500 kV GIS变电站雷电侵入波波形分析

2018-09-19，，，，，

四川电力技术 2018年4期

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(1.深圳供电局有限公司，广东深圳 518000；2.西华大学，四川成都 610039)

0 引言

500 kV变电站是电力系统中的枢纽站，在电网正常运行中起着举足轻重的地位。近年来，随着电压高、损耗低、容量大、距离远等先进技术的快速发展，全封闭气体绝缘变电站(gas insulation substation, GIS)已经得到了广泛的运用。该设备的特点是将变电站内各个电气设备全部置于密封的金属壳内，并在其内充入绝缘和灭弧性能良好的SF6气体。基于GIS变电站容量大、占地面积小、运行电压高，且对于内部设备的检修和维护困难的特点，一旦遭受到雷电波侵入，将会产生很高的雷电过电压，威胁设备的绝缘以及整个电网的安全。因此有必要对GIS雷电侵入波波形进行详细分析。

目前对雷电侵入波方面的研究因所建立的模型、计算方法不同，结果都大相径庭。国际上常用的有电磁暂态计算程序ATP-EMTP、IEEE开发的FLASH仿真程序。国内有清华大学编写的防雷分析程序FLFX[1]、西安交通大学开发的SSPP[2]等。下面利用ATP-EMTP对GIS变电站进行等效建模，并且考虑氧化锌避雷器在不同过电压下其残压值的不同，优化避雷器模型的设计。

1 仿真模型的建立

某GIS变电站主接线图如图1所示，2条进线，2条出线，其中变压器为1用1备，容量为750 MVA。由主接线图可知，此变电站采用3/2接线，保证了供电的可靠性。搭建仿真模型时，将变电站和进线端看作一个整体[3]。

图1 GIS主接线

GIS内母线采用波阻抗形式进行等效，其表达式为

(1)

式中：R1为屏蔽导体的内半径;R2为内导体的半径。

变压器等效模型为匝间电容、对地电容以及电感，但在变化瞬间，电感的电流无法突变，因此在计算暂态过电压时将变压器模型等效为入口电容，不同电压等级等值电容如表1所示。

表1 变压器入口电容值

由于研究对象是500 kV变电站，因此选取的入口等效电容为5000 pF。

断路器、隔离开关等效模型随着其分合状态不同而不同，当闭合时，利用波阻抗的形式进行描述，此时与母线等效一样；而当断开时，利用集中参数等效为对地电容。

2条出线架空输电线路等效为波阻抗，因采用分裂导线，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软件自带的模型MOA进行等效，其中避雷器额定电压为420 kV，在MOA模型中动作参考电压取额定电压的两倍，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曲线下陡波冲击电流下的残压为1067 kV，雷电冲击电流下的残压为1006 kV，而在操作冲击下残压为826 kV，其值各不相同。为了更加真实地模拟避雷器的特性，需要探究为何在不同过电压情况下，会有不同的残压值出现。

表2 避雷器的伏安特性

通过对雷电冲击和操作冲击做傅里叶变换后知，雷电冲击的主要频率为300 kHz，而操作冲击的主要频率为250 kHz。由于避雷器内部也存在电感元件，因此在不同的频率下，作用在电感上的电压值也有所不同。而在不同冲击下残压的差值就体现在电感上。基于此思想，在ATP中首先建立整个GIS的等效模型，然后在标准雷电和操作冲击下，对避雷器的电压和电流进行测量，其结果如表3所示。

表3 避雷器测量结果

根据电感在交流电路中的公式：

X=ωL

(2)

式中：ω为系统频率；L为避雷器电感，计算出实际避雷器中串联的电感值为0.546 μH。因此仿真中需与MOA串联一个电感，以模拟真实避雷器的动作特性。

2 确定运行方式

根据电力系统的运行需求及检修计划，在不同的时间段，可能出现不同的运行方式。该变电站主要运行在1进线2出线的工作状态下，因此仿真了5种工作状态：①全运行方式；②单母线双出线运行方式；③单母线单出线运行方式；④双母线单出线运行方式；⑤备用变压器、主变压器同时运行双母线双出线运行方式。在进线与出线端均装设避雷器保护[4-9]，其主接线图如图2至图6所示。图中空盒子表示断路器断开，实心盒子表示断路器闭合。

图2 运行方式①

图3 运行方式②

图4 运行方式③

图5 运行方式④

图6 运行方式⑤

3 仿真分析与比较

雷电流采用标准雷电波形，即1.2/50 μs的双指数雷电波，电流幅值为100 kA，雷电通道波阻抗根据规程[10]取300 Ω对该GIS变电站进行仿真。仿真结果如图7所示。

(A) 运行方式①

(B) 运行方式②

(D) 运行方式④

(E) 运行方式⑤ 图7 仿真分析

根据IEC标准和国内标准：内绝缘裕度取15%，外绝缘裕度取5%～10%，由表4可知，设备均满足绝缘要求。

表4 设备最大过电压绝缘裕度

从图7中可以看出，在不同运行方式下，雷电侵入点处电压幅值均小于1.2 MV，只有在运行方式⑤下，雷电侵入点处的电压幅值达到了1.207 MV，说明当主变压器和备用变压器同时运行(即重负荷情况下)存在雷电波入侵时，对GIS造成的过电压会进一步增大，因此有必要对重负荷下雷电的预防格外重视；此外在不同的运行方式下，衰减的趋势略微不同，有的衰减时，由于遇到末端开路的情况(如运行方式③、④)，会使电压略微的抬升，延长了衰减时间(即增加了雷电过电压的持续时间)。

当单出线运行时(运行方式③、④),站内整个过电压都随着包络线降低，并未出现电压波动的情况。而在双出线时(运行方式①、②、③)过电压值先是出现了下降，随后又周期性升高，其原因是变电站内波阻抗的不一致导致的折返射现象。

在不同的运行方式下，在同一雷电侵入的情况下(同一保护配置下)，各个设备上的雷电过电压的幅值基本一致，说明雷电侵入过电压的幅值主要取决于雷电流的大小，与运行工况关系不大。

图8为某变电站实测雷电侵入波波形。