基于PSCAD的LNG接收...次系统耐雷水平仿真分析方法_魏振忠.pdf

行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications基于PSCAD的LNG接收站二次系统耐雷水平仿真分析方法魏振忠,司倡如,李 振(国家管网集团 北海液化天然气有限责任公司，广西 北海 536005)摘要:为全面评估LNG接收站二次系统耐雷水平，提出了一种基于PSCAD/EMTDC的电气二次系统耐雷水平仿真分析方法。根据LNG接收站防雷措施实际设置情况，构建接收站防雷保护的PSCAD仿真模型，仿真计算雷电波侵入二次系统时雷电过电压的变化情况。分析安装避雷器、3级防雷保护措施时的防雷效果。结果显示，避雷器与3级防雷保护措施配合时能够有效抑制接收站二次系统雷击过电压，仿真分析方法可为提升LNG接收站二次系统耐雷水平提供一定理论参考。关键词:LNG接收站；二次系统；PSCAD；雷击仿真分析；防雷保护中图分类号：TP391.9文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)06-0160-05Simulation Analysis Method for Lightning Withstand Level ofSecondary System of LNG Terminal Based on PSCADWEI Zhen-zhong,SI Chang-ru,LI Zhen(PipeChina Beihai Liquefied Natural Gas Co.,Ltd.,Beihai 536005 China)Abstract:In order to comprehensively evaluate the lightning withstand level of secondary system in LNG terminal,a simulation analysismethod of lightning withstand level of electrical secondary system based on PSCAD/EMTDC is proposed in this paper.Accord-ing to the actual setting of lightning protection measures of LNG terminal,the PSCAD simulation model of lightning protectionof LNG terminal is constructed,and the change of lightning overvoltage when lightning wave invades the secondary system issimulated and calculated.The lightning protection effect of installing lightning arrester and 3-level lightning protection measuresis analyzed.The results show that the lightning surge arrester can effectively suppress the lightning overvoltage of the secondarysystem of the LNG terminal when combined with the three-level lightning protection measures.The simulation analysis methodcan provide a theoretical reference for improving the lightning withstand level of the secondary system of the LNG terminal.Keywords:LNG terminal;secondary system;PSCAD;lighting strike simulation analysis;lighting protection收稿日期:2021-07-07DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）06-0160-05.1引言随着现代防雷技术的发展，目前针对各电压等级一次系统的防雷保护措施已经非常成熟，许多研究人员对一次系统的耐雷水平评估也做了大量的研究工作1-2。但是对于低压二次系统，由于自动化程度的提高，大量微型电子仪器等弱电设备在二次系统中得到应用，这些设备耐过电压水平普遍较低，一旦发生雷击事故更易造成设备损坏，从而引起大的停电事故。目前二次系统中一般含有避雷器、浪涌保护器等防雷保护措施，但是这些防雷措施对提高二次系统耐雷水平所起的作用还需做进一步分析研究。因此，通过合理的二次系统耐雷水平评估方法，准确评估雷击发生时二次系统的耐雷水平，进而为防雷措施合理设置及改进提供理论指导，对保障二次系统的安全运行具有重要意义。在已有研究工作中，通过ATP暂态软件构建仿真模型，对变电站二次系统进行雷击仿真研究，比较了不同方法对提升二次系统耐雷水平的影响3-4。利用PSCAD仿真软件，对220 kV变电站二次系统过电压进行了仿真分析，并根据仿真结果提出了二次系统防雷改进措施5。上述方法对LNG接收站二次系统耐雷水平评估提供了一定参考。液化天然气(Liquified Natural Gas,LNG)接收站，承担着接收、存储和外输天然气的功能，对我国能源供应及促进天然气工业的发展具有重要作用6。所研究LNG接收站，位于广西北海市沿海人工砂岛之上，属于雷暴多发地带，且厂站电力系统自动化程度较高，包含大量弱电设备，极易遭受雷击引发事故。