李東坡，張明理

(1．深圳市禾望電氣有限公司，廣東 深圳 518055;2．遼寧省電力有限公司規(guī)劃評審中心，遼寧 沈陽 110058)

GIS變電站的雷害來源主要有兩種:一是雷直擊變電站;二是沿線路傳過來的雷電波。由于變電站的設備相對集中，采用避雷針、避雷線后可以非常有效地防護直擊雷電過電壓，而雷擊線路的機會遠比雷直擊變電站多，因此沿線路侵入變電站的雷電過電壓行波是對變電站電氣設備構成威脅的主要方式［1－3］。

對于輸電線路和GIS變電站的防雷，目前采取的主要措施之一是安裝金屬氧化鋅避雷器，后者由于具有非線性好、響應速度快、吸收能量大以及無續(xù)流等優(yōu)點而得到了廣泛的應用。文獻 ［4］在PSCAD/EMTDC中建立了包含線路避雷器的10 kV輸電系統(tǒng)模型，并對安裝不同數(shù)量的避雷器進行了仿真分析研究。文獻 ［5］對某220 kV變電站的雷電過電壓進行了仿真計算和分析，研究了GIS母線上安裝避雷器對變電站雷電侵入波的防護效果。

本文針對國內某500 kV GIS變電站，在雷電沿最不利路徑侵入的情況下，用國內外廣泛使用的電磁暫態(tài)程序 (ATP－EMTP)，對變壓器端口及各主要設備上可能出現(xiàn)的最大雷電過電壓進行了仿真計算，同時，對氧化鋅避雷器的防雷效果進行了討論。

1 氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器內部是非線性較好的氧化鋅閥電組裝。在正常工作電壓下，氧化鋅閥具有較高的電阻而呈絕緣狀態(tài);在雷電過電壓作用下，則呈低阻狀態(tài)，泄放雷電流，相當于導體。

1.1 工作原理及特性

在陡波電流的作用下，氧化鋅避雷器的閥片相當于一個阻值極高的非線性電阻與電容器的并聯(lián)，當加于閥片的電壓低于某一臨界值時，閥片相當于極高阻值的電阻，即在正常電壓范圍內它的斜率幾乎為無限大;而在較高電壓時，閥片在過電壓保護范圍內的斜率幾乎是零。避雷器電阻的非線性用指數(shù)函數(shù)描述，其電流電壓之間的關系服從下述規(guī)律:

式中:p、q為特性常數(shù);Uref為參考電壓，通常取避雷器額定電壓的兩倍或接近于兩倍的值［6－7］。氧化鋅避雷器的伏安特性曲線如圖1所示。

圖1 氧化鋅避雷器伏安特性

1.2 雷電波作用下的模型

國外很早就對雷電波作用下氧化鋅避雷器的等效模型進行研究，目前已經比較成熟，其中以IEEE工作組和意大利學者Pinceti提出的模型尤為突出。研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋅避雷器在陡波電流的作用下存在殘壓過沖的現(xiàn)象，在波頭時間為μs級的雷電波作用下，氧化鋅避雷器呈現(xiàn)出感性阻抗特征。IEEE 3.4.11工作組對此進行深入研究，并提出如圖2所示的模型。該模型適用于電流波頭時間為0.5～4.5μs的雷電波或操作波，但是對其參數(shù)的確定卻非常困難。此后，意大利學者 Pinceti對IEEE工作組的模型進行簡化，提出了如圖3所示的模型。以上兩種模型都能夠準確地描述氧化鋅避雷器在雷電波作用下的動態(tài)特性。本文選取后者進行建模計算。

2 仿真計算與分析

本文選取國內某500 kV GIS為研究對象，圖4是其單相接線圖。該變電站包括三回進線和兩回出線，兩回出線分別經過架空線與其它變電站相連。圖中，M表示母線，TM表示變壓器，DS表示隔離開關，CB表示斷路器，MOA表示金屬氧化鋅避雷器，TV表示電壓互感器。本文選取雷擊進線端架空線路桿塔反擊形成的雷電波作為侵入波，包括近區(qū)反擊和遠區(qū)反擊，雷擊點選為進線端的1～6號桿塔，以雷擊6號桿塔為遠區(qū)雷擊，其余為近區(qū)雷擊。

圖4 500 kV GIS接線方式示意圖

變電站的防雷保護主要就是合理配置避雷器的數(shù)量和位置，使得雷電侵入波入侵變電站時，各電氣設備都在避雷器的保護范圍內，其上的雷電過電壓小于各設備的雷電沖擊耐受電壓，并留有足夠的絕緣裕度。同時在安全性滿足的前提下，也要注意經濟性的要求。

本文在計算時選擇對防雷保護最嚴重的運行方式 (電氣設備上出現(xiàn)的過電壓水平最高);單進單出的運行方式。同時考慮到輸電線路上有電抗器和沒有電抗器兩種情況，具體選擇以下兩種運行方式(見表1)。

