500 kV GIS變電站雷電侵入波波形分析

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(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.西華大學(xué)，四川 成都 610039)

0 引 言

500 kV變電站是電力系統(tǒng)中的樞紐站，在電網(wǎng)正常運(yùn)行中起著舉足輕重的地位。近年來(lái)，隨著電壓高、損耗低、容量大、距離遠(yuǎn)等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，全封閉氣體絕緣變電站(gas insulation substation, GIS)已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。該設(shè)備的特點(diǎn)是將變電站內(nèi)各個(gè)電氣設(shè)備全部置于密封的金屬殼內(nèi)，并在其內(nèi)充入絕緣和滅弧性能良好的SF6氣體。基于GIS變電站容量大、占地面積小、運(yùn)行電壓高，且對(duì)于內(nèi)部設(shè)備的檢修和維護(hù)困難的特點(diǎn)，一旦遭受到雷電波侵入，將會(huì)產(chǎn)生很高的雷電過(guò)電壓，威脅設(shè)備的絕緣以及整個(gè)電網(wǎng)的安全。因此有必要對(duì)GIS雷電侵入波波形進(jìn)行詳細(xì)分析。

目前對(duì)雷電侵入波方面的研究因所建立的模型、計(jì)算方法不同，結(jié)果都大相徑庭。國(guó)際上常用的有電磁暫態(tài)計(jì)算程序ATP-EMTP、IEEE開發(fā)的FLASH仿真程序。國(guó)內(nèi)有清華大學(xué)編寫的防雷分析程序FLFX[1]、西安交通大學(xué)開發(fā)的SSPP[2]等。下面利用ATP-EMTP對(duì)GIS變電站進(jìn)行等效建模，并且考慮氧化鋅避雷器在不同過(guò)電壓下其殘壓值的不同，優(yōu)化避雷器模型的設(shè)計(jì)。

1 仿真模型的建立

某GIS變電站主接線圖如圖1所示，2條進(jìn)線，2條出線，其中變壓器為1用1備，容量為750 MVA。由主接線圖可知，此變電站采用3/2接線，保證了供電的可靠性。搭建仿真模型時(shí)，將變電站和進(jìn)線端看作一個(gè)整體[3]。

圖1 GIS主接線

GIS內(nèi)母線采用波阻抗形式進(jìn)行等效，其表達(dá)式為

(1)

式中：R1為屏蔽導(dǎo)體的內(nèi)半徑;R2為內(nèi)導(dǎo)體的半徑。

變壓器等效模型為匝間電容、對(duì)地電容以及電感，但在變化瞬間，電感的電流無(wú)法突變，因此在計(jì)算暫態(tài)過(guò)電壓時(shí)將變壓器模型等效為入口電容，不同電壓等級(jí)等值電容如表1所示。

表1 變壓器入口電容值

由于研究對(duì)象是500 kV變電站，因此選取的入口等效電容為5000 pF。

斷路器、隔離開關(guān)等效模型隨著其分合狀態(tài)不同而不同，當(dāng)閉合時(shí)，利用波阻抗的形式進(jìn)行描述，此時(shí)與母線等效一樣；而當(dāng)斷開時(shí)，利用集中參數(shù)等效為對(duì)地電容。

2條出線架空輸電線路等效為波阻抗，因采用分裂導(dǎo)線，所以波阻抗Z=300 Ω，v=300 m/μs。

采用Y20W5-420/1006避雷器，并直接使用ATP軟件自帶的模型MOA進(jìn)行等效，其中避雷器額定電壓為420 kV，在MOA模型中動(dòng)作參考電壓取額定電壓的兩倍，即840 kV。避雷器的伏安特性如表2所示。

由于避雷器在同一V-I曲線下陡波沖擊電流下的殘壓為1067 kV，雷電沖擊電流下的殘壓為1006 kV，而在操作沖擊下殘壓為826 kV，其值各不相同。為了更加真實(shí)地模擬避雷器的特性，需要探究為何在不同過(guò)電壓情況下，會(huì)有不同的殘壓值出現(xiàn)。

表2 避雷器的伏安特性

通過(guò)對(duì)雷電沖擊和操作沖擊做傅里葉變換后知，雷電沖擊的主要頻率為300 kHz，而操作沖擊的主要頻率為250 kHz。由于避雷器內(nèi)部也存在電感元件，因此在不同的頻率下，作用在電感上的電壓值也有所不同。而在不同沖擊下殘壓的差值就體現(xiàn)在電感上。基于此思想，在ATP中首先建立整個(gè)GIS的等效模型，然后在標(biāo)準(zhǔn)雷電和操作沖擊下，對(duì)避雷器的電壓和電流進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如表3所示。

表3 避雷器測(cè)量結(jié)果

根據(jù)電感在交流電路中的公式：

X=ωL

(2)

式中：ω為系統(tǒng)頻率；L為避雷器電感，計(jì)算出實(shí)際避雷器中串聯(lián)的電感值為0.546 μH。因此仿真中需與MOA串聯(lián)一個(gè)電感，以模擬真實(shí)避雷器的動(dòng)作特性。

