基于EMTP的GIS中避雷器防雷特性分析

林號(hào)縉　汪洋

摘要：避雷器是GIS重要的防雷設(shè)備，目前承受雷電過電壓時(shí)GIS內(nèi)部設(shè)備中各位置、各設(shè)備電參數(shù)不能具體量化，只能定性分析。筆者采用電磁暫態(tài)程序ATP-EMTP來對(duì)電力系統(tǒng)中GIS變電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行雷擊的模擬和雷擊過程中的參數(shù)測(cè)試，計(jì)算落雷時(shí)GIS各高壓配電裝置和輸電母線上不同位置的過電壓、過電流波形及具體數(shù)值。模擬實(shí)驗(yàn)研究表明MOA避雷器在GIS裝置中起到了良好的防雷保護(hù)效果，并能夠定量地說明不同位置的雷電過電壓數(shù)值，為GIS內(nèi)部各位置、各設(shè)備絕緣的合理布局與配合提供依據(jù)。

Abstract： Arrester is an important lightning protection equipment for GIS. At present， the electrical parameters of each position and equipment in GIS internal equipment cannot be quantified when subjected to lightning overvoltage， and can only be qualitatively analyzed. The author uses the electromagnetic transient program ATP-EMTP to simulate the lightning strike of the GIS substation in the power system and the parametric test during the lightning strike， and calculate the overvoltage overcurrent waveform and specific values at different positions of the GIS high voltage power distribution device and the transmission bus during the lightning strike. The simulation experiment shows that the MOA arrester plays a good lightning protection effect in the GIS device， and can quantitatively explain the lightning overvoltage values at different locations， which provides a basis for the reasonable layout and cooperation of the various locations and equipment insulation inside the GIS.

關(guān)鍵詞：GIS線路;避雷器;防雷特性;EMTP;雷電過電壓

Key words： GIS line;lightning arrester;lightning protection;EMTP;lightning overvoltage

中圖分類號(hào)：TM86? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）12-0195-04

0? 引言

Gas Insulated Substation（全封閉組合電器）設(shè)備因?yàn)槠渚哂姓嫉孛娣e小、元件不受外界干擾、操作機(jī)構(gòu)無油化、無氣化、有較高運(yùn)行可靠性等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。在雷雨天氣，220kV的GIS變電站的線路上很容易產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓形成的雷電波沿線路入侵GIS變電站，危害設(shè)備及母線，因220kV變電站屬于區(qū)域電力網(wǎng)，一旦因?yàn)槔讚舳棺冸娬镜脑O(shè)備和母線受損，往往會(huì)導(dǎo)致大面積停電，造成嚴(yán)重后果。

但是在目前的避雷器防雷保護(hù)中，避雷器長(zhǎng)期處于系統(tǒng)工作電壓之下，勢(shì)必對(duì)其工作性能和壽命也是一種挑戰(zhàn)，并且其自身仍存在過電壓防護(hù)的問題，對(duì)于變電站里能量很大或有補(bǔ)充能源的過電壓，存在承受能力差、損壞爆炸率高、壽命短的特點(diǎn)，我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模加大，尤其特高壓交、直流輸電線路是能源輸送的重要通道，其規(guī)劃和建設(shè)規(guī)模增速明顯，同時(shí)，在全球氣候變化的背景之下，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，雷電活動(dòng)增強(qiáng)趨勢(shì)明顯，電網(wǎng)防雷面臨若干較突出問題。[1，2，5]

目前GIS內(nèi)部設(shè)備中各位置、各設(shè)備承受的雷電過電壓不能具體量化，只能定性分析，而本文可以基于ATP-EMTP軟件模擬出GIS各位置過電壓的量化值，對(duì)MOA避雷器防雷特性進(jìn)行研究和探討，為GIS內(nèi)部各位置、各設(shè)備絕緣進(jìn)行合理布局與配合提供依據(jù)。在EMTP中廣泛采用選用的220kV的Type 92型ZnO避雷器模型特性采用多段指數(shù)來表示，具體避雷器參數(shù)如表1所示。

