GIS變電站雷電過電壓保護(hù)特性分析

李 晨 王義元 牟 磊 鄭 強（國網(wǎng)青島供電公司）

GIS變電站雷電過電壓保護(hù)特性分析

李 晨 王義元 牟 磊 鄭 強
（國網(wǎng)青島供電公司）

摘 要：為了進(jìn)一步探索GIS變電站在雷電威脅中如何有效保護(hù)內(nèi)變壓器等主要電氣設(shè)備，保障用電安全及穩(wěn)定。本文通過構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，做出真實、準(zhǔn)確的仿真模擬，分析出相應(yīng)的雷電過電壓保護(hù)方法。本研究通過構(gòu)建仿真模型，其中有雷電模型、桿塔模型等，并探討相應(yīng)電氣設(shè)備的仿真參數(shù)。針對改變雷擊點的位置和變電站運行方式，對變電站內(nèi)設(shè)備在面對雷電過電壓的情況下進(jìn)行研究、探索，分析出威脅變電站安全的各種雷擊現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：GIS變電站；雷電保護(hù)；仿真模型；參數(shù)

0　引言

變電站處于多條輸電線路的交匯處，是電力輸送系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，在輸配過程中起到非常關(guān)鍵的作用。一旦變電站發(fā)生由于雷擊產(chǎn)生的事故，必然造成大面積的斷電，影響較大。所以在變電工作規(guī)劃的過程中必須非常重視大氣過電壓以及過電防護(hù)的措施[1]。根據(jù)國內(nèi)外變電站使用狀況分析，雷電產(chǎn)生的危險仍然是導(dǎo)致輸電線路不穩(wěn)定的主要原因，占電力系統(tǒng)事故大約一半以上，并且隨著輸電線路的電壓等級的升高，由于其絕緣的距離、桿塔高度也隨之增加，整體線路大小長度也增加，使得過電范圍也跟著增加，從而發(fā)生雷電危害的概率也會變大。所以，需要更加嚴(yán)密的預(yù)防雷電的方法[2]。本文從這一角度進(jìn)行論述開展仿真模型設(shè)計以及重要參數(shù)計算。

1　仿真計算關(guān)鍵模型

1.1 雷電模型

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，把握雷電流的有關(guān)數(shù)據(jù)，就電流波形、波頭以及波尾時間確定基本范圍，結(jié)合實際的情況確定具體數(shù)值，需要考慮的因素有，一方面雷電放電本身具有隨機性，還受到多種因素的影響，如季節(jié)、地貌特性；另一方面是對雷電危害的測量手段、技術(shù)水平等方面有很大的差別。

根據(jù)以往經(jīng)驗，對雷電流的規(guī)律進(jìn)行分析，同時開展相關(guān)的數(shù)據(jù)討論[3]。國外學(xué)者在20世紀(jì)40年代年提出了雙指數(shù)表達(dá)式

i=Alm[exp(?αt)?exp(?βt)]式中，α、β 分別為電荷密度、雷電的回?fù)羲俣?，和回?fù)暨^程中先導(dǎo)電荷的復(fù)合率。根據(jù)常見雷電流波形進(jìn)行判斷，通常β ≥α。

如果選擇世界都認(rèn)可的方法，就要指出最大雷電流的大小。目前，國內(nèi)還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，如果最大雷電流的大小設(shè)定過大，必然導(dǎo)致濫用；如果設(shè)定太小，安全性不夠。日本采用最大雷電流是150kA，而西方大多采用250kA，綜合現(xiàn)在的實際情況，根據(jù)真實氣象規(guī)律，雷電流大小分散概率，目前我國規(guī)定的最大雷電流在一個比較中庸位置，為210～230kA之間。

1.2 桿塔模型

設(shè)計躲避雷電過程時，雷電沖擊波造成塔頂?shù)碾娢慌c從塔頂注入的沖擊電流的比率大小，就是桿塔的沖擊響應(yīng)波阻抗，該數(shù)值具有很大意義，對塔頂電位的最終確定有較大影響。根據(jù)以往經(jīng)驗，結(jié)合實際、幾何模型值，表明波阻抗沿桿塔為動態(tài)，會有很嚴(yán)重的衰減反應(yīng)。然而，限定一個固定的桿塔波阻抗比較困難，可以通過塔頂?shù)碾娢慌c時間之間的函數(shù)，以及試驗?zāi)Ｐ蛠泶_定[4]。

1.3 輸電線路模型

輸電線路的模型主要分為連續(xù)換位以及不換位線路模型，就目前國內(nèi)外的輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的頻率特性線路模型主要有：馬蒂、賽姆林等，主要依據(jù)數(shù)字的精度需要來確定。

（1）線路的損耗

一旦陸地成為非最佳導(dǎo)體，電流穿過土地，而土地具有一定的厚度，電波在平行多導(dǎo)體系統(tǒng)中傳播時就會出現(xiàn)衰變現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況的原因是波在傳播途中受到阻礙發(fā)生消耗。產(chǎn)生這種消耗，一方面由于電阻形成的，以及導(dǎo)線對地電導(dǎo)發(fā)生的消耗；另一方面是大地的損耗以及電暈引起的損耗[5]。能量損耗效應(yīng)導(dǎo)致衰變、畸形，而雷電沖擊波最強烈的衰變與畸形是因電暈造成的。根據(jù)真實數(shù)值，電暈導(dǎo)致波在沿架空線傳遞過程中發(fā)生衰變，并且成為主要影響原因。

