氧化锌避雷器在500 kV GIS变电站中的防雷作用

李东坡，张明理

(1．深圳市禾望电气有限公司，广东 深圳 518055;2．辽宁省电力有限公司规划评审中心，辽宁 沈阳 110058)

GIS变电站的雷害来源主要有两种:一是雷直击变电站;二是沿线路传过来的雷电波。由于变电站的设备相对集中，采用避雷针、避雷线后可以非常有效地防护直击雷电过电压，而雷击线路的机会远比雷直击变电站多，因此沿线路侵入变电站的雷电过电压行波是对变电站电气设备构成威胁的主要方式［1－3］。

对于输电线路和GIS变电站的防雷，目前采取的主要措施之一是安装金属氧化锌避雷器，后者由于具有非线性好、响应速度快、吸收能量大以及无续流等优点而得到了广泛的应用。文献 ［4］在PSCAD/EMTDC中建立了包含线路避雷器的10 kV输电系统模型，并对安装不同数量的避雷器进行了仿真分析研究。文献 ［5］对某220 kV变电站的雷电过电压进行了仿真计算和分析，研究了GIS母线上安装避雷器对变电站雷电侵入波的防护效果。

本文针对国内某500 kV GIS变电站，在雷电沿最不利路径侵入的情况下，用国内外广泛使用的电磁暂态程序 (ATP－EMTP)，对变压器端口及各主要设备上可能出现的最大雷电过电压进行了仿真计算，同时，对氧化锌避雷器的防雷效果进行了讨论。

1 氧化锌避雷器

氧化锌避雷器内部是非线性较好的氧化锌阀电组装。在正常工作电压下，氧化锌阀具有较高的电阻而呈绝缘状态;在雷电过电压作用下，则呈低阻状态，泄放雷电流，相当于导体。

1.1 工作原理及特性

在陡波电流的作用下，氧化锌避雷器的阀片相当于一个阻值极高的非线性电阻与电容器的并联，当加于阀片的电压低于某一临界值时，阀片相当于极高阻值的电阻，即在正常电压范围内它的斜率几乎为无限大;而在较高电压时，阀片在过电压保护范围内的斜率几乎是零。避雷器电阻的非线性用指数函数描述，其电流电压之间的关系服从下述规律:

式中:p、q为特性常数;Uref为参考电压，通常取避雷器额定电压的两倍或接近于两倍的值［6－7］。氧化锌避雷器的伏安特性曲线如图1所示。

图1 氧化锌避雷器伏安特性

1.2 雷电波作用下的模型

国外很早就对雷电波作用下氧化锌避雷器的等效模型进行研究，目前已经比较成熟，其中以IEEE工作组和意大利学者Pinceti提出的模型尤为突出。研究发现，氧化锌避雷器在陡波电流的作用下存在残压过冲的现象，在波头时间为μs级的雷电波作用下，氧化锌避雷器呈现出感性阻抗特征。IEEE 3.4.11工作组对此进行深入研究，并提出如图2所示的模型。该模型适用于电流波头时间为0.5～4.5μs的雷电波或操作波，但是对其参数的确定却非常困难。此后，意大利学者 Pinceti对IEEE工作组的模型进行简化，提出了如图3所示的模型。以上两种模型都能够准确地描述氧化锌避雷器在雷电波作用下的动态特性。本文选取后者进行建模计算。

2 仿真计算与分析

本文选取国内某500 kV GIS为研究对象，图4是其单相接线图。该变电站包括三回进线和两回出线，两回出线分别经过架空线与其它变电站相连。图中，M表示母线，TM表示变压器，DS表示隔离开关，CB表示断路器，MOA表示金属氧化锌避雷器，TV表示电压互感器。本文选取雷击进线端架空线路杆塔反击形成的雷电波作为侵入波，包括近区反击和远区反击，雷击点选为进线端的1～6号杆塔，以雷击6号杆塔为远区雷击，其余为近区雷击。

图4 500 kV GIS接线方式示意图

变电站的防雷保护主要就是合理配置避雷器的数量和位置，使得雷电侵入波入侵变电站时，各电气设备都在避雷器的保护范围内，其上的雷电过电压小于各设备的雷电冲击耐受电压，并留有足够的绝缘裕度。同时在安全性满足的前提下，也要注意经济性的要求。

本文在计算时选择对防雷保护最严重的运行方式 (电气设备上出现的过电压水平最高);单进单出的运行方式。同时考虑到输电线路上有电抗器和没有电抗器两种情况，具体选择以下两种运行方式(见表1)。

计算中，同时考虑雷击进线端各个杆塔。两种运行方式的等值电路见图5，图6。

表1 隔离开关操作方式组合

2.1 进线入口处装设避雷器

先就仅在进线入口处装设线路型避雷器的情况进行计算。在这种保护方案下，变电站内没有装设任何避雷器，要想保护整个变电站内的电气设备是很困难的，其计算的目的就是分析侵入波过电压在变电站内的分布规律，进而确定可靠经济的保护方案。计算结果列于表2、表3中。