1? 避雷器及GIS線路的EMTP模型

GIS變電站線路結(jié)構(gòu)圖，將大部分原本被直接或間接密封在金屬管道和套管所組成的管道樹中的電氣設(shè)備線路圖簡(jiǎn)單并完整的呈現(xiàn)出來，并且加入雷電波的雷擊入侵通道和電力系統(tǒng)的發(fā)電模塊，假設(shè)雷電波入侵位置是GIS外的出線上。因此本線路結(jié)構(gòu)圖由斷路器、母線、隔離開關(guān)、電容式電壓互感器、避雷器、出線套管、雷電流入侵通道和220kV發(fā)電機(jī)8部分組合而成。

在線路中的各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)安設(shè)電流檢測(cè)裝置和電壓檢測(cè)裝置，本課題主要關(guān)注長(zhǎng)達(dá)40m的母線上的雷電過電壓情況以查看該變電站的運(yùn)行狀況，支路母線上各點(diǎn)的雷電入侵波過電壓隨著位置的不同而不同，因此需要在支路母線上每隔2m的距離設(shè)置一個(gè)電壓觀測(cè)點(diǎn)，將雷電波入侵過程和各部分過壓情況進(jìn)行充分的展現(xiàn)。

根據(jù)《變電站電纜選型手冊(cè)（6kV-220kV）》對(duì)仿真中的電纜線路進(jìn)行選擇和參數(shù)的設(shè)定。選定仿真中的線路采用波阻抗模型，GIS支路母線的波阻抗為75Ω，波速為285km/μs，220kV的輸電線路的波阻抗取300Ω，波速為299km/μs。EMTP仿真模型如圖1所示。

2? 雷電流波形特性及EMTP模型

電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)計(jì)算中要求將雷電流波形用公式描述便于處理，本次模擬采用當(dāng)前較為常用的雙指數(shù)函數(shù)模型為：

雙指數(shù)函數(shù)公式中，α為雷電流波頭衰減系數(shù);β為波尾衰減系數(shù);η為峰值修正系數(shù)，Io/η為雷電波幅值。這樣通過雙指數(shù)波形函數(shù)，只要已知α、β和幅值就可以得到不同的與自然界相接近的雷電流波形，進(jìn)行仿真計(jì)算。采用雙指數(shù)模型的雷電流波形如圖2所示。[11-13]

由圖2縱軸上的0.1、0.9、1.0三個(gè)刻度作三條橫軸的平行線，前兩條平行線分別與波形圖交A、B兩點(diǎn)，過A、B兩點(diǎn)作一條直線該直線與第三條平行線和橫軸交于C、D兩點(diǎn)由C點(diǎn)引橫軸垂線，其垂足E，ED段為波頭時(shí)間記t1;再由0.5作平行線，該平行線與波形曲線的波尾部分交于F點(diǎn)從F點(diǎn)引橫軸垂線，垂足為G，GD段就為波長(zhǎng)時(shí)間，記為t2。

雷電流采用《DL T 620-2016交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中推薦的2.6/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流進(jìn)行模擬，波頭時(shí)間為2.6μs，半波時(shí)間為50μs。參數(shù)設(shè)置為：Amplitude=18400A，α=1.5E-6，β=5E-5。基于EMTP軟件得出的雷電流模擬波形如圖3所示。

3? EMTP模擬仿真

由于雷電過電壓模型的等效頻率高達(dá)10kHz-1MHz，在如此高的頻率下，一般的電氣設(shè)備只體現(xiàn)出電容性，因此在仿真的時(shí)候，剩下的電氣設(shè)備均可以等效為一個(gè)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?個(gè)阻抗不等的電容。本次仿真中，出線電容互感器的電容為5000pF，出線套管入口電容67pF，隔離開關(guān)入口電容210pF，斷路器入口電容125pF。

