500kV GIS变电站雷电侵入波过电压的 计算分析

杨海龙 陈 鑫 李荷薇 张 洛 刘雨晴

（西华大学，成都 610039）

变电站是电网骨架的中枢点和输电线路的融汇点，在电力网络中占有极其重要的地位。随着科技水平的提高，GIS 设备在由雷击造成的电力系统故障研究中的应用日益广泛。在进行变电工程设计时，考虑到变电站设备的绝缘水平较低，电气设备的绝缘不能自恢复，故要全面考虑过电压的保护问题[1]。对于500 kV GIS 变电站，因其容量大、占地面积相对较小、耗资昂贵、运行电压高，且GIS 设备的封闭性对其检修难度大，一旦雷电侵入波在变电站运行设备上产生很高的过电压，将威胁电力系统的安全稳定运行。所以研究GIS 变电站雷电侵入波过电压的计算分析有现实意义，文章以国华电厂500kV GIS 变电站为例，以500kV 变电站的雷电侵入波过电压为模型，通过采ATP-EMTP 计算程序对其研究和分析。同时将变电站和进线段结合起来考虑，分别对绝缘子串、进线端、GIS 进行了模拟。本文采用的是EMTP 计算程序是世界范围内应用最为广泛的电磁暂态计算标准程序，ATP-EMTP 的仿真分析,为变电站规划设计、试验研究以及调度运行提供了重要参考数据,

1 模型的建立

雷电流波形取标准波形，即2.6/50μs 的斜角 波[2]。反击时雷电通道波阻抗取300Ω；绕击时取 800 Ω[3]。本文以216kA 作为反击雷电侵入波过电压计算中电流，其概率为3.5‰，具有相当高的可靠 性[4]。因为雷击塔顶时雷电过电压最严重，故在反击计算时需考虑雷击杆塔塔顶的情况，而不考虑雷击档距中央避雷线的情况。雷击档距中央时，如果导线与避雷线之间发生闪络，一般都是不满足规程要求出现的结果，即便引起绝缘子串闪络形成反击，也没有雷击杆塔时严重。

研究中不再局部考虑变电站和进线段，因为这样无法反映雷电波实际传播的情况，而是将其结合起来计算分析，并进一步解释了诸因素的影响： ①落雷点的选择分别考虑了进线段上的每一基杆塔。因近区落雷因距离短冲击电晕作用不大，就没有考虑冲击电晕的作用。远区落雷在进线段2km 处的第六基杆塔，同时利用波在进线段传播后的时延来考虑因冲击电晕作用引起的波的衰减和变形[5]；②因杆塔冲击接地电阻Rch的大小对侵入波有较大影响，于是考虑了杆塔冲击接地电阻Rch＝10 Ω的情况，门型构架的冲击接地电阻Rch取为4Ω；③由于杆塔较高波在杆塔中传播需要时间，将杆塔用分布参数考虑，用波阻抗进行计算，雷电波在杆塔中的传播速度为2.1×108m/s（0.7 倍光速）[5-7]；④杆塔绝缘子串上的闪络电压并非固定值，可用伏秒特性来表示。这与电压波形在其上的作用有关，杆塔冲击接地电阻Rch、雷电流参数等与作用在绝缘子串上的冲击电压紧密联系。计算时考虑了杆塔绝缘子串的冲击伏秒特性，其恰当模拟了绝缘子串的实际闪络过程并采用了EMTP 程序中的TACS（数值仿真）功能对其进行计算。

杆塔的波阻抗通过下面的公式计算：

考虑到工程实际情况，Zgt在实际计算中取126Ω。 虽然在超高压电网中单相和三相电路的选择对计算变电站内的电气设备最大过电压影响微乎其微，差别十分小，但两者的运算量却相差很大。因此，对变电所用单相电路进行防雷计算是可行的，也是更简便实用的，故只考虑单相负极性雷电冲击波的入侵，输电线路波阻抗采用单相等值波阻抗进行计算。站内导线近似认为是无畸变线，不计电晕影响，波阻抗为不变量，这是从严考虑[5]。

