特高压GIS变电站雷电侵入波过电压分析

王 亮，贾东瑞，屈彦明，赵东成

（河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031）

0 引言

特高压变电站是整个电力系统的枢纽站，一旦雷击损坏，将直接影响电网的安全运行，因此变电站要求有可靠的防雷保护措施。变电站遭受雷害来自两方面：直击雷，即雷直击变电站，造成设备损坏；雷电侵入波，即雷击中输电线路杆塔或避雷线，造成绝缘子闪络或者雷击导线，侵入波沿着线路传进变电站。经过大量的实验研究，证实由于雷击造成设备损坏的主要因素是雷电侵入波过电压［1－3］。

以下利用电力系统电磁暂态仿真软件ATPEMTP，对典型1 000kV 特高压GIS变电站的雷电侵入波过电压进行详细计算研究，着重分析影响变电站内主要电气设备过电压水平及分布的各种因素，并对避雷器初始配置方案进行优化计算与分析。

1 系统参数

以国内某1 000kV 特高压GIS变电站为例，利用ATP－EMTP 建立完善的计算模型。雷电模型、进线段线路模型、绝缘子闪络模型、避雷器模型均根据系统参数进行设定。变电站内的设备，如变压器、隔离开关、断路器、互感器、电抗器等均采用等值冲击入口电容表示。

1.1 特高压变电站主接线

该变电站1 000kV 配电装置侧采用3／2接线方式。本期工程建设4回出线及1号、2号主变压器，配成2个完整串及2个不完整串。其中3回线路装有1 000kV 高压电抗器。图1为变电站电气主接线图。以该变电站的电气主接线方式及设备选型作为典型算例，进行雷电侵入波过电压的分析计算。

1.2 雷电流参数

我国现行行业标准推荐雷电流幅值概率曲线可用下式表示：logP＝－I／88，其中，P表示幅值等于和大于I（kA）的雷电流概率。

图1 1 000kV 特高压变电站电气主接线示意

按惯用法进行反击计算时可根据变电站防雷可靠性要求，选取某一累积概率下的幅值。对于正常运行方式，其反击雷电流计算值取为250kA；对于绕击方式，可根据电气几何模型求出最大的绕击电流Im。

表1列出了该变电站1 000kV 侧地面倾斜角按3°考虑时，采用电气几何模型计算出的最大绕击电流值和计算选取的绕击电流值。

表1 1 000kV侧进线段最大绕击电流

1.3 进线段模拟

该变电站进线段采用同杆双回塔架设。考虑近区雷击和远区雷击，根据杆塔的具体情况，反击和绕击的雷击点均选在线路的1－5号杆塔塔顶。进线段的导线型号为8×LGJ－630／45，地线型号为JLB40－185。

输电线采用单相导线和双避雷线构成的多导线耦合系统，用多相分布参数线路模拟。同杆双回塔按自然尺寸用多段分布参数模拟［4－5］。特高压进线段杆塔尺寸、塔型见图2。

1.4 避雷器（MOA）布置方案

通过研究，1 000kV 特高压避雷器可选用额定电压为828kV 的氧化锌避雷器。线路CVT 和线路高压电抗器共用一组避雷器，主变压器侧装设一组避雷器。由于本期仅上四回出线，在本期初步计算时GIS 母线按暂不装设避雷器布置，计算该变电站本期各设备上的雷电过电压。避雷器的伏安特性如图3所示。

图2 进线段杆塔尺寸

图3 避雷器伏安特性曲线

2 系统模型

2.1 计算等值图

在计算中，变电站设备如特高压变压器、电容式电压互感器（CVT）、GIS内部的断路器、电流互感器、隔离开关和母线电压互感器等均采用该设备的入口电容，各设备的入口电容数值见表2。