計算中，同時考慮雷擊進線端各個桿塔。兩種運行方式的等值電路見圖5，圖6。

表1 隔離開關操作方式組合

2.1 進線入口處裝設避雷器

先就僅在進線入口處裝設線路型避雷器的情況進行計算。在這種保護方案下，變電站內沒有裝設任何避雷器，要想保護整個變電站內的電氣設備是很困難的，其計算的目的就是分析侵入波過電壓在變電站內的分布規(guī)律，進而確定可靠經濟的保護方案。計算結果列于表2、表3中。

表2 運行方式1的計算結果 kV

表3 運行方式2的計算結果 kV

由表2可以看出，桿塔3號落雷時，變壓器上的過電壓最高，為1 140.8 kV，但其與允許最高過電壓1 394 kV相比，滿足絕緣裕度要求;GIS內部的過電壓水平較高，桿塔2號落雷時，隔離開關上的過電壓高達到1 640.6 kV，超出了GIS的耐受電壓。由表3可以看出，桿塔2號落雷時，電抗器上的過電壓達到了1 689.3 kV，超出了其耐受電壓;變壓器上的最高過電壓為733.32 kV，滿足絕緣要求;其他設備的過電壓均符合絕緣要求。

整體上看，桿塔2號與桿塔3號落雷時，產生的雷擊過電壓較高。這是由于1號塔和變電站的終端門型構架 (也稱0號塔)距離較近，再加上門型構架的沖擊接地電阻比較小，雷擊1號塔塔頂時，經地線由0號塔返回的負反射波很快返回1號塔，降低了1號塔電位，使侵入波過電壓減小。而2號塔、3號塔離0號塔較遠，受負反射波的影響較小，過電壓較高。

2.2 GIS入口加裝避雷器

由以上計算可知，GIS內部過電壓超出了其絕緣耐受電壓，現(xiàn)考慮在GIS入口加裝電站型避雷器。計算時考慮的運行方式同上。計算結果如表4，表5所示。

表4 運行方式1下GIS入口加避雷器的計算結果 kV

表5 運行方式2下GIS入口加避雷器的計算結果 kV

由表4、表5可以看出，GIS入口加裝避雷器以后，運行方式1下隔離開關上的最大過電壓降低到1 276.8 kV，滿足其絕緣要求。運行方式2下各電器設備過電壓有所下降，但下降幅度很小，桿塔2號落雷時，電抗器上的過電壓為1 641.5 kV，仍高出其耐受電壓，說明單獨使用此方案不能有效報告GIS變電站。

2.3 電抗器附近加裝避雷器

為了更好地限制電抗器上的過電壓，降低整個變電站的過電壓水平，考慮在電抗器附近再加裝電站型避雷器。計算結果如表6所示。

由表6可以看出，電抗器附近加裝避雷器以后，其上的過電壓明顯減小。另外，所有電氣設備上的過電壓均滿足絕緣要求。

表6 運行方式2下GIS入口和SR附近同時加避雷器的計算結果 kV

2.4 主變側裝設避雷器

電力變壓器是變電站的重要電氣設備，由于其結構特殊，雷擊過電壓往往對其絕緣造成很大的危害，甚至使絕緣擊穿。變電站絕緣保護當中，通常在主變側加裝電站型避雷器來限制過電壓。表7是主變側加裝電站型避雷器前后變壓器上過電壓的計算結果對比。

表7 主變側加裝避雷器對其過電壓的影響 kV

由表7可以看出，主變側加裝避雷器后，兩種運行方式下的變壓器過電壓均有所減小，可見，這種配置方案對抑制變壓器過電壓有很好的效果。

另外，通過計算，在以上所有的運行方式和配置方案下，通過避雷器的雷電流均小于10 kA，而我國規(guī)定500 kV系統(tǒng)設有多個避雷器時，每組不大于10 kA，使得其既能保護其他電氣設備，又不會因為過高的沖擊電流而燒毀，通過計算本文對避雷器的選擇符合要求。

3 結論

a． 在研究500 kV變電站雷電侵入波時，將變電站和進線端結合起來，看成一個整體，區(qū)分近區(qū)和遠區(qū)雷擊，即雷直擊于變電站入口 (1號桿塔)處一直到雷擊進線端2 km(6號桿塔)處的幾種情況。計算的結果表明，雷擊于2號和3號桿塔時站內電氣設備上的過電壓幅值較高。

b． 在GIS入口處和內部加裝電站型避雷器都具有抑制雷電過電壓的作用，但前者對電抗器上的過電壓抑制效果不明顯，通過在電抗器附近加裝避雷器，有效地抑制了其過電壓。本文中結合使用兩種方法，使得變電站各電器設備得到了較好的保護。

c． 主變側加裝避雷器對抑制變壓器雷電過電壓有很好的效果。在所有計算中，流過避雷器的最大電流均小于10 kA，滿足規(guī)定要求。

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