2 確定運(yùn)行方式

根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行需求及檢修計(jì)劃，在不同的時(shí)間段，可能出現(xiàn)不同的運(yùn)行方式。該變電站主要運(yùn)行在1進(jìn)線2出線的工作狀態(tài)下，因此仿真了5種工作狀態(tài)：①全運(yùn)行方式；②單母線雙出線運(yùn)行方式；③單母線單出線運(yùn)行方式；④雙母線單出線運(yùn)行方式；⑤備用變壓器、主變壓器同時(shí)運(yùn)行雙母線雙出線運(yùn)行方式。在進(jìn)線與出線端均裝設(shè)避雷器保護(hù)[4-9]，其主接線圖如圖2至圖6所示。圖中空盒子表示斷路器斷開，實(shí)心盒子表示斷路器閉合。

圖2 運(yùn)行方式①

圖3 運(yùn)行方式②

圖4 運(yùn)行方式③

圖5 運(yùn)行方式④

圖6 運(yùn)行方式⑤

3 仿真分析與比較

雷電流采用標(biāo)準(zhǔn)雷電波形，即1.2/50 μs的雙指數(shù)雷電波，電流幅值為100 kA，雷電通道波阻抗根據(jù)規(guī)程[10]取300 Ω對(duì)該GIS變電站進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖7所示。

(A) 運(yùn)行方式①

(B) 運(yùn)行方式②

(C) 運(yùn)行方式③

(D) 運(yùn)行方式④

(E) 運(yùn)行方式⑤ 圖7 仿真分析

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)絕緣裕度取15%，外絕緣裕度取5%～10%，由表4可知，設(shè)備均滿足絕緣要求。

表4 設(shè)備最大過(guò)電壓絕緣裕度

從圖7中可以看出，在不同運(yùn)行方式下，雷電侵入點(diǎn)處電壓幅值均小于1.2 MV，只有在運(yùn)行方式⑤下，雷電侵入點(diǎn)處的電壓幅值達(dá)到了1.207 MV，說(shuō)明當(dāng)主變壓器和備用變壓器同時(shí)運(yùn)行(即重負(fù)荷情況下)存在雷電波入侵時(shí)，對(duì)GIS造成的過(guò)電壓會(huì)進(jìn)一步增大，因此有必要對(duì)重負(fù)荷下雷電的預(yù)防格外重視；此外在不同的運(yùn)行方式下，衰減的趨勢(shì)略微不同，有的衰減時(shí)，由于遇到末端開路的情況(如運(yùn)行方式③、④)，會(huì)使電壓略微的抬升，延長(zhǎng)了衰減時(shí)間(即增加了雷電過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間)。

當(dāng)單出線運(yùn)行時(shí)(運(yùn)行方式③、④),站內(nèi)整個(gè)過(guò)電壓都隨著包絡(luò)線降低，并未出現(xiàn)電壓波動(dòng)的情況。而在雙出線時(shí)(運(yùn)行方式①、②、③)過(guò)電壓值先是出現(xiàn)了下降，隨后又周期性升高，其原因是變電站內(nèi)波阻抗的不一致導(dǎo)致的折返射現(xiàn)象。

在不同的運(yùn)行方式下，在同一雷電侵入的情況下(同一保護(hù)配置下)，各個(gè)設(shè)備上的雷電過(guò)電壓的幅值基本一致，說(shuō)明雷電侵入過(guò)電壓的幅值主要取決于雷電流的大小，與運(yùn)行工況關(guān)系不大。

圖8為某變電站實(shí)測(cè)雷電侵入波波形。

圖8 實(shí)測(cè)雷電波侵入波

圖8中，B相雷電過(guò)電壓最大為1 147.8 kV，與仿真得到最大過(guò)電壓1 207.1 kV相近，此外衰減時(shí)電壓也隨著包絡(luò)線衰減至工頻電壓值，也與仿真結(jié)果相同，說(shuō)明該仿真模型的準(zhǔn)確性以及波形的參考性。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在ATP中對(duì)GIS變電站進(jìn)行等效建模，仿真雷電入侵的情況。為模擬真實(shí)避雷器在不同沖擊下殘壓值不同的情況，在避雷器側(cè)串入1個(gè)小電感。模擬仿真了雷電流從進(jìn)線端侵入，得到結(jié)論如下：

1)按照進(jìn)線端、出線端各配置1臺(tái)避雷器能有效地防止雷電過(guò)電壓，且限制的幅值1.2 MV能夠滿足變電站內(nèi)絕緣裕度的要求；

2)運(yùn)行在單出線時(shí)，出線端與變壓器端的過(guò)電壓都隨著包絡(luò)線降低至工頻電壓；

3)GIS變電站內(nèi)設(shè)備過(guò)電壓的大小主要取決于雷電流，與運(yùn)行工況無(wú)關(guān)；

4)通過(guò)與實(shí)測(cè)雷電過(guò)電壓比較，說(shuō)明了仿真模型的準(zhǔn)確性以及波形的可參考性，可為監(jiān)測(cè)到的雷電過(guò)電壓波形作為參考。