GIS波阻抗取值95 Ω，波速为250 m／μs。GIS到变电站设备间连线波阻抗取250Ω，波速为300m／μs。

由此得到该变电站1 000kV 侧雷电侵入波计算电气等值图见图4。

表2 各设备的入口电容数值

图4 1 000kV 侧雷电侵入波计算电气等值示意

2.2 计算选用的运行方式

该变电站1 000kV 侧本期正常运行方式为四线两变。计算选用的运行方式除正常运行方式外，一般可按线路N－1 和N－2 选择［6］。选择运行方式的依据为使得变电站运行元件数量最少以及雷电侵入波经过GIS母线最长。研究中偏严考虑选“一线一变”以及“两线一变”中最严重运行方式进行计算。选用的运行方式编号和电气接线简图见表3。

3 雷电侵入波过电压计算

3.1 设备绝缘允许过电压

根据研究结果［7］，高压电抗器与变压器的内绝缘雷电冲击耐受电压为2 250kV，外绝缘雷电冲击耐受电压为2 400kV，其余设备的内外绝缘雷电冲击耐受电压为2 400kV。

考虑绝缘裕度，“一线一变”及“两线一变”运行方式下，内绝缘取1.15，外绝缘取1.05，则变压器和高压电抗器内绝缘允许过电压为1 956kV，其余设备的内绝缘允许过电压为2 087kV，1 000kV设备的外绝缘允许过电压为2 286kV。

表3 本期最严重运行方式电气接线简图

3.2 绕击侵入波过电压

该变电站1 000kV 侧本期建设2台主变压器及4回出线，配成2个完整串及2个不完整串。由于本期所建设母线较短，初步计算时按母线不装设避雷器计算。计算时，绕击电流按表1选取。表4列出了雷电流绕击于1－5号塔时变电站各设备上的绕击侵入波过电压最大值。

表4 本期绕击侵入波过电压（母线无避雷器）

由表4可以看出，本期工况下，线路高压电抗器与线路CVT 共用一组避雷器，主变压器侧布置一组避雷器，母线不装设避雷器时，“一线一变”及“两线一变”最严苛工况下变电站各设备绕击侵入波过电压值均能满足绝缘裕度的要求。

3.3 反击侵入波过电压

对 于1 000kV 变 电 站，1 000V 进 线 段 线 路的绝缘水平较高，一般不发生反击闪络，沿进线段传入变电站的主要是感应过电压，其幅值较低。表5列出了本期母线未装设避雷器时，正常运行时最严重运行方式下的反击侵入波过电压计算结果。从表中可以看出，本期正常运行方式下各设备反击侵入波过电压幅值均较低，均能满足绝缘裕度要求。

表5 本期反击侵入波过电压（母线无避雷器）

4 绝缘水平校验

4.1 最大侵入波过电压

表6列出了该变电站本期工况下运行时，主变压器上安装一组额定电压828kV 避雷器，线路CVT 与高压电抗器共用一组避雷器，母线上不装设避雷器时，最严重运行方式下的最大侵入波过电压。

表6 本期最大侵入波过电压（母线无避雷器）

4.2 绝缘水平校验

表7列出了该变电站本期运行时推荐的设备绝缘水平和相应的绝缘配合裕度对于设备绝缘裕度，IEC 60071－2标准和GB／T 311－2推荐：对内绝缘，正常运行方式裕度系数取1.15，单线运行方式裕度系数取1.1；外绝缘的裕度系数取1.05。该变电站所处海拔高度低于1 000m，可不进行海拔修正。

表7 设备绝缘水平校验

由表7可以看出，该变电站本期的设备绝缘额定雷电冲击耐受电压值均有较大的裕度，能够满足雷电侵入波过电压的要求。

5 结束语

经仿真分析可知，该变电站1 000kV 配电装置均采用额定电压为828kV 的避雷器，变压器侧装设一组避雷器，出线回路CVT 与高压电抗器共用一组避雷器，本期母线不装设避雷器。此种避雷器布置方案优化了站内设备布置和工程投资，按“一线一变”方式运行情况，本期各设备上的反击、绕击侵入波过电压水平均在绝缘允许范围内，可以满足在出现雷电侵入波工况下变电站设备安全稳定运行要求。

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