500 kV HGIS电站取消母线MOA对过电压抑制效果的影响

张金凤，陈 晨，李朋飞，宋景博，郭 洁，薛文杰，李 凯

(1.国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州 450052； 2.西安交通大学电气工程学院，西安 710049)

0 引言

复合式气体绝缘组合电器(HGIS)[1]是一种新型的组合电器，它的结构与GIS(全封闭气体绝缘组合电器)基本相同，差异在于母线不装于六氟化硫气室内。HGIS与敞开式开关设备(AIS)相比，它把断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器等集成为一个模块，节省了50%～70%的占地面积，它具有响应快、伏安特性平坦、性能稳定，提高了设备可靠性，HGIS综合了AIS和GIS的优点，目前我国500 kV超高压变电站广泛采用HGIS形式，它是目前国家推广使用更加适合中国国情的一种紧凑型组合式高压开关设备。

无间隙金属氧化物避雷器(MOA)是用于保护输变电设备绝缘免受过电压危害的重要保护设备，具有通流容量大、残压低、寿命长、结构简单等优点，广泛使用于发电、输电、变电、配电等系统中。鉴于MOA大的通流能力和低残压特性，在抑制雷电过电压和操作过电压中，MOA在吸收能量和保护半径有较大冗余[2]，这就为取消HGIS母线MOA提供了可行性。

由于HGIS变电站结构紧凑，暂态下设备节点间会出现明显的波过程和发生多次折反射，造成过电压波形复杂、叠加升高，因此500 kV HGIS变电站过电压通常比常规变电站幅值更高[3-4]。目前我国500 kV HGIS变电站多数未装设母线MOA，实际运行中也未发生过电压等事故[5-6]，但是，由于过电压的随机性，取消母线MOA后对过电压抑制效果及其他MOA动作负荷影响需要进行深入研究和绝缘配合校核。

早前工程研究表明，部分超高压变电站母线取消MOA后，需要保留或设置线路侧和变压器侧MOA。但不同的工程设计对线路出口MOA参数要求不同[7-8]。

本次仿真考虑取消和装设母线MOA前后，在雷电过电压和操作过电压下对其余MOA吸收能量和过电压的影响，以及取消母线MOA后绝缘配合是否存在问题。

依托河南金牛500 kV HGIS变电站，对变电站及其4回出线进行了仿真建模，计算分析了变电站内主要设备节点在取消母线MOA前后的雷电过电压及操作过电压水平，研究了取消母线MOA对过电压抑制效果和其他MOA的动作负荷的影响。

1 仿真建模

金牛500 kV HGIS变电站内部采用的MOA型号为Y20W-420/1006，出线MOA型号为Y20W-444/1063，雷电和操作过电压下耐受能力，见表1。

表1 避雷器参数Table 1 Lightning arrester parameters

避雷器伏安特性见图1。金牛HGIS站是否可取消母线MOA，需要对具体的运行方式进行仿真计算分析。

图1 MOA的V-A特性Fig.1 V-A characteristics of arresters

图2为河南金牛变电站500 kV主接线图，为3/2断路器接线，本期变压器进线1回，出线4回：至浉河变2回，嵖岈变2回。500 kV变电装置选用HGIS设备，两条母线均未加装母线MOA。

图2 金牛500 kV变电站主接线图Fig.2 Main wiring diagram of Jinniu 500 kV substation

1.1 雷电流源仿真模型

依据GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》推荐的雷电流模型参数[6-7]，仿真计算中雷电流源等值电路见图3。

图3 雷电流源等值电路Fig.3 Equivalent circuit of lightning current source

由图3中雷电流i0与雷电通道波阻抗Z0和被击物体的等值波阻抗Z的关系见式(1)：

(1)

式中：Z—被击物体的等值波阻抗，Ω；Z0—雷电通道波阻抗，Ω；i0—雷电流波峰值，A。变电站内的连接线采用Clarke模型，对HGIS站内的连接线，取线路电阻0.5×10-5Ω/m，波阻抗70 Ω，波速2.85×108m/s； HGIS外的架空连接线，取线路电阻0.5×10-5Ω/m，波阻抗300 Ω，波速3×108m/s。

线路杆塔采用图4的多波阻抗模型[7]，考虑了杆塔高度、结构尺寸对杆塔中波过程的影响。因此，在计算中使用多波阻抗计算模型，使计算结果更加接近实际。多波阻抗模型主要包括多级杆塔模型和等值分布多波阻抗杆塔模型，本次仿真计算采用等值分布多波阻抗杆塔模型。即将杆塔分解为主支架、支架和塔臂，每一部分均用无损线路模型等效。