（2）所選擇的輸電線路模型

在2km以內(nèi)短距離發(fā)生反擊時對高變電站絕緣損壞的風(fēng)險最大，所以對這種情況的研究比較多，本研究中M線路上模量波出現(xiàn)聚集，或者說在很小的長度內(nèi)M個波的速度與畸變之間的變化不大時，很容易疊加在一起。因為不能確定遭反擊位置，而且結(jié)合實際經(jīng)驗，三相閃絡(luò)出現(xiàn)的幾率很大，處于每相上的過電壓會因為相序的影響出現(xiàn)差異，所以要選擇模擬所有三相，以確定各種影響因素。

2　參數(shù)設(shè)置及仿真分析

2.1 方式分析

變電站遭受雷害主要的原因：雷直接擊中到變電站以及沿線路專遞的過電壓波。解決第一種危害的方法是使用避雷針。在實際中，正確使用避雷針以及接地裝置的變電站，發(fā)生繞擊、反擊事故幾率比較小，總體來說防雷效果較為可靠，而能夠入侵變電站的波主要有繞擊以及反擊兩種方法。

圍繞繞擊的幾何模型主要根據(jù)等擊距假設(shè)作為前提，通過對這個幾何模型的探究可以判斷，當(dāng)雷電流超過某個界限，或接觸避雷線，或接觸陸地，但是不可能出現(xiàn)繞擊現(xiàn)象。推算繞擊過電壓要注意，雷電流必須選取最大繞擊電流。

2.2 雷擊點的選擇

目前，根據(jù)相關(guān)規(guī)定沿用中壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)的作法，僅僅推算出離變電站距離大于2km的地區(qū)，沒有規(guī)定2km以內(nèi)的地區(qū)，認(rèn)為進(jìn)線段與非進(jìn)線段都會承受雷擊出現(xiàn)侵入電流波。但生產(chǎn)實踐時，雷越靠近的地方威脅就越大，大于2km的長距離雷擊，因為長距離在傳遞時發(fā)生損耗，出現(xiàn)衰減，盡管對站內(nèi)設(shè)備有一定的威脅，但可以在抵抗的范圍之內(nèi)。

2.3 相關(guān)電氣設(shè)備仿真參數(shù)

（1）桿塔塔形參數(shù)

1）TW門型架，接地電阻R1：10Ω、15Ω、20Ω。

2）TW0巖壁拉線錨鉤，接地電阻R0：20Ω、30Ω、50Ω。

3）TW1終端塔（JTS1223，H27m），接地電阻R1：20Ω、25Ω、30Ω。

4）TW2單回路耐張塔（JTS1223，H33m），接地電阻R2：20Ω、25Ω、30Ω。

5）TW3～TW5單回路懸垂塔（ZMS2222，H33m），接地電阻R2：20Ω、25Ω、30Ω。

6）TW6單回路耐張塔（JTS1223，H33m）或單回路懸垂塔（ZMS2222，H33m），接地電阻R2：20Ω、25Ω、30Ω。

（2）進(jìn)線段線路以及變電站內(nèi)架空線參數(shù)

TW0～TW1～TW6：架空線路選擇四分裂導(dǎo)線，導(dǎo)線型號四組的LG400，4分裂，分裂距離為5cm；子導(dǎo)線計算半徑為1.36cm，20℃直流電阻0.108Ω/km；避雷線型號GJ 100，計算半徑為0.65cm，20℃直流電阻3.11Ω/km。

TG～TW～TW0：變電站敞開部分架空線：導(dǎo)線型號LGJQT?1400，外徑5.1cm，20℃直流電阻0.02138Ω/km；雙分裂，分裂距離40cm。

平均弧垂約為擋距的1/30。

（3）波阻抗

本研究選擇單相封閉管道，雷電波傳遞時，因為雷電壓等值頻率較大，容易導(dǎo)致趨表效應(yīng)。絕大多數(shù)電流接近內(nèi)導(dǎo)體外面以及外殼內(nèi)表發(fā)生變動，并且絕大部分電流都由外返內(nèi)，由于三相管道間無禍合，所以每相管道可看作同一根導(dǎo)線，因此，管道波阻抗經(jīng)計算為

由于R/r=2.1～3.6，則Z=50～75Ω，本設(shè)計選擇Z=70Ω，因此可得500kV GIS波阻抗值為65Ω，波速度值為300m/μs，波阻抗值為63Ω，波速度值為300m/μs。

3　計算結(jié)果分析

通過分析上述數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，雷擊點于桿塔TW1時，對電氣設(shè)備形成的過電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過于桿塔

TW6時形成的過電壓。侵入波陡度決定因素在于雷擊點的距離，特別是近距離的雷擊，通常是以2km作為標(biāo)準(zhǔn)，在這個范圍以內(nèi)侵入波陡度大，侵入波陡度會直接影響過電壓大小，導(dǎo)致變電站入口設(shè)備電壓較強，所以對距離雷較近的地區(qū)來說尤為關(guān)鍵。除了注意這些，變電站運作方式也對過電壓造成影響，它直接確定網(wǎng)絡(luò)的框架以及范圍。通常雷電侵入波總能量是不變的，在變電站網(wǎng)絡(luò)很大時，其中設(shè)備很多，也就是網(wǎng)絡(luò)總的電容量更多，那么設(shè)備上的過電壓大小就更小。

參考文獻(xiàn)

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[4] 劉青, 張玉峰, 程勇. 220kV GIS變電站雷電過電壓防護(hù)措施的研究[J]. 高壓電器, 2008(4): 329-331.

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收稿日期：（2015-05-15）