力设备过电压保护技术规程》、《避雷器 规程》还有《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》的规定，得到具体计算流程， 第一具体实施例子：27kV绝缘配合设计流程：

1.1输入量

a)系统最高电压Us＝24kV(r.m.s,phase to phase)

b)污秽等级：轻度

c)海拔：1000m

d)避雷器雷电冲击保护水平Ups＝410kV，Upl＝80kV

e)绝缘距离：对内3m，对外5m

f)铁塔线路数量(进入变电站线路数)n＝4

g)档距Lsp＝100m

h)雷电性能Rkm＝6×10^-5/m.year

i)可接受的故障率Ra＝1/(400年)

j)架空线的因数A＝2700

1.2参数定义如表2：

表2

具体的步骤见图11-图15。

本发明的第二具体实施例子：500kV绝缘配合计算流程：

2.1输入量：

a)系统标称电压U_n＝500kV；

b)设备最高电压U_m＝550kV；

c)基准电压1.0p.u.＝317kV；

d)海拔H；

e)架空线的因数A；

f)与变电站相连的最少架空线路n；

g)避雷器和被保护设备间的距离L；

h)线路档距L_sp；

i)雷电闪络率为可接受故障率时的架空线长度L_a；

j)表3中由要求的短时工频电压换算成操作冲击耐受电压的试验换算因数a₁(内绝缘)、a₂ (外绝缘)；

k)空气间隙距离D；

_l)地面高度H_t

2.2参数定义如表3：

表3

具体的步骤见图16-图21。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员 来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，其特征是，包括以下步骤：

在分析典型发电厂内电气设备在雷电波作用下的等值数学模型的特点后，运用暂态仿真程序建立符合现场实际情况的典型发电厂仿真模型；侵入雷电波采用电流源模型，模型中设置雷电流的幅值，时长以及前指数参数；电压、电流测量模型中，得到运行后电路图中节点的电压以及电流，在节点上安装电压测量和电流测量的模型；

氧化锌避雷器模型中，设置氧化锌避雷器模型参数；参数设置中设置避雷器的参考电压，闪络电压；

避雷器的额定电压值包括缓波前过电压及快波前过电压；

假设该发电厂任一出线端遭受到随机的雷电过电压侵袭，对发电厂电气主接线建模，运行已经搭建好的典型发电厂仿真模型，观察各参考点的电压波形，优化氧化锌避雷器配置的数量和位置，验证安装有氧化锌避雷器的发电厂的电气主系统的绝缘和系统稳定性；上述步骤中建立符合现场实际情况的典型发电厂仿真模型中氧化锌避雷器的位置时，在发电厂电气出线端、母线侧、同步发电机组及变压器高压侧配置氧化锌避雷器，在GIS内部和分支母线侧还均布置适当的氧化锌避雷器；通过改变氧化锌避雷器的配置位置和避雷器配置的数量，将其安装到不同位置，对比验证保护发电厂内部的电气设备的最优方案；

发电厂电气主接线建模：假设该发电厂任一出线端遭受到随机的雷电过电压侵袭，首先采用单相来波进行分析，再考虑发电厂电气主接线的等值电路，通过仿真建模，可得出等值电路，在等值电路中，除同步发电机组，电力变压器，母线的重要电气设备，其余的电气元件均用对地电容进行等效。

2.如权利要求1所述的典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，其特征是，所述氧化锌避雷器模型参数的确定包括：对于系统标称电压27kV绝缘配合流程为：

确定与氧化锌避雷器设定参数相关的输入量；包括：系统最高电压、污秽等级、海拔、避雷器雷电冲击保护水平、绝缘距离、铁塔线路数量、档距、雷电性能、可接受的故障率、架空线的因数；

相关参数定义；

确定代表性过电压：包括工频电压、暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

确定配合耐受电压；包括工频电压、暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

确定要求耐受电压：暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

将缓波前要求耐受电压换算至短时工频电压和雷电冲击电压要求耐受电压；

其中，将缓波前要求耐受电压换算至短时工频电压：包括相对地电压及相间电压；

将缓波前要求耐受电压换算至雷电冲击要求耐受电压：包括相对地电压及相间电压；

标准电压的选取：设备相对地绝缘的标准耐受电压在给出的标准化电压系列数中选取，选取原则是同时满足雷电冲击耐受电压以及操作冲击耐受电压的外绝缘相电压。

3.如权利要求1所述的典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，其特征是，所述氧化锌避雷器模型参数的确定包括避雷器额定电压，对于500kV绝缘配合流程为：

确定与氧化锌避雷器设定参数相关的输入量；

相关参数定义；

确定代表性过电压：包括工频电压、暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

确定配合耐受电压，内绝缘的UCW及外绝缘的UCW均包括工频电压、暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

要求耐受电压：内绝缘的UCW及外绝缘的UCW均包括暂态过电压、缓波前过电压及快波前过电压；

将短时工频耐受电压换算至操作冲击电压；

其中，换算到短时工频耐受电压包括内绝缘及外绝缘的线路侧及变电站侧的电压；

标准电压的选取：设备相对地绝缘的标准耐受电压在给出的标准化电压系列数中选取，选取原则是最接近但大于要求耐受电压数值的标准电压值；

相间绝缘配合：确定相间代表性过电压、配合相间耐受电压及要求相间耐受电压；并确定暂时过电压的相间代表性过电压、要求耐受电压及操作冲击耐受电压。

4.如权利要求1-3任一所述的典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，其特征是，所述氧化锌避雷器的安装用于实现抑制操作过电压、抑制工频暂态过电压及降低雷电冲击对发电厂电气主系统的威胁。

5.如权利要求1所述的典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，其特征是，所述各参考点的电压波形包括发电厂电源波形，用交流电压源来模拟发电厂同步发电机组输出的交流电，同步发电机组输出标准的正弦波，通过计算得出电源幅值，频率为工频。

6.如权利要求5所述的典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，其特征是，所述各参考点的电压波形还包括模拟发电厂出线端的雷电流波形：发电厂主系统可能遭受的过电压形式多种多样，包括雷电过电压、操作过电压及工频暂态过电压。

7.如权利要求1所述的典型发电厂避雷器配置与绝缘配合的建模方法，其特征是，所述典型发电厂仿真模型中各部分电气元件仿真包括：

分布参数线路模型中线路使用分布参数，用波阻抗等效模拟；

同步发电机组模型中，电流源分为直流电流源以及交流电流源；

雷电过电压过电流模型在组建模型过程中，两个电压源无法同时在一个电路中运行，所以侵入雷电波需采用电流源模型；

对地电容模型中，在电路图中的断路器，隔离开关以及变压器入口电容都可用电容模型模拟；

电压、电流测量模型中，需得到运行后电路图中某些节点的电压以及电流，因此应要在某些节点上安装电压测量和电流测量的模型。

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