特高壓GIS變電站雷電侵入波過電壓分析

王 亮，賈東瑞，屈彥明，趙東成

（河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031）

0 引言

特高壓變電站是整個電力系統的樞紐站，一旦雷擊損壞，將直接影響電網的安全運行，因此變電站要求有可靠的防雷保護措施。變電站遭受雷害來自兩方面：直擊雷，即雷直擊變電站，造成設備損壞；雷電侵入波，即雷擊中輸電線路桿塔或避雷線，造成絕緣子閃絡或者雷擊導線，侵入波沿著線路傳進變電站。經過大量的實驗研究，證實由于雷擊造成設備損壞的主要因素是雷電侵入波過電壓［1－3］。

以下利用電力系統電磁暫態仿真軟件ATPEMTP，對典型1 000kV 特高壓GIS變電站的雷電侵入波過電壓進行詳細計算研究，著重分析影響變電站內主要電氣設備過電壓水平及分布的各種因素，并對避雷器初始配置方案進行優化計算與分析。

1 系統參數

以國內某1 000kV 特高壓GIS變電站為例，利用ATP－EMTP 建立完善的計算模型。雷電模型、進線段線路模型、絕緣子閃絡模型、避雷器模型均根據系統參數進行設定。變電站內的設備，如變壓器、隔離開關、斷路器、互感器、電抗器等均采用等值沖擊入口電容表示。

1.1 特高壓變電站主接線

該變電站1 000kV 配電裝置側采用3／2接線方式。本期工程建設4回出線及1號、2號主變壓器，配成2個完整串及2個不完整串。其中3回線路裝有1 000kV 高壓電抗器。圖1為變電站電氣主接線圖。以該變電站的電氣主接線方式及設備選型作為典型算例，進行雷電侵入波過電壓的分析計算。

1.2 雷電流參數

我國現行行業標準推薦雷電流幅值概率曲線可用下式表示：logP＝－I／88，其中，P表示幅值等于和大于I（kA）的雷電流概率。

圖1 1 000kV 特高壓變電站電氣主接線示意

按慣用法進行反擊計算時可根據變電站防雷可靠性要求，選取某一累積概率下的幅值。對于正常運行方式，其反擊雷電流計算值取為250kA；對于繞擊方式，可根據電氣幾何模型求出最大的繞擊電流Im。

表1列出了該變電站1 000kV 側地面傾斜角按3°考慮時，采用電氣幾何模型計算出的最大繞擊電流值和計算選取的繞擊電流值。

表1 1 000kV側進線段最大繞擊電流

1.3 進線段模擬

該變電站進線段采用同桿雙回塔架設。考慮近區雷擊和遠區雷擊，根據桿塔的具體情況，反擊和繞擊的雷擊點均選在線路的1－5號桿塔塔頂。進線段的導線型號為8×LGJ－630／45，地線型號為JLB40－185。

輸電線采用單相導線和雙避雷線構成的多導線耦合系統，用多相分布參數線路模擬。同桿雙回塔按自然尺寸用多段分布參數模擬［4－5］。特高壓進線段桿塔尺寸、塔型見圖2。

1.4 避雷器（MOA）布置方案

通過研究，1 000kV 特高壓避雷器可選用額定電壓為828kV 的氧化鋅避雷器。線路CVT 和線路高壓電抗器共用一組避雷器，主變壓器側裝設一組避雷器。由于本期僅上四回出線，在本期初步計算時GIS 母線按暫不裝設避雷器布置，計算該變電站本期各設備上的雷電過電壓。避雷器的伏安特性如圖3所示。

圖2 進線段桿塔尺寸

圖3 避雷器伏安特性曲線

2 系統模型

2.1 計算等值圖

在計算中，變電站設備如特高壓變壓器、電容式電壓互感器（CVT）、GIS內部的斷路器、電流互感器、隔離開關和母線電壓互感器等均采用該設備的入口電容，各設備的入口電容數值見表2。

GIS波阻抗取值95 Ω，波速為250 m／μs。GIS到變電站設備間連線波阻抗取250Ω，波速為300m／μs。

由此得到該變電站1 000kV 側雷電侵入波計算電氣等值圖見圖4。

表2 各設備的入口電容數值

圖4 1 000kV 側雷電侵入波計算電氣等值示意

2.2 計算選用的運行方式

該變電站1 000kV 側本期正常運行方式為四線兩變。計算選用的運行方式除正常運行方式外，一般可按線路N－1 和N－2 選擇［6］。選擇運行方式的依據為使得變電站運行元件數量最少以及雷電侵入波經過GIS母線最長。研究中偏嚴考慮選“一線一變”以及“兩線一變”中最嚴重運行方式進行計算。選用的運行方式編號和電氣接線簡圖見表3。

