基于EMTP的GIS中避雷器防雷特性分析

林號縉　汪洋

摘要：避雷器是GIS重要的防雷設備，目前承受雷電過電壓時GIS內部設備中各位置、各設備電參數不能具體量化，只能定性分析。筆者采用電磁暫態程序ATP-EMTP來對電力系統中GIS變電站的運行狀態進行雷擊的模擬和雷擊過程中的參數測試，計算落雷時GIS各高壓配電裝置和輸電母線上不同位置的過電壓、過電流波形及具體數值。模擬實驗研究表明MOA避雷器在GIS裝置中起到了良好的防雷保護效果，并能夠定量地說明不同位置的雷電過電壓數值，為GIS內部各位置、各設備絕緣的合理布局與配合提供依據。

Abstract： Arrester is an important lightning protection equipment for GIS. At present， the electrical parameters of each position and equipment in GIS internal equipment cannot be quantified when subjected to lightning overvoltage， and can only be qualitatively analyzed. The author uses the electromagnetic transient program ATP-EMTP to simulate the lightning strike of the GIS substation in the power system and the parametric test during the lightning strike， and calculate the overvoltage overcurrent waveform and specific values at different positions of the GIS high voltage power distribution device and the transmission bus during the lightning strike. The simulation experiment shows that the MOA arrester plays a good lightning protection effect in the GIS device， and can quantitatively explain the lightning overvoltage values at different locations， which provides a basis for the reasonable layout and cooperation of the various locations and equipment insulation inside the GIS.

關鍵詞：GIS線路;避雷器;防雷特性;EMTP;雷電過電壓

Key words： GIS line;lightning arrester;lightning protection;EMTP;lightning overvoltage

中圖分類號：TM86? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）12-0195-04

0? 引言

Gas Insulated Substation（全封閉組合電器）設備因為其具有占地面積小、元件不受外界干擾、操作機構無油化、無氣化、有較高運行可靠性等優點在電力系統中廣泛應用。在雷雨天氣，220kV的GIS變電站的線路上很容易產生感應雷過電壓形成的雷電波沿線路入侵GIS變電站，危害設備及母線，因220kV變電站屬于區域電力網，一旦因為雷擊而使變電站的設備和母線受損，往往會導致大面積停電，造成嚴重后果。

但是在目前的避雷器防雷保護中，避雷器長期處于系統工作電壓之下，勢必對其工作性能和壽命也是一種挑戰，并且其自身仍存在過電壓防護的問題，對于變電站里能量很大或有補充能源的過電壓，存在承受能力差、損壞爆炸率高、壽命短的特點，我國電網建設規模加大，尤其特高壓交、直流輸電線路是能源輸送的重要通道，其規劃和建設規模增速明顯，同時，在全球氣候變化的背景之下，強對流天氣頻發，雷電活動增強趨勢明顯，電網防雷面臨若干較突出問題。[1，2，5]

目前GIS內部設備中各位置、各設備承受的雷電過電壓不能具體量化，只能定性分析，而本文可以基于ATP-EMTP軟件模擬出GIS各位置過電壓的量化值，對MOA避雷器防雷特性進行研究和探討，為GIS內部各位置、各設備絕緣進行合理布局與配合提供依據。在EMTP中廣泛采用選用的220kV的Type 92型ZnO避雷器模型特性采用多段指數來表示，具體避雷器參數如表1所示。

1? 避雷器及GIS線路的EMTP模型

GIS變電站線路結構圖，將大部分原本被直接或間接密封在金屬管道和套管所組成的管道樹中的電氣設備線路圖簡單并完整的呈現出來，并且加入雷電波的雷擊入侵通道和電力系統的發電模塊，假設雷電波入侵位置是GIS外的出線上。因此本線路結構圖由斷路器、母線、隔離開關、電容式電壓互感器、避雷器、出線套管、雷電流入侵通道和220kV發電機8部分組合而成。

在線路中的各個設備節點安設電流檢測裝置和電壓檢測裝置，本課題主要關注長達40m的母線上的雷電過電壓情況以查看該變電站的運行狀況，支路母線上各點的雷電入侵波過電壓隨著位置的不同而不同，因此需要在支路母線上每隔2m的距離設置一個電壓觀測點，將雷電波入侵過程和各部分過壓情況進行充分的展現。

根據《變電站電纜選型手冊（6kV-220kV）》對仿真中的電纜線路進行選擇和參數的設定。選定仿真中的線路采用波阻抗模型，GIS支路母線的波阻抗為75Ω，波速為285km/μs，220kV的輸電線路的波阻抗取300Ω，波速為299km/μs。EMTP仿真模型如圖1所示。

