500kV GIS變電站雷電侵入波過電壓的 計算分析

楊海龍 陳 鑫 李荷薇 張 洛 劉雨晴

（西華大學，成都 610039）

變電站是電網骨架的中樞點和輸電線路的融匯點，在電力網絡中占有極其重要的地位。隨著科技水平的提高，GIS 設備在由雷擊造成的電力系統故障研究中的應用日益廣泛。在進行變電工程設計時，考慮到變電站設備的絕緣水平較低，電氣設備的絕緣不能自恢復，故要全面考慮過電壓的保護問題[1]。對于500 kV GIS 變電站，因其容量大、占地面積相對較小、耗資昂貴、運行電壓高，且GIS 設備的封閉性對其檢修難度大，一旦雷電侵入波在變電站運行設備上產生很高的過電壓，將威脅電力系統的安全穩定運行。所以研究GIS 變電站雷電侵入波過電壓的計算分析有現實意義，文章以國華電廠500kV GIS 變電站為例，以500kV 變電站的雷電侵入波過電壓為模型，通過采ATP-EMTP 計算程序對其研究和分析。同時將變電站和進線段結合起來考慮，分別對絕緣子串、進線端、GIS 進行了模擬。本文采用的是EMTP 計算程序是世界范圍內應用最為廣泛的電磁暫態計算標準程序，ATP-EMTP 的仿真分析,為變電站規劃設計、試驗研究以及調度運行提供了重要參考數據,

1 模型的建立

雷電流波形取標準波形，即2.6/50μs 的斜角 波[2]。反擊時雷電通道波阻抗取300Ω；繞擊時取 800 Ω[3]。本文以216kA 作為反擊雷電侵入波過電壓計算中電流，其概率為3.5‰，具有相當高的可靠 性[4]。因為雷擊塔頂時雷電過電壓最嚴重，故在反擊計算時需考慮雷擊桿塔塔頂的情況，而不考慮雷擊檔距中央避雷線的情況。雷擊檔距中央時，如果導線與避雷線之間發生閃絡，一般都是不滿足規程要求出現的結果，即便引起絕緣子串閃絡形成反擊，也沒有雷擊桿塔時嚴重。

研究中不再局部考慮變電站和進線段，因為這樣無法反映雷電波實際傳播的情況，而是將其結合起來計算分析，并進一步解釋了諸因素的影響： ①落雷點的選擇分別考慮了進線段上的每一基桿塔。因近區落雷因距離短沖擊電暈作用不大，就沒有考慮沖擊電暈的作用。遠區落雷在進線段2km 處的第六基桿塔，同時利用波在進線段傳播后的時延來考慮因沖擊電暈作用引起的波的衰減和變形[5]；②因桿塔沖擊接地電阻Rch的大小對侵入波有較大影響，于是考慮了桿塔沖擊接地電阻Rch＝10 Ω的情況，門型構架的沖擊接地電阻Rch取為4Ω；③由于桿塔較高波在桿塔中傳播需要時間，將桿塔用分布參數考慮，用波阻抗進行計算，雷電波在桿塔中的傳播速度為2.1×108m/s（0.7 倍光速）[5-7]；④桿塔絕緣子串上的閃絡電壓并非固定值，可用伏秒特性來表示。這與電壓波形在其上的作用有關，桿塔沖擊接地電阻Rch、雷電流參數等與作用在絕緣子串上的沖擊電壓緊密聯系。計算時考慮了桿塔絕緣子串的沖擊伏秒特性，其恰當模擬了絕緣子串的實際閃絡過程并采用了EMTP 程序中的TACS（數值仿真）功能對其進行計算。

桿塔的波阻抗通過下面的公式計算：

考慮到工程實際情況，Zgt在實際計算中取126Ω。 雖然在超高壓電網中單相和三相電路的選擇對計算變電站內的電氣設備最大過電壓影響微乎其微，差別十分小，但兩者的運算量卻相差很大。因此，對變電所用單相電路進行防雷計算是可行的，也是更簡便實用的，故只考慮單相負極性雷電沖擊波的入侵，輸電線路波阻抗采用單相等值波阻抗進行計算。站內導線近似認為是無畸變線，不計電暈影響，波阻抗為不變量，這是從嚴考慮[5]。

導線和避雷線的波阻抗計算公式：

式中，ha為導線平均高度，re為導體等值半徑。參考規程規定，導線波阻抗取為280 Ω，避雷線波阻抗取為200Ω[6-8]。

進線段絕緣子串采用 30 片絕緣子（XWP2－160）。由于缺乏該絕緣子的伏秒特性，本次計算參考了28 片XP-160 絕緣子的伏秒特性。

表1 絕緣子串正極性放電的伏秒特性

絕緣子串負極性放電電壓為絕緣子串正極性放電電壓的1.13 倍。GIS 為同軸圓柱結構，可用同軸圓柱的電感和電容計算公式進行計算：

式中，R1、R2為GIS 的內外徑，由此可以算出GIS的波阻抗為75 Ω，波速取0.6 倍光速[9-10]。

本次計算分析數據中采用三菱公司的MOA 數值，母線和變壓器上MOA 的額定電壓為420kV，線路側MOA 的額定電壓為444kV。其標稱放電電流均為20kA，MOA 的伏安特性如表2所示。