图4 杆塔多波阻抗模型Fig.4 Multi-wave impedance model of tower

在雷电波作用下，电容式电压互感器、隔离开关、断路器、套管需要考虑其对地电容。

见图5，变压器采用宽频模型[8]，考虑了一、二次绕组间的电容，绕组对地的电容。

图5 变压器宽频模型Fig.5 Transformer broadband model

对于500 kV超高压线路，由于线路的工作电压较高，在雷击时，其持续运行电压峰值已占绝缘子闪络电压的21%，因此，必须考虑雷击时导线上的持续运行电压影响。本研究在分析中偏严考虑持续运行电压的影响，雷击时的工频持续运行电压相位按照设备可能出现的最大过电压来选取，反击时被击相导线工频持续运行电压取与雷电流极性相反的最高运行相电压峰值Um，绕击时被击相导线工频持续运行电压取与雷电流极性相同的最高运行相电压峰值Um。

对于500 kV超高压变电站，雷电侵入方式主要有雷绕击导线和雷击杆塔塔顶反击。尽管国内数十年的雷击闪络运行经验表明：对于500 kV超高压架空线路雷击塔顶造成反击实例很少，但是为了更全面、谨慎的研究变电站各设备在遭受雷电时的过电压水平，对雷电反击和绕击均进行了仿真计算研究。其中雷击塔顶反击的雷电流幅值选用GB/T 311.2-2013《绝缘配合 第2部分：使用导则》中推荐的侵入波最大雷电流值216 kA，最大绕击雷电流幅值依据金牛变电站典型线路杆塔的EGM绕击模型计算[7]获得最大绕击电流为37.064 kA。计算得到线路的绕击耐雷水平为53 kA，高于最大绕击电流，因此最严酷的绕击过电压发生在最大绕击电流下。

金牛500 kV变电站有4路进线，两路来自浉河，另外两回来自嵖岈，因此在仿真中分别考虑雷电从浉河、嵖岈两种侵入方式。

1.2 操作过电压仿真模型

由于操作过电压频率通常不超过20 kHz，考虑到变电站电气尺寸小，变电站内母线可以采用集中参数模型，对变电站外架空输电线采用JMarti LCC 模型(模拟相导线加架空地线)。其中，嵖岈和浉河均为双回线路。所使用的导线型号为4×JL/G1A-630/45，地线型号为OPGW-150光缆。

在操作过电压仿真计算中可以简化杆塔模型，其余模型同雷电过电压仿真。

操作过电压产生于断路器、刀闸的操作及系统故障引起的暂态过渡过程中。运行经验表明电力系统的故障有80%左右是单相接地故障[9]。当线路的某一相发生单相接地且故障相断路器尚未断开时，就可能会产生较高的暂态过电压。对于具有单相重合闸断路器的超高压线路，当单相接地故障发生后，断路器会迅速断开，经过一定时间再次重合，若此时单相接地故障已清除，则重合后系统恢复正常运行，即重合闸成功；反之，若单相接地故障未清除则三相断路器会迅速跳开。

单相接地故障如不及时处理，可能会造成系统中对地绝缘薄弱的设备绝缘闪络或击穿，进而发展成为两相接地故障。因此，仿真中主要分析单相接地故障和两相接地故障及断路器切除故障过电压以及重合闸过电压。

2 仿真结果分析

2.1 雷电过电压结果分析

依据上述分析确定的雷电侵入强度和雷击位置，计算分析了雷电侵入时金牛变电站内关键设备节点可能出现的最大雷电过电压值，并根据GB 311.1—2012《绝缘配合—第1部分：定义、原则和规则》中相应电气设备雷电冲击绝缘水平，计算给出了变电站内各设备在雷电冲击下的绝缘保护裕度Kp，设备保护裕度的计算公式(2)：

(2)

式中：Kp—设备保护裕度；Up—设备的雷电冲击绝缘水平,kV；Um—设备上承受的最大雷电冲击电压峰值，kV。

通过比较不同雷电侵入方式下取消母线MOA前后金牛变电站内关键设备节点的最大雷电过电压值，见表2。可以明显的看出，在取消母线MOA的情况下，设备上的最大过电压有所升高，最大升幅21.47%，绝缘配合裕度有所降低，但仍满足绝缘配合要求，且留有配合裕度，最小裕度为25.09%。

表2 取消母线MOA前后变电站各设备上的最大雷电过电压比较 Table 2 Comparison of maximum lightning overvoltage on substation equipment before and after canceling of bus MOA

见图6，计算对比了在绕击雷电过电压情况下，在无母线MOA情况下线路MOA的吸收能量。浉河Ⅱ侧线路MOA吸收能量261 kJ；在有母线MOA情况下浉河Ⅱ侧线路MOA吸收能量201 kJ，减少了29.85%，母线MOA吸收能量157 kJ。

图6 进线MOA吸收能量对比Fig.6 Comparison of absorption energy of incoming lightning arresters

变电站内部变压器侧绕击情况下MOA吸收能量对比见图7。在无母线MOA情况下，进线变压器侧MOA吸收能量502 kJ；有母线MOA情况下，进线变压器侧MOA吸收能量387 kJ，减少了29.72%，母线MOA吸收能量157 kJ，通过表2对比情况可知，变压器过电压虽然有所降低但是幅度很小。

