500 kV GIS變電站雷電侵入波波形分析

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(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.西華大學，四川 成都 610039)

0 引 言

500 kV變電站是電力系統中的樞紐站，在電網正常運行中起著舉足輕重的地位。近年來，隨著電壓高、損耗低、容量大、距離遠等先進技術的快速發展，全封閉氣體絕緣變電站(gas insulation substation, GIS)已經得到了廣泛的運用。該設備的特點是將變電站內各個電氣設備全部置于密封的金屬殼內，并在其內充入絕緣和滅弧性能良好的SF6氣體。基于GIS變電站容量大、占地面積小、運行電壓高，且對于內部設備的檢修和維護困難的特點，一旦遭受到雷電波侵入，將會產生很高的雷電過電壓，威脅設備的絕緣以及整個電網的安全。因此有必要對GIS雷電侵入波波形進行詳細分析。

目前對雷電侵入波方面的研究因所建立的模型、計算方法不同，結果都大相徑庭。國際上常用的有電磁暫態計算程序ATP-EMTP、IEEE開發的FLASH仿真程序。國內有清華大學編寫的防雷分析程序FLFX[1]、西安交通大學開發的SSPP[2]等。下面利用ATP-EMTP對GIS變電站進行等效建模，并且考慮氧化鋅避雷器在不同過電壓下其殘壓值的不同，優化避雷器模型的設計。

1 仿真模型的建立

某GIS變電站主接線圖如圖1所示，2條進線，2條出線，其中變壓器為1用1備，容量為750 MVA。由主接線圖可知，此變電站采用3/2接線，保證了供電的可靠性。搭建仿真模型時，將變電站和進線端看作一個整體[3]。

圖1 GIS主接線

GIS內母線采用波阻抗形式進行等效，其表達式為

(1)

式中：R1為屏蔽導體的內半徑;R2為內導體的半徑。

變壓器等效模型為匝間電容、對地電容以及電感，但在變化瞬間，電感的電流無法突變，因此在計算暫態過電壓時將變壓器模型等效為入口電容，不同電壓等級等值電容如表1所示。

表1 變壓器入口電容值

由于研究對象是500 kV變電站，因此選取的入口等效電容為5000 pF。

斷路器、隔離開關等效模型隨著其分合狀態不同而不同，當閉合時，利用波阻抗的形式進行描述，此時與母線等效一樣；而當斷開時，利用集中參數等效為對地電容。

2條出線架空輸電線路等效為波阻抗，因采用分裂導線，所以波阻抗Z=300 Ω，v=300 m/μs。

采用Y20W5-420/1006避雷器，并直接使用ATP軟件自帶的模型MOA進行等效，其中避雷器額定電壓為420 kV，在MOA模型中動作參考電壓取額定電壓的兩倍，即840 kV。避雷器的伏安特性如表2所示。

由于避雷器在同一V-I曲線下陡波沖擊電流下的殘壓為1067 kV，雷電沖擊電流下的殘壓為1006 kV，而在操作沖擊下殘壓為826 kV，其值各不相同。為了更加真實地模擬避雷器的特性，需要探究為何在不同過電壓情況下，會有不同的殘壓值出現。

表2 避雷器的伏安特性

通過對雷電沖擊和操作沖擊做傅里葉變換后知，雷電沖擊的主要頻率為300 kHz，而操作沖擊的主要頻率為250 kHz。由于避雷器內部也存在電感元件，因此在不同的頻率下，作用在電感上的電壓值也有所不同。而在不同沖擊下殘壓的差值就體現在電感上。基于此思想，在ATP中首先建立整個GIS的等效模型，然后在標準雷電和操作沖擊下，對避雷器的電壓和電流進行測量，其結果如表3所示。

表3 避雷器測量結果

根據電感在交流電路中的公式：

X=ωL

(2)

式中：ω為系統頻率；L為避雷器電感，計算出實際避雷器中串聯的電感值為0.546 μH。因此仿真中需與MOA串聯一個電感，以模擬真實避雷器的動作特性。

2 確定運行方式

根據電力系統的運行需求及檢修計劃，在不同的時間段，可能出現不同的運行方式。該變電站主要運行在1進線2出線的工作狀態下，因此仿真了5種工作狀態：①全運行方式；②單母線雙出線運行方式；③單母線單出線運行方式；④雙母線單出線運行方式；⑤備用變壓器、主變壓器同時運行雙母線雙出線運行方式。在進線與出線端均裝設避雷器保護[4-9]，其主接線圖如圖2至圖6所示。圖中空盒子表示斷路器斷開，實心盒子表示斷路器閉合。

圖2 運行方式①

圖3 運行方式②

圖4 運行方式③

圖5 運行方式④

圖6 運行方式⑤

3 仿真分析與比較

雷電流采用標準雷電波形，即1.2/50 μs的雙指數雷電波，電流幅值為100 kA，雷電通道波阻抗根據規程[10]取300 Ω對該GIS變電站進行仿真。仿真結果如圖7所示。

(A) 運行方式①

(B) 運行方式②

(C) 運行方式③

(D) 運行方式④

(E) 運行方式⑤ 圖7 仿真分析

根據IEC標準和國內標準：內絕緣裕度取15%，外絕緣裕度取5%～10%，由表4可知，設備均滿足絕緣要求。

表4 設備最大過電壓絕緣裕度

從圖7中可以看出，在不同運行方式下，雷電侵入點處電壓幅值均小于1.2 MV，只有在運行方式⑤下，雷電侵入點處的電壓幅值達到了1.207 MV，說明當主變壓器和備用變壓器同時運行(即重負荷情況下)存在雷電波入侵時，對GIS造成的過電壓會進一步增大，因此有必要對重負荷下雷電的預防格外重視；此外在不同的運行方式下，衰減的趨勢略微不同，有的衰減時，由于遇到末端開路的情況(如運行方式③、④)，會使電壓略微的抬升，延長了衰減時間(即增加了雷電過電壓的持續時間)。

當單出線運行時(運行方式③、④),站內整個過電壓都隨著包絡線降低，并未出現電壓波動的情況。而在雙出線時(運行方式①、②、③)過電壓值先是出現了下降，隨后又周期性升高，其原因是變電站內波阻抗的不一致導致的折返射現象。

在不同的運行方式下，在同一雷電侵入的情況下(同一保護配置下)，各個設備上的雷電過電壓的幅值基本一致，說明雷電侵入過電壓的幅值主要取決于雷電流的大小，與運行工況關系不大。

圖8為某變電站實測雷電侵入波波形。

圖8 實測雷電波侵入波

圖8中，B相雷電過電壓最大為1 147.8 kV，與仿真得到最大過電壓1 207.1 kV相近，此外衰減時電壓也隨著包絡線衰減至工頻電壓值，也與仿真結果相同，說明該仿真模型的準確性以及波形的參考性。

4 結 語

通過在ATP中對GIS變電站進行等效建模，仿真雷電入侵的情況。為模擬真實避雷器在不同沖擊下殘壓值不同的情況，在避雷器側串入1個小電感。模擬仿真了雷電流從進線端侵入，得到結論如下：

1)按照進線端、出線端各配置1臺避雷器能有效地防止雷電過電壓，且限制的幅值1.2 MV能夠滿足變電站內絕緣裕度的要求；

2)運行在單出線時，出線端與變壓器端的過電壓都隨著包絡線降低至工頻電壓；

3)GIS變電站內設備過電壓的大小主要取決于雷電流，與運行工況無關；

4)通過與實測雷電過電壓比較，說明了仿真模型的準確性以及波形的可參考性，可為監測到的雷電過電壓波形作為參考。