GIS变电站雷电过电压保护特性分析

李 晨 王义元 牟 磊 郑 强（国网青岛供电公司）

GIS变电站雷电过电压保护特性分析

李 晨 王义元 牟 磊 郑 强
（国网青岛供电公司）

摘 要：为了进一步探索GIS变电站在雷电威胁中如何有效保护内变压器等主要电气设备，保障用电安全及稳定。本文通过构建数据模型，做出真实、准确的仿真模拟，分析出相应的雷电过电压保护方法。本研究通过构建仿真模型，其中有雷电模型、杆塔模型等，并探讨相应电气设备的仿真参数。针对改变雷击点的位置和变电站运行方式，对变电站内设备在面对雷电过电压的情况下进行研究、探索，分析出威胁变电站安全的各种雷击现象。

关键词：GIS变电站；雷电保护；仿真模型；参数

0　引言

变电站处于多条输电线路的交汇处，是电力输送系统的中枢神经，在输配过程中起到非常关键的作用。一旦变电站发生由于雷击产生的事故，必然造成大面积的断电，影响较大。所以在变电工作规划的过程中必须非常重视大气过电压以及过电防护的措施[1]。根据国内外变电站使用状况分析，雷电产生的危险仍然是导致输电线路不稳定的主要原因，占电力系统事故大约一半以上，并且随着输电线路的电压等级的升高，由于其绝缘的距离、杆塔高度也随之增加，整体线路大小长度也增加，使得过电范围也跟着增加，从而发生雷电危害的概率也会变大。所以，需要更加严密的预防雷电的方法[2]。本文从这一角度进行论述开展仿真模型设计以及重要参数计算。

1　仿真计算关键模型

1.1 雷电模型

根据现有文献资料，把握雷电流的有关数据，就电流波形、波头以及波尾时间确定基本范围，结合实际的情况确定具体数值，需要考虑的因素有，一方面雷电放电本身具有随机性，还受到多种因素的影响，如季节、地貌特性；另一方面是对雷电危害的测量手段、技术水平等方面有很大的差别。

根据以往经验，对雷电流的规律进行分析，同时开展相关的数据讨论[3]。国外学者在20世纪40年代年提出了双指数表达式

i=Alm[exp(−αt)−exp(−βt)]式中，α、β 分别为电荷密度、雷电的回击速度，和回击过程中先导电荷的复合率。根据常见雷电流波形进行判断，通常β ≥α。

如果选择世界都认可的方法，就要指出最大雷电流的大小。目前，国内还没有明确的标准，如果最大雷电流的大小设定过大，必然导致滥用；如果设定太小，安全性不够。日本采用最大雷电流是150kA，而西方大多采用250kA，综合现在的实际情况，根据真实气象规律，雷电流大小分散概率，目前我国规定的最大雷电流在一个比较中庸位置，为210～230kA之间。

1.2 杆塔模型

设计躲避雷电过程时，雷电冲击波造成塔顶的电位与从塔顶注入的冲击电流的比率大小，就是杆塔的冲击响应波阻抗，该数值具有很大意义，对塔顶电位的最终确定有较大影响。根据以往经验，结合实际、几何模型值，表明波阻抗沿杆塔为动态，会有很严重的衰减反应。然而，限定一个固定的杆塔波阻抗比较困难，可以通过塔顶的电位与时间之间的函数，以及试验模型来确定[4]。

1.3 输电线路模型

输电线路的模型主要分为连续换位以及不换位线路模型，就目前国内外的输入数据产生的频率特性线路模型主要有：马蒂、赛姆林等，主要依据数字的精度需要来确定。

（1）线路的损耗

一旦陆地成为非最佳导体，电流穿过土地，而土地具有一定的厚度，电波在平行多导体系统中传播时就会出现衰变现象。出现这种情况的原因是波在传播途中受到阻碍发生消耗。产生这种消耗，一方面由于电阻形成的，以及导线对地电导发生的消耗；另一方面是大地的损耗以及电晕引起的损耗[5]。能量损耗效应导致衰变、畸形，而雷电冲击波最强烈的衰变与畸形是因电晕造成的。根据真实数值，电晕导致波在沿架空线传递过程中发生衰变，并且成为主要影响原因。

（2）所选择的输电线路模型

在2km以内短距离发生反击时对高变电站绝缘损坏的风险最大，所以对这种情况的研究比较多，本研究中M线路上模量波出现聚集，或者说在很小的长度内M个波的速度与畸变之间的变化不大时，很容易叠加在一起。因为不能确定遭反击位置，而且结合实际经验，三相闪络出现的几率很大，处于每相上的过电压会因为相序的影响出现差异，所以要选择模拟所有三相，以确定各种影响因素。