3 雷電侵入波過電壓計算

3.1 設備絕緣允許過電壓

根據研究結果［7］，高壓電抗器與變壓器的內絕緣雷電沖擊耐受電壓為2 250kV，外絕緣雷電沖擊耐受電壓為2 400kV，其余設備的內外絕緣雷電沖擊耐受電壓為2 400kV。

考慮絕緣裕度，“一線一變”及“兩線一變”運行方式下，內絕緣取1.15，外絕緣取1.05，則變壓器和高壓電抗器內絕緣允許過電壓為1 956kV，其余設備的內絕緣允許過電壓為2 087kV，1 000kV設備的外絕緣允許過電壓為2 286kV。

表3 本期最嚴重運行方式電氣接線簡圖

3.2 繞擊侵入波過電壓

該變電站1 000kV 側本期建設2臺主變壓器及4回出線，配成2個完整串及2個不完整串。由于本期所建設母線較短，初步計算時按母線不裝設避雷器計算。計算時，繞擊電流按表1選取。表4列出了雷電流繞擊于1－5號塔時變電站各設備上的繞擊侵入波過電壓最大值。

表4 本期繞擊侵入波過電壓（母線無避雷器）

由表4可以看出，本期工況下，線路高壓電抗器與線路CVT 共用一組避雷器，主變壓器側布置一組避雷器，母線不裝設避雷器時，“一線一變”及“兩線一變”最嚴苛工況下變電站各設備繞擊侵入波過電壓值均能滿足絕緣裕度的要求。

3.3 反擊侵入波過電壓

對 于1 000kV 變 電 站，1 000V 進 線 段 線 路的絕緣水平較高，一般不發生反擊閃絡，沿進線段傳入變電站的主要是感應過電壓，其幅值較低。表5列出了本期母線未裝設避雷器時，正常運行時最嚴重運行方式下的反擊侵入波過電壓計算結果。從表中可以看出，本期正常運行方式下各設備反擊侵入波過電壓幅值均較低，均能滿足絕緣裕度要求。

表5 本期反擊侵入波過電壓（母線無避雷器）

4 絕緣水平校驗

4.1 最大侵入波過電壓

表6列出了該變電站本期工況下運行時，主變壓器上安裝一組額定電壓828kV 避雷器，線路CVT 與高壓電抗器共用一組避雷器，母線上不裝設避雷器時，最嚴重運行方式下的最大侵入波過電壓。

表6 本期最大侵入波過電壓（母線無避雷器）

4.2 絕緣水平校驗

表7列出了該變電站本期運行時推薦的設備絕緣水平和相應的絕緣配合裕度對于設備絕緣裕度，IEC 60071－2標準和GB／T 311－2推薦：對內絕緣，正常運行方式裕度系數取1.15，單線運行方式裕度系數取1.1；外絕緣的裕度系數取1.05。該變電站所處海拔高度低于1 000m，可不進行海拔修正。

表7 設備絕緣水平校驗

由表7可以看出，該變電站本期的設備絕緣額定雷電沖擊耐受電壓值均有較大的裕度，能夠滿足雷電侵入波過電壓的要求。

5 結束語

經仿真分析可知，該變電站1 000kV 配電裝置均采用額定電壓為828kV 的避雷器，變壓器側裝設一組避雷器，出線回路CVT 與高壓電抗器共用一組避雷器，本期母線不裝設避雷器。此種避雷器布置方案優化了站內設備布置和工程投資，按“一線一變”方式運行情況，本期各設備上的反擊、繞擊侵入波過電壓水平均在絕緣允許范圍內，可以滿足在出現雷電侵入波工況下變電站設備安全穩定運行要求。

［1］張翠霞，杜澍春，葛 棟.1 000kV 特高壓變電站防雷保護和設備絕緣水平［J］.中國電力，2006，39（10）：21－23.

［2］劉振亞.特高壓交流輸電技術研究成果專輯（2005年）［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］DL／T 620－1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］.

［4］陳水明，王 威，于化鵬，等.計及工頻電壓的特高壓變電站雷電侵入波過電壓分析［J］.高電壓技術，2010，36（8）：1852－1857.

［5］張永記，司馬文霞，張志勁.防雷分析中桿塔模型的研究現狀［J］.高電壓技術，2006，32（7）：93－97.

［6］莊秋月.1 000kV 變電站雷電侵入波的分析研究［D］.北京：北京交通大學，2010.

［7］袁海燕，博正財，魏本剛，等.沖擊電暈對特高壓輸電線路繞擊耐雷水平的影響分析［J］.中國電機工程學報，2009，29（25）：111－117.