2? 雷電流波形特性及EMTP模型

電力系統的防雷保護計算中要求將雷電流波形用公式描述便于處理，本次模擬采用當前較為常用的雙指數函數模型為：

雙指數函數公式中，α為雷電流波頭衰減系數;β為波尾衰減系數;η為峰值修正系數，Io/η為雷電波幅值。這樣通過雙指數波形函數，只要已知α、β和幅值就可以得到不同的與自然界相接近的雷電流波形，進行仿真計算。采用雙指數模型的雷電流波形如圖2所示。[11-13]

由圖2縱軸上的0.1、0.9、1.0三個刻度作三條橫軸的平行線，前兩條平行線分別與波形圖交A、B兩點，過A、B兩點作一條直線該直線與第三條平行線和橫軸交于C、D兩點由C點引橫軸垂線，其垂足E，ED段為波頭時間記t1;再由0.5作平行線，該平行線與波形曲線的波尾部分交于F點從F點引橫軸垂線，垂足為G，GD段就為波長時間，記為t2。

雷電流采用《DL T 620-2016交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中推薦的2.6/50μs標準雷電流進行模擬，波頭時間為2.6μs，半波時間為50μs。參數設置為：Amplitude=18400A，α=1.5E-6，β=5E-5。基于EMTP軟件得出的雷電流模擬波形如圖3所示。

3? EMTP模擬仿真

由于雷電過電壓模型的等效頻率高達10kHz-1MHz，在如此高的頻率下，一般的電氣設備只體現出電容性，因此在仿真的時候，剩下的電氣設備均可以等效為一個? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?個阻抗不等的電容。本次仿真中，出線電容互感器的電容為5000pF，出線套管入口電容67pF，隔離開關入口電容210pF，斷路器入口電容125pF。

為了可以得到精度較高的波形，并且使波形完整地呈現需要對仿真環境的部分參數進行合理的設置，根據分析本次仿真的各模型數據可以得出，應該將模擬步長（delta T）設為1E-9，最大模擬時間（max time）設為1E-4。無避雷器時GIS內距雷電波入侵點分別為0m、10m、20m及30m時的過電壓情況如圖4所示。有避雷器時，以落雷位置距GIS300m為例的EMTP模擬MOA電壓及泄放電流波形如圖5所示。GIS線路各節點過壓情況如圖6所示。從圖5和圖6（GIS內距雷電波入侵點分別為0m、10m、20m及30m時的過電壓）中僅能看到有避雷器時GIS線路各位置電壓有所下降，考慮到各電纜線和設備的實際工作情況，過電壓值均取最大幅值，各項電壓（電流）具體數據列于表2中。

對GIS線路和設備具有一定的防雷過電壓的效果，但GIS變電站支路母線及其設備仍然承受雷電流入侵帶來的較高的過電壓，但對比不帶避雷器仿真模型圖所得到的支路母線各點電壓波形圖來看，避雷器仍然對GIS變電站起到了一定的保護作用，支路母線上的電壓值在雷電波入侵時很快上升到一個很高的值，又很快回到一個較為安全的電壓區間浮動，但是發現其保護效果不太明顯，雷電波入侵時的過電壓瞬時值還是過大，從避雷器附近的仿真波形圖上看，避雷器上的過電壓具有極大的不穩定性，避雷器的保護僅僅只有在雷電波入侵時的兩個尖波時起作用，避雷器防雷導通放電的時間過短，這可能是仿真中保護作用不太明顯的原因之一。

分析表2數據可知，當落雷位置距離GIS線路50m時，支路母線0節點位置的電壓由765.94kV下降至607.53kV，降幅高達158.41kV，下降了20.68%，沿著支路母線測量節點，過電壓的測量值由607.53kV逐漸下降至220kV，說明距離入侵位置越遠的節點，電壓值越低，越接近母線的工頻電壓，并且越遠的節點，過電壓下降百分比越小。當落雷位置有一定距離后，線路上產生的過電壓值開始減小，在落雷位置為50m時的0節點有避雷器和無避雷器的過電壓值分別為607.53kV和765.94kV，而當落雷位置增大后，過電壓值分別為592.05kV和714.23kV，分別下降了15.48kV和51.71kV，而此時因避雷器保護而呈現的過電壓下降率也因過電壓值的下降而有所下降，并且避雷器電流也有所下降由原來的9.12kA下降至6.85kA。

4? 總結

本文以220kVGIS變電站為模型，利用EMTP計算了幾種不同落雷位置時有無避雷器情況下GIS線路的過電壓情況，進而分析GIS中避雷器防雷特性并給出具體量化數值。通過模擬分析得出如下結論：

①GIS線路中的避雷器在其在被雷電流入侵時，具有一定的保護作用。②避雷器對GIS的保護作用有一定局限性，仍然會產生很高的雷電過電壓，盡管從波形圖上來看時間很短，且不太明顯，但仍然需要重視。③避雷器主要的保護效果體現在距離避雷器近的線路和設備上，對于遠離避雷器的設備和線路，保護效果有所下降。④在線路受雷電流入侵時，從波形圖上來看，產生了瞬間高頻電壓振蕩，在設計線路和選擇電氣設備時應給予關注。

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