為了可以得到精度較高的波形，并且使波形完整地呈現(xiàn)需要對(duì)仿真環(huán)境的部分參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置，根據(jù)分析本次仿真的各模型數(shù)據(jù)可以得出，應(yīng)該將模擬步長(zhǎng)（delta T）設(shè)為1E-9，最大模擬時(shí)間（max time）設(shè)為1E-4。無避雷器時(shí)GIS內(nèi)距雷電波入侵點(diǎn)分別為0m、10m、20m及30m時(shí)的過電壓情況如圖4所示。有避雷器時(shí)，以落雷位置距GIS300m為例的EMTP模擬MOA電壓及泄放電流波形如圖5所示。GIS線路各節(jié)點(diǎn)過壓情況如圖6所示。從圖5和圖6（GIS內(nèi)距雷電波入侵點(diǎn)分別為0m、10m、20m及30m時(shí)的過電壓）中僅能看到有避雷器時(shí)GIS線路各位置電壓有所下降，考慮到各電纜線和設(shè)備的實(shí)際工作情況，過電壓值均取最大幅值，各項(xiàng)電壓（電流）具體數(shù)據(jù)列于表2中。

對(duì)GIS線路和設(shè)備具有一定的防雷過電壓的效果，但GIS變電站支路母線及其設(shè)備仍然承受雷電流入侵帶來的較高的過電壓，但對(duì)比不帶避雷器仿真模型圖所得到的支路母線各點(diǎn)電壓波形圖來看，避雷器仍然對(duì)GIS變電站起到了一定的保護(hù)作用，支路母線上的電壓值在雷電波入侵時(shí)很快上升到一個(gè)很高的值，又很快回到一個(gè)較為安全的電壓區(qū)間浮動(dòng)，但是發(fā)現(xiàn)其保護(hù)效果不太明顯，雷電波入侵時(shí)的過電壓瞬時(shí)值還是過大，從避雷器附近的仿真波形圖上看，避雷器上的過電壓具有極大的不穩(wěn)定性，避雷器的保護(hù)僅僅只有在雷電波入侵時(shí)的兩個(gè)尖波時(shí)起作用，避雷器防雷導(dǎo)通放電的時(shí)間過短，這可能是仿真中保護(hù)作用不太明顯的原因之一。

分析表2數(shù)據(jù)可知，當(dāng)落雷位置距離GIS線路50m時(shí)，支路母線0節(jié)點(diǎn)位置的電壓由765.94kV下降至607.53kV，降幅高達(dá)158.41kV，下降了20.68%，沿著支路母線測(cè)量節(jié)點(diǎn)，過電壓的測(cè)量值由607.53kV逐漸下降至220kV，說明距離入侵位置越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，電壓值越低，越接近母線的工頻電壓，并且越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，過電壓下降百分比越小。當(dāng)落雷位置有一定距離后，線路上產(chǎn)生的過電壓值開始減小，在落雷位置為50m時(shí)的0節(jié)點(diǎn)有避雷器和無避雷器的過電壓值分別為607.53kV和765.94kV，而當(dāng)落雷位置增大后，過電壓值分別為592.05kV和714.23kV，分別下降了15.48kV和51.71kV，而此時(shí)因避雷器保護(hù)而呈現(xiàn)的過電壓下降率也因過電壓值的下降而有所下降，并且避雷器電流也有所下降由原來的9.12kA下降至6.85kA。

4? 總結(jié)

本文以220kVGIS變電站為模型，利用EMTP計(jì)算了幾種不同落雷位置時(shí)有無避雷器情況下GIS線路的過電壓情況，進(jìn)而分析GIS中避雷器防雷特性并給出具體量化數(shù)值。通過模擬分析得出如下結(jié)論：

①GIS線路中的避雷器在其在被雷電流入侵時(shí)，具有一定的保護(hù)作用。②避雷器對(duì)GIS的保護(hù)作用有一定局限性，仍然會(huì)產(chǎn)生很高的雷電過電壓，盡管從波形圖上來看時(shí)間很短，且不太明顯，但仍然需要重視。③避雷器主要的保護(hù)效果體現(xiàn)在距離避雷器近的線路和設(shè)備上，對(duì)于遠(yuǎn)離避雷器的設(shè)備和線路，保護(hù)效果有所下降。④在線路受雷電流入侵時(shí)，從波形圖上來看，產(chǎn)生了瞬間高頻電壓振蕩，在設(shè)計(jì)線路和選擇電氣設(shè)備時(shí)應(yīng)給予關(guān)注。

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