导线和避雷线的波阻抗计算公式：

式中，ha为导线平均高度，re为导体等值半径。参考规程规定，导线波阻抗取为280 Ω，避雷线波阻抗取为200Ω[6-8]。

进线段绝缘子串采用 30 片绝缘子（XWP2－160）。由于缺乏该绝缘子的伏秒特性，本次计算参考了28 片XP-160 绝缘子的伏秒特性。

表1 绝缘子串正极性放电的伏秒特性

绝缘子串负极性放电电压为绝缘子串正极性放电电压的1.13 倍。GIS 为同轴圆柱结构，可用同轴圆柱的电感和电容计算公式进行计算：

式中，R1、R2为GIS 的内外径，由此可以算出GIS的波阻抗为75 Ω，波速取0.6 倍光速[9-10]。

本次计算分析数据中采用三菱公司的MOA 数值，母线和变压器上MOA 的额定电压为420kV，线路侧MOA 的额定电压为444kV。其标称放电电流均为20kA，MOA 的伏安特性如表2所示。

表2 MOA 的伏安特性

2 过电压计算

该变电站一期工程为两条出线，两回线路至主变压器，从母线Ⅰ引一回线路至备用变压器，以下计算的第一部分是考虑单回和双回出线经单母线至一台变压器不带备用变压器运行时的雷电侵入波过电压较高的严峻情况，多条进线和带双母线运行时，过电压水平会随之降低，引起雷击故障的可能性也就越小；第二部分是对变电部分的实际运行情况的计算，即带热备用变压器运行；第三部分是通过分析比较前面在母线上装设避雷器后的计算结果，发现站内设备侵入波过电压偏高后，改变避雷器配置方式而进行的计算，即母线无避雷器，在GIS 套管至变压器出口侧加避雷器，带备用变压器运行。由于第一基杆塔的耐雷水平大于240kA，故雷击杆塔由第二基开始计算。计算中过电压水平超过考虑绝缘裕度后的设备允许值用黑体标出，主要运行方式有六种，见图1至图6。

本文通过电磁暂态计算程序对上图GIS 变电站六种运行方式进行了大量的分析计算，主要研究数据结果分析如表3至表8所示。

图1 运行方式一N1M1B1

图2 运行方式二N12M1B1

图3 运行方式三N1M1B1-B3

图4 运行方式四N12M1B1-B3

图5 运行方式五N1M1B1-B3-B4

图6 运行方式六N12M1B1-B3-B4

1）母线装有避雷器，单台主变不带备用变压器运行时

（1）单回出现出现时的侵入波过电压的计算

表3 运行方式一N1M1B1

（2）双回出线时的侵入波过电压计算

表4 运行方式二N12M1B1

2）母线上均装有避雷器，单台主变带备用变压器运行

（1）单回出线时的侵入波过电压计算

表5 运行方式三N1M1B1-B3

（2）双回出线时侵入波过电压计算

表6 运行方式四N12M1B1-B3

3）母线不装避雷器，在GIS 套管至变压器出口侧加避雷器，带备用变压器运行

（1）单回出线时的侵入波过电压计算

表7 运行方式五N1M1B1-B3-B4

（2）双回出线时的侵入波过电压计算

表8 运行方式六N12M1B1-B3-B4

根据上面计算出的数据结果显示：

1）在母线未装避雷器的情况下，在GIS 套管至变压器出口侧加避雷器，带备用变压器运行方式GIS 设备、变压器上的过电压明显降低，流过站内避雷器MOA 的最大电流小于10kA，满足工程要求。

2）采用双回路出线时，由于母线上出现数越多，对地电容越大，对雷电流的分流越大，设备上的侵入波过电压越低。

3）影响变电站雷电侵入特性的因素较多且情况较为复杂，本文将变电站和进线段结合起来计算分析，区分了近区雷和远区雷，则将雷击#2 杆的近区雷一直到雷击#6 杆塔处的远区雷等多种因素综合考虑，更符合真实情形。经过电磁暂态计算程序的分析结果显示，大部分情形下一旦雷击于#2 杆塔变电站入口时雷电侵入波在电气设备上产生的过电压幅值较高，其为变电站的防雷设计提供了参考。

综上，母线不装避雷器，在GIS 套管至变压器出口侧加避雷器，带备用变压器运行方式在绝缘裕度允许范围内。

3 结论

通过计算分析发现，即便是母线上装设避雷器后，GIS 雷电过电压和变压器的雷电过电压还是较高，使得GIS 的绝缘裕度较小，并且在某些运行方式下，线路受雷击后，主变压器上的过电压会超过考虑绝缘裕度后的允许值。同时，初步计算结果表明，在运行方式相同的情况下，取消母线避雷器而不加装GIS 套管出口处避雷器时，各台设备上的过电压水平增加不多，因此可以认为母线避雷器限制过电压的效果不明显，可以取消。通过计算结果，本文推荐第三种保护方式：即取消母线避雷器，但必须在GIS 导管至两台主变压器和两台备用变压器侧出口处分别加装避雷器，可以满足变电站设备安全稳定运行。

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