表2 MOA 的伏安特性

2 過電壓計算

該變電站一期工程為兩條出線，兩回線路至主變壓器，從母線Ⅰ引一回線路至備用變壓器，以下計算的第一部分是考慮單回和雙回出線經單母線至一臺變壓器不帶備用變壓器運行時的雷電侵入波過電壓較高的嚴峻情況，多條進線和帶雙母線運行時，過電壓水平會隨之降低，引起雷擊故障的可能性也就越?。坏诙糠质菍ψ冸姴糠值膶嶋H運行情況的計算，即帶熱備用變壓器運行；第三部分是通過分析比較前面在母線上裝設避雷器后的計算結果，發現站內設備侵入波過電壓偏高后，改變避雷器配置方式而進行的計算，即母線無避雷器，在GIS 套管至變壓器出口側加避雷器，帶備用變壓器運行。由于第一基桿塔的耐雷水平大于240kA，故雷擊桿塔由第二基開始計算。計算中過電壓水平超過考慮絕緣裕度后的設備允許值用黑體標出，主要運行方式有六種，見圖1至圖6。

本文通過電磁暫態計算程序對上圖GIS 變電站六種運行方式進行了大量的分析計算，主要研究數據結果分析如表3至表8所示。

圖1 運行方式一N1M1B1

圖2 運行方式二N12M1B1

圖3 運行方式三N1M1B1-B3

圖4 運行方式四N12M1B1-B3

圖5 運行方式五N1M1B1-B3-B4

圖6 運行方式六N12M1B1-B3-B4

1）母線裝有避雷器，單臺主變不帶備用變壓器運行時

（1）單回出現出現時的侵入波過電壓的計算

表3 運行方式一N1M1B1

（2）雙回出線時的侵入波過電壓計算

表4 運行方式二N12M1B1

2）母線上均裝有避雷器，單臺主變帶備用變壓器運行

（1）單回出線時的侵入波過電壓計算

表5 運行方式三N1M1B1-B3

（2）雙回出線時侵入波過電壓計算

表6 運行方式四N12M1B1-B3

3）母線不裝避雷器，在GIS 套管至變壓器出口側加避雷器，帶備用變壓器運行

（1）單回出線時的侵入波過電壓計算

表7 運行方式五N1M1B1-B3-B4

（2）雙回出線時的侵入波過電壓計算

表8 運行方式六N12M1B1-B3-B4

根據上面計算出的數據結果顯示：

1）在母線未裝避雷器的情況下，在GIS 套管至變壓器出口側加避雷器，帶備用變壓器運行方式GIS 設備、變壓器上的過電壓明顯降低，流過站內避雷器MOA 的最大電流小于10kA，滿足工程要求。

2）采用雙回路出線時，由于母線上出現數越多，對地電容越大，對雷電流的分流越大，設備上的侵入波過電壓越低。

3）影響變電站雷電侵入特性的因素較多且情況較為復雜，本文將變電站和進線段結合起來計算分析，區分了近區雷和遠區雷，則將雷擊#2 桿的近區雷一直到雷擊#6 桿塔處的遠區雷等多種因素綜合考慮，更符合真實情形。經過電磁暫態計算程序的分析結果顯示，大部分情形下一旦雷擊于#2 桿塔變電站入口時雷電侵入波在電氣設備上產生的過電壓幅值較高，其為變電站的防雷設計提供了參考。

綜上，母線不裝避雷器，在GIS 套管至變壓器出口側加避雷器，帶備用變壓器運行方式在絕緣裕度允許范圍內。

3 結論

通過計算分析發現，即便是母線上裝設避雷器后，GIS 雷電過電壓和變壓器的雷電過電壓還是較高，使得GIS 的絕緣裕度較小，并且在某些運行方式下，線路受雷擊后，主變壓器上的過電壓會超過考慮絕緣裕度后的允許值。同時，初步計算結果表明，在運行方式相同的情況下，取消母線避雷器而不加裝GIS 套管出口處避雷器時，各臺設備上的過電壓水平增加不多，因此可以認為母線避雷器限制過電壓的效果不明顯，可以取消。通過計算結果，本文推薦第三種保護方式：即取消母線避雷器，但必須在GIS 導管至兩臺主變壓器和兩臺備用變壓器側出口處分別加裝避雷器，可以滿足變電站設備安全穩定運行。

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