表2 运行方式1的计算结果 kV

表3 运行方式2的计算结果 kV

由表2可以看出，杆塔3号落雷时，变压器上的过电压最高，为1 140.8 kV，但其与允许最高过电压1 394 kV相比，满足绝缘裕度要求;GIS内部的过电压水平较高，杆塔2号落雷时，隔离开关上的过电压高达到1 640.6 kV，超出了GIS的耐受电压。由表3可以看出，杆塔2号落雷时，电抗器上的过电压达到了1 689.3 kV，超出了其耐受电压;变压器上的最高过电压为733.32 kV，满足绝缘要求;其他设备的过电压均符合绝缘要求。

整体上看，杆塔2号与杆塔3号落雷时，产生的雷击过电压较高。这是由于1号塔和变电站的终端门型构架 (也称0号塔)距离较近，再加上门型构架的冲击接地电阻比较小，雷击1号塔塔顶时，经地线由0号塔返回的负反射波很快返回1号塔，降低了1号塔电位，使侵入波过电压减小。而2号塔、3号塔离0号塔较远，受负反射波的影响较小，过电压较高。

2.2 GIS入口加装避雷器

由以上计算可知，GIS内部过电压超出了其绝缘耐受电压，现考虑在GIS入口加装电站型避雷器。计算时考虑的运行方式同上。计算结果如表4，表5所示。

表4 运行方式1下GIS入口加避雷器的计算结果 kV

表5 运行方式2下GIS入口加避雷器的计算结果 kV

由表4、表5可以看出，GIS入口加装避雷器以后，运行方式1下隔离开关上的最大过电压降低到1 276.8 kV，满足其绝缘要求。运行方式2下各电器设备过电压有所下降，但下降幅度很小，杆塔2号落雷时，电抗器上的过电压为1 641.5 kV，仍高出其耐受电压，说明单独使用此方案不能有效报告GIS变电站。

2.3 电抗器附近加装避雷器

为了更好地限制电抗器上的过电压，降低整个变电站的过电压水平，考虑在电抗器附近再加装电站型避雷器。计算结果如表6所示。

由表6可以看出，电抗器附近加装避雷器以后，其上的过电压明显减小。另外，所有电气设备上的过电压均满足绝缘要求。

表6 运行方式2下GIS入口和SR附近同时加避雷器的计算结果 kV

2.4 主变侧装设避雷器

电力变压器是变电站的重要电气设备，由于其结构特殊，雷击过电压往往对其绝缘造成很大的危害，甚至使绝缘击穿。变电站绝缘保护当中，通常在主变侧加装电站型避雷器来限制过电压。表7是主变侧加装电站型避雷器前后变压器上过电压的计算结果对比。

表7 主变侧加装避雷器对其过电压的影响 kV

由表7可以看出，主变侧加装避雷器后，两种运行方式下的变压器过电压均有所减小，可见，这种配置方案对抑制变压器过电压有很好的效果。

另外，通过计算，在以上所有的运行方式和配置方案下，通过避雷器的雷电流均小于10 kA，而我国规定500 kV系统设有多个避雷器时，每组不大于10 kA，使得其既能保护其他电气设备，又不会因为过高的冲击电流而烧毁，通过计算本文对避雷器的选择符合要求。

3 结论

a． 在研究500 kV变电站雷电侵入波时，将变电站和进线端结合起来，看成一个整体，区分近区和远区雷击，即雷直击于变电站入口 (1号杆塔)处一直到雷击进线端2 km(6号杆塔)处的几种情况。计算的结果表明，雷击于2号和3号杆塔时站内电气设备上的过电压幅值较高。

b． 在GIS入口处和内部加装电站型避雷器都具有抑制雷电过电压的作用，但前者对电抗器上的过电压抑制效果不明显，通过在电抗器附近加装避雷器，有效地抑制了其过电压。本文中结合使用两种方法，使得变电站各电器设备得到了较好的保护。

c． 主变侧加装避雷器对抑制变压器雷电过电压有很好的效果。在所有计算中，流过避雷器的最大电流均小于10 kA，满足规定要求。

［1］ 李福寿．电力系统过电压计算［M］．北京:水利电力出版社，1988．

［2］ 蓝增任、叶景星．500 kV变电所电气部分设计及运行(上)［M］．北京:水利电力出版社，1987．

［3］ 赵智大．高电压技术［M］．北京:中国电力出版社，1999．

［4］ 王 勇，赵锦成，解 璞，等．线路避雷器在10 kV输电线路中防雷仿真研究［C］．2008中国国际供电会议．

［5］ 王瑞明，王 斌．基于EMTDC的变电站雷电侵入波过电压研究［C］．第十八届输配电技术研讨会．

［6］ 钟连宏，欧世尧，周红霞．GIS中快速暂态过电压的分析及计算 ［J］．高电压技术，2000，26(1):60－62．

［7］ 陈慈管．过电压保护原理与运行技术［M］．北京:中国电力出版社，2002．

［8］ 林 霞．大型风电场并网对系统影响分析及其应用研究［D］．太原理工大学硕士学位论文，2006．