目前针对LNG接收站电气二次系统耐雷水平评估工作，多集中于电子系统、仪表系统等局部系统的防雷方案设计与分析7，未结合防雷设施实际设置情况对接收站电气二次系统做出整体的耐雷水平评估。因此采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，提出一种针对LNG接收站电气二次系统耐雷水平评估方法，通过构建接收站电气二次系统雷击仿真模型，仿160自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications真分析雷击过电压情况，从理论上对接收站二次系统的耐雷水平做出评估，验证现有防雷设施是否符合接收站电气二次系统的防雷设置要求，对接收站电气二次系统耐雷水平的提升具有重要指导意义。2仿真模型构建PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aid-ed Design)是目前世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件，于1976年加拿大曼尼托巴水电局开发完成，EMTDC是其仿真计算核心，PSCAD 为 EMTDC 提供图形操作界面。PSCAD提供了丰富的元件库，从简单的无源元件到复杂的控制模块都有涵盖。此外，除了可以利用PSCAD元件库中已提供元件，还可以根据具体需求进行自定义元件设计。因此本文所需仿真模型均采用PSCAD构建，进行雷击仿真分析。2.1雷电流模型构建雷电流仿真模型时，通常采用解析函数表示雷电流波形。常用函数为双指数函数、霍德勒函数及脉冲函数8。本文采用双指数函数表示雷电流波形，其波形主要由幅值、波头时间和波长时间三个特征参数确定9，其中幅值表示雷电流大小的峰值，波头时间处于14 s范围内，平均约为2.6 s，波长时间大多在20350 s范围内10-11。函数表达式如下所示：(1)式中，Im为雷电流幅值，i(t)为雷电流瞬时值，为波前系数，为波尾系数，k为波形的修正系数。根据雷电流双指数函数公式，在PSCAD软件中建立雷电流仿真模型，波形幅值取30kA，波头时间和波长时间分别取为标准的2.6 s和50 s。雷电流双指数波仿真模型及波形分别如图1(a)、(b)所示。2.2避雷器模型目前电力系统中常用的避雷器为金属氧化锌避雷器，其凭借良好的非线性特性和电流通流能力得到广泛应用，因此金属氧化锌避雷器建模的重点也在于其非线性特性的模拟上。通常采用以下非线性公式进行表示：(2)式中，I为流过避雷器的电流；k为陶瓷常数(由避雷器型号确定)；V为避雷器两端电压；为非线性指数(数值越大表明非线性程度越高)。本文采用IEEE标准的Pinceti等效模型在PSCAD中建立氧化锌避雷器模型12，模型电路原理如图2所示，其中电阻R为泄漏电阻，其值约为1 M，用非线性电阻A0、A1表示避雷器的非线性特性，电感L0、L1表示避雷器内部电感，使模型具有快速浪涌的特征。(a)雷电流双指数波模型(b)雷电流仿真波形图1雷电流仿真模型图2避雷器模型等效电路电感L0、L1的值由避雷器参数确定，其计算公式如式(3)、式(4)所示：(3)(4)其中，Ur1/T2为陡波冲击电流残压；U2.6/50为2.6/50 s雷电波冲击电流残压；Un表示避雷器额定电压。LNG接收站采用的金属氧化锌避雷器型号及参数如表1所示，根据表中避雷器参数计算可求得电感L0、L1的值，用于仿真模型构建。表1金属氧化锌避雷器参数/kV避雷器型号HY1.5WS-0.28/1.3HY1.5WS-0.5/2.6HY5WZ-3.8/13.5HY5WZ-10/27避雷器额定电压0.280.53.810雷电冲击电流残压1.32.613.527陡波冲击电流残压-14.531直流1 mA参考电压0.61.27.214.4采用上述构建的30 kA雷电流模型对避雷器模型进161行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications行雷击仿真测试，所得波形如图3所示。由图中电流波形可以看出，经过避雷器保护后，雷电流幅值降低50%以上，且在短时间内迅速衰减，衰减速度大大加快，说明所构建避雷器模型具有良好的雷击保护性能。图3避雷器测试电流波形2.3浪涌保护器模型浪涌保护器是LNG接收站电气二次系统防雷保护的重要元件，对弱电设备等起雷电过电压防护作用。由于PSCAD元件库中未提供浪涌保护器模型，因此需要自定义构建。(a)浪涌保护器电路(b)浪涌保护器测试电流波形图4浪涌保护器模型采用的浪涌保护器电路如图4(a)所示，其中，M1、M2为金属氧化物压敏电阻，G1、G2为气体放电管，L1、L2为用于M1、G1组成的前级和M2、G2组成的后级这两级之间的配合电感。为了提高保护的可靠性，此电路设置前、后两级压敏电阻串联气体放电管的结构，并采用电感元件进行两级之间的保护特性配合13。M1与G1组成的前级用于泄放雷电流的主要部分，M2与G2组成的后级用于对设备进行精细保护。对浪涌保护器模型进行浪涌打击仿真测试。其中浪涌冲击电流峰值取为10 kA，发生时刻为0.1 ms，总仿真时间为0.5 ms。仿真所得电流波形如图4(b)所示，在浪涌保护器作用下，浪涌电流在0.05 ms内瞬时衰减，对电路起到了良好的保护作用，验证了浪涌保护器仿真模型的有效性。2.4LNG接收站二次系统3级防雷保护模型LNG接收站供电电源来自市电110 kV高压架空线路，降压后经地下电力电缆引入接收站变电所，为二次系统供电。接收站二次系统防雷采用3级防雷方案，第一级为三相电源的防护，在接收站总变配电所电源出口处设置三相电源避雷器，用于防止雷击高压线路时雷电波的侵入，吸收大部分雷电能量。第二级为单相电源防护，在配电箱单相电源输出端设置单相电源避雷器，进一步削弱雷电能量。第三级为重要二次设备的浪涌冲击保护，在二次设备输入端设置浪涌保护器，泄放浪涌电流，防止雷击浪涌电流侵入二次设备。LNG接收