雷電侵入波過電壓對GIS運行的影響分析

摘 要 雷電侵入波過電壓常常會損壞變電站的電氣設備，是對變電站電氣設備絕緣構(gòu)成威脅的主要原因之一。本文依托印度國家電網(wǎng)公司某新建 765kV變電站，對該變電站800kV GIS設備的雷電侵入波過電壓進行仿真計算，為變電站內(nèi)開關(guān)場避雷器位置的分布及其數(shù)量的選擇提供了參考。

關(guān)鍵詞 雷電侵入波，過電壓，仿真計算，GIS，避雷器

中圖分類號：TM643 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）24-0026-02

近年來，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備（GIS）以其占地面積小、安全系數(shù)高、受周圍環(huán)境因素影響小、運行維護方便等優(yōu)點而被廣泛應用于國內(nèi)外各大輸電網(wǎng)絡中。由于GIS設備的波阻抗在60Ω～100Ω范圍內(nèi)變化，比架空線的波阻抗小的多，同時GIS設備內(nèi)部元件的設備間距較小，這些都有利于其防雷保護設計。但是由于GIS設備的內(nèi)絕緣擊穿后無法自動恢復，且檢修困難，檢修時間較長，因此在GIS工程設計時，必須考慮雷電侵入波過電壓的影響，且要求有可靠的防雷保護措施，確保GIS設備免受雷電過電壓的危害，保證設備的安全可靠

運行[1-3]。

1 GIS雷電侵入波過電壓計算

1.1 計算模型及其等效參數(shù)

1.1.1 過電壓計算模型

該765 kV變電站800 kV GIS的主接線如圖1所示，采用3/2接線方式，本期共計3個完整串，9個開關(guān)間隔GIS設備。為了滿足設備的無功補償要求，在每個出線上均并聯(lián)了高壓電抗器設備，設備結(jié)構(gòu)較復雜。

變電站的運行方式是影響雷電侵入波過電壓大小的一個重要因素，因為其直接決定了網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和大小[4]。一般情況下，雷電流侵入波的總能量有限，變電站的網(wǎng)絡越小，設備數(shù)量越少，網(wǎng)絡的總電容量就越小，此時設備上雷電過電壓幅值就會越

高[5]。因此，本次計算特別選取了回路元件最少、過電壓幅值可能最高的GIS 運行方式進行，即AT#1→DS39→DS33→CB32→DS32→DS04→DHULE1回路，即一組變壓器、一回GIS出線的運行方式，設備的具體工作狀態(tài)如表1所示。

1.1.2 等效參數(shù)

本次計算采用的雷電侵入波等效參數(shù)如下。

1）雷電流波形-2.6/50μs的雙指數(shù)波。

2）雷電流的幅值-235kA。

3）雷電通道的波阻抗-300Ω。

1.2 雷電過電壓計算

以圖1和表1所示的運行方式為研究對象，采用ATP-EMTP暫態(tài)分析軟件進行建模，計算了該站800kV GIS 在無任何保護措施（不設置避雷器）的情況下，雷擊桿塔塔頂引起絕緣子發(fā)生閃絡后沿輸電線路侵入GIS 的雷電過電壓波在GIS設備上不同位置引起的雷電過電壓大小，計算結(jié)果（過電壓波形）如圖2a）、b）所示。

a）GIS主變側(cè)套管上的過電壓波形

b）GIS出線側(cè)套管上的過電壓波形

圖2 無避雷器時雷電過電壓計算波形

由圖2波形可以得知，在無防雷保護裝置的情況下，GIS變壓器側(cè)套管及出線側(cè)套管上的雷電過電壓幅值分別為3455.7 kV和2309.5 kV，均超過了相應設備的額定沖擊絕緣水平（變壓器及GIS的雷電沖擊絕緣水平標準值分別為1950 kV和2100 kV）。因此采用合理的防雷保護措施對變電站內(nèi)設備的安全運行十分必要。

2 GIS用避雷器的配置及校驗

2.1 設置避雷器時過電壓計算

通過上述計算分析可知，在無防雷保護措施的情況下，該變電站內(nèi)變壓器及GIS所遭受的雷電過電壓將超過其本身的耐壓水平，嚴重影響設備的安全可靠運行，因此必須采取合理的防雷保護措施，以使站內(nèi)設備免受雷擊損害，減少雷害事故的發(fā)生。

根據(jù)印度國家電網(wǎng)公司的初始設計方案，該變電站800 kV GIS采用的避雷器基本參數(shù)如表2所示，避雷器的安裝位置參見GIS主接線圖（見圖1），即在GIS主變側(cè)和出線側(cè)套管旁分別設置一組避雷器。為了檢驗變電站的GIS保護用避雷器配置是否合理，對變電站的初始避雷器配置進行了校驗，重新計算了設置避雷器時，GIS主變側(cè)和出線側(cè)套管上的雷電過電壓幅值，仿真結(jié)果參見圖3a）、b）。

a）GIS主變側(cè)套管上的過電壓波形

b）GIS出線側(cè)套管上的過電壓波形

圖3 有避雷器時雷電過電壓計算波形

從上述波形圖可知，在設置避雷器的情況下，GIS主變側(cè)及出線側(cè)套管上的過電壓幅值明顯降低，分別為1276.3 kV和1088.6 kV，均低于其標準沖擊絕緣水平，滿足防雷保護要求。

2.2 避雷器電流校驗

對于避雷器的設置不僅要考慮其對設備的保護作用，還要考慮流過避雷器的雷電電流[6]，這是因為由于當前避雷器制造水平及氧化鋅材質(zhì)固有特性的限制，氧化鋅閥片一般只能通過20kA以下的電流，即氧化鋅閥片在20kA以下的電流下能可靠的工作，同時保證其本身性能不至損壞，因此計算流過避雷器的電流對于避雷器的安全運行也是十分必要[7]。

通過模擬計算，該工況下，流過避雷器的電流波形如圖4所示，電流值分別為14.83kA和9.77kA，小于最大安全電流20kA，故避雷器可以可靠動作。

a）主變側(cè)避雷器電流

b）GIS出線側(cè)避雷器電流

3 結(jié)論

通過對印度某765 kV變電站800 kV GIS雷電侵入波過電壓的仿真計算，結(jié)論如下。

1）在無任何保護措施（不設置避雷器）時，GIS主變側(cè)套管及出線側(cè)套管上的雷電侵入波過電壓幅值分別為3455.7 kV和2309.5 kV，均超過了其額定沖擊絕緣水平，對變壓器和GIS設備的安全運行造成了巨大的威脅。

2）當在GIS主變側(cè)及出線側(cè)套管旁各安裝一組避雷器時，GIS主變側(cè)和出線側(cè)套管上的雷電侵入波過電壓幅值明顯降低，分別為1276.3 kV和1088.6 kV，均低于其額定沖擊絕緣水平，且具有較大的安全裕度，可以保證設備的安全可靠運行。

3）通過對GIS雷電侵入波過電壓及避雷器工作電流的仿真計算與分析，驗證了印度國家電網(wǎng)公司該765 kV變電站800 kV GIS避雷器的配置可以滿足設計要求，為該工程及后續(xù)類似項目的工程設計提供了參考。

參考文獻

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作者簡介

戴通令（1982-），男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，主要從事高壓開關(guān)設備產(chǎn)品研發(fā)及工程設計工作。endprint