2　参数设置及仿真分析

2.1 方式分析

变电站遭受雷害主要的原因：雷直接击中到变电站以及沿线路专递的过电压波。解决第一种危害的方法是使用避雷针。在实际中，正确使用避雷针以及接地装置的变电站，发生绕击、反击事故几率比较小，总体来说防雷效果较为可靠，而能够入侵变电站的波主要有绕击以及反击两种方法。

围绕绕击的几何模型主要根据等击距假设作为前提，通过对这个几何模型的探究可以判断，当雷电流超过某个界限，或接触避雷线，或接触陆地，但是不可能出现绕击现象。推算绕击过电压要注意，雷电流必须选取最大绕击电流。

2.2 雷击点的选择

目前，根据相关规定沿用中压系统和高压系统的作法，仅仅推算出离变电站距离大于2km的地区，没有规定2km以内的地区，认为进线段与非进线段都会承受雷击出现侵入电流波。但生产实践时，雷越靠近的地方威胁就越大，大于2km的长距离雷击，因为长距离在传递时发生损耗，出现衰减，尽管对站内设备有一定的威胁，但可以在抵抗的范围之内。

2.3 相关电气设备仿真参数

（1）杆塔塔形参数

1）TW门型架，接地电阻R1：10Ω、15Ω、20Ω。

2）TW0岩壁拉线锚钩，接地电阻R0：20Ω、30Ω、50Ω。

3）TW1终端塔（JTS1223，H27m），接地电阻R1：20Ω、25Ω、30Ω。

4）TW2单回路耐张塔（JTS1223，H33m），接地电阻R2：20Ω、25Ω、30Ω。

5）TW3～TW5单回路悬垂塔（ZMS2222，H33m），接地电阻R2：20Ω、25Ω、30Ω。

6）TW6单回路耐张塔（JTS1223，H33m）或单回路悬垂塔（ZMS2222，H33m），接地电阻R2：20Ω、25Ω、30Ω。

（2）进线段线路以及变电站内架空线参数

TW0～TW1～TW6：架空线路选择四分裂导线，导线型号四组的LG400，4分裂，分裂距离为5cm；子导线计算半径为1.36cm，20℃直流电阻0.108Ω/km；避雷线型号GJ 100，计算半径为0.65cm，20℃直流电阻3.11Ω/km。

TG～TW～TW0：变电站敞开部分架空线：导线型号LGJQT−1400，外径5.1cm，20℃直流电阻0.02138Ω/km；双分裂，分裂距离40cm。

平均弧垂约为挡距的1/30。

（3）波阻抗

本研究选择单相封闭管道，雷电波传递时，因为雷电压等值频率较大，容易导致趋表效应。绝大多数电流接近内导体外面以及外壳内表发生变动，并且绝大部分电流都由外返内，由于三相管道间无祸合，所以每相管道可看作同一根导线，因此，管道波阻抗经计算为

由于R/r=2.1～3.6，则Z=50～75Ω，本设计选择Z=70Ω，因此可得500kV GIS波阻抗值为65Ω，波速度值为300m/μs，波阻抗值为63Ω，波速度值为300m/μs。

3　计算结果分析

通过分析上述数据能够发现，雷击点于杆塔TW1时，对电气设备形成的过电压远远超过于杆塔

TW6时形成的过电压。侵入波陡度决定因素在于雷击点的距离，特别是近距离的雷击，通常是以2km作为标准，在这个范围以内侵入波陡度大，侵入波陡度会直接影响过电压大小，导致变电站入口设备电压较强，所以对距离雷较近的地区来说尤为关键。除了注意这些，变电站运作方式也对过电压造成影响，它直接确定网络的框架以及范围。通常雷电侵入波总能量是不变的，在变电站网络很大时，其中设备很多，也就是网络总的电容量更多，那么设备上的过电压大小就更小。

参考文献

[1] 甘凌霞, 李雷, 李景禄. 500kV GIS变电站雷电过电压保护研究[J]. 高压电器, 2009(6): 110-114.

[2] 刘青. 宝能220kV GIS变电站雷电侵入波过电压的研究[J]. 高压电器, 2008(2): 142-144.

[3] 李毅, 周力行. 500kV GIS变电站雷电侵入波保护方案及波形分析[J]. 电瓷避雷器, 2008(2): 35-38.

[4] 刘青, 张玉峰, 程勇. 220kV GIS变电站雷电过电压防护措施的研究[J]. 高压电器, 2008(4): 329-331.

[5] 贾东瑞, 谢兴利, 赵东成. 基于ATP的500kV GIS变电站雷电侵入波过电压分析[J]. 电瓷避雷器, 2013(6): 100-105, 111.

收稿日期：（2015-05-15）