图7 变压器侧MOA吸收能量对比Fig.7 Comparison of absorption energy of transformer side lightning arrester

提取从浉河Ⅱ侧到主变压器的关键节点的过电压分析，见图8，在装设母线MOA的情况下，依赖于母线MOA的保护半径，各节点的过电压数值均较低，曲线较为平坦。

图8 绕击情况下从浉河侧到主变压器过电压Fig.8 Overvoltage from the river side to the main transformer in case of strike

由计算得到的保护裕度可知，在金牛变电站母线取消母线MOA后，在216 kA的雷电设防电流直击变电站近区线路杆塔塔顶及37.064 kA最大绕击电流绕击近区相导线的情况下，各关键设备节点的最大雷电过电压均没有超过绝缘水平，其保护裕度最小在23%～26.7%之间，均满足GB 311.1的配合要求。站内安装的MOA最大吸收能量为502 kJ，最大比能量为1.197 kJ/kV，流过MOA的电流最大值为9.26 kA，波形约为2/54 μs，均未超过MOA固有能力[10]。

通过对比可知，在安装母线MOA的情况下雷电过电压有所降低，母线上的设备过电压降低明显，但对进线侧和出线侧设备的过电压降低作用有限；从吸收能量上比较，在装设母线MOA情况下，母线MOA分担了部分雷电流能量，降低了其余MOA吸收能量，但是母线MOA分担的吸收能量较线路侧更小。

2.2 操作过电压结果分析

变电站的出线愈多，母线上的雷电过电压愈低，电压陡度也愈低，仿真考虑最严酷的情况，采用单电源单出线，对取消母线MOA和装设母线MOA的过电压情况进行对比[11-13]。

仿真设置0.2 s发生故障，40 ms后故障相断路器跳开，0.5 s后重合闸，若故障消失则重合闸成功，若重合闸失败，则失败后断路器三相跳开，分析操作过程中的过电压。

500 kV金牛变电站在可能发生的断路器操作、故障下计算得到的相应工况下的过电压水平见表3，依据GB/T 50064中操作过电压耐受水平，500 kV系统操作过电压应低于2.0 p.u.。

表3 变电站各设备上的操作过电压Table 3 Operating overvoltages on equipment in the substation

见图9，以单相接地故障重合闸失败MOA吸收能量情况为例，该过程存在两次分闸，MOA动作了两次，吸收能量最多，重合闸过程中过电压较低，MOA没有动作。在取消母线MOA的情况下，线路MOA吸收能量最大达到1 375 J；在装设母线MOA的情况下，线路MOA吸收能量达到712 J，降低了50%，母线MOA吸收能量602 J，减少了56.22%。

图9 MOA吸收能量对比Fig.9 Comparison of absorption energy of lightning arresters

在操作过电压情况下，依据GB/T 50064操作过电压耐受水平进行校核[8]，对于500 kV系统，操作过电压应低于2.0 p.u.，在装设母线MOA和取消母线MOA两种情况下都是满足国标要求[9],取消母线MOA后最严酷情况下，设备绝缘仍有26%的配合裕度[14]。

在相同操作过电压情况下，与取消母线MOA情况相比，装设母线MOA的过电压水平更低，电压最大降幅达到8.5%。

取消母线MOA后，操作过电压最大情况出现在两相短路，值为777 kV，远低于MOA操作冲击耐受电压1 175 kV，未超过MOA的固有能力[15]。

3 结论

通过对金牛500 kV变电站雷电及操作过电压的计算研究，得到了相应工况下各设备节点的最大雷电及操作过电压[15]，并依据GB 311.1以及GB/T 50064中对各类设备雷电冲击耐受电压和操作冲击耐受电压的要求值，对比分析了取消母线MOA对站内过电压抑制效果和其他避雷器动作负荷的影响，得出以下结论：

1)取消母线MOA后，不同雷电侵入方式下，各关键设备节点的最大雷电过电压有所提高，最高提高21.57%，但均未超过设备绝缘水平，仍有24.1%～31.9%配合裕度；其他MOA吸收能量最大提高了30%，也未超过固有吸收能力量。

2)取消母线MOA后，故障工况下，产生的操作过电压水平均仍低于GB 311.1设备相应的操作绝缘耐受水平2.0 p.u.；各关键设备节点的最大操作过电压有所提升，最大提升了8.5%，其他MOA吸收能量有所增大，但吸收的能量仍然很小，仍未超过固有吸收能力过电压。操作过电压不会威胁设备绝缘。

3)装设母线MOA后，站内各关键节点过电压和其他MOA吸收能量均优于取消母线MOA的情况在雷电过电压情况下，对母线过电压限制更明显，对线路侧过电压限制作用效果有限；操作过电压下，虽然过电压均有降低，但降低幅度较小，最大仅8%。

本研究中的仿真设置都是偏严酷，根据上述分析，金牛500 kV HGIS变电站取消母线MOA方案是可行的。