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基于EMTP的GIS中避雷器防雷特性分析

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林号缙　汪洋

摘要：避雷器是GIS重要的防雷设备，目前承受雷电过电压时GIS内部设备中各位置、各设备电参数不能具体量化，只能定性分析。笔者采用电磁暂态程序ATP-EMTP来对电力系统中GIS变电站的运行状态进行雷击的模拟和雷击过程中的参数测试，计算落雷时GIS各高压配电装置和输电母线上不同位置的过电压、过电流波形及具体数值。模拟实验研究表明MOA避雷器在GIS装置中起到了良好的防雷保护效果，并能够定量地说明不同位置的雷电过电压数值，为GIS内部各位置、各设备绝缘的合理布局与配合提供依据。

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.

关键词：GIS线路;避雷器;防雷特性;EMTP;雷电过电压

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

中图分类号：TM86? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）12-0195-04

0? 引言

Gas Insulated Substation（全封闭组合电器）设备因为其具有占地面积小、元件不受外界干扰、操作机构无油化、无气化、有较高运行可靠性等优点在电力系统中广泛应用。在雷雨天气，220kV的GIS变电站的线路上很容易产生感应雷过电压形成的雷电波沿线路入侵GIS变电站，危害设备及母线，因220kV变电站属于区域电力网，一旦因为雷击而使变电站的设备和母线受损，往往会导致大面积停电，造成严重后果。

但是在目前的避雷器防雷保护中，避雷器长期处于系统工作电压之下，势必对其工作性能和寿命也是一种挑战，并且其自身仍存在过电压防护的问题，对于变电站里能量很大或有补充能源的过电压，存在承受能力差、损坏爆炸率高、寿命短的特点，我国电网建设规模加大，尤其特高压交、直流输电线路是能源输送的重要通道，其规划和建设规模增速明显，同时，在全球气候变化的背景之下，强对流天气频发，雷电活动增强趋势明显，电网防雷面临若干较突出问题。[1，2，5]

目前GIS内部设备中各位置、各设备承受的雷电过电压不能具体量化，只能定性分析，而本文可以基于ATP-EMTP软件模拟出GIS各位置过电压的量化值，对MOA避雷器防雷特性进行研究和探讨，为GIS内部各位置、各设备绝缘进行合理布局与配合提供依据。在EMTP中广泛采用选用的220kV的Type 92型ZnO避雷器模型特性采用多段指数来表示，具体避雷器参数如表1所示。

1? 避雷器及GIS線路的EMTP模型

GIS变电站线路结构图，将大部分原本被直接或间接密封在金属管道和套管所组成的管道树中的电气设备线路图简单并完整的呈现出来，并且加入雷电波的雷击入侵通道和电力系统的发电模块，假设雷电波入侵位置是GIS外的出线上。因此本线路结构图由断路器、母线、隔离开关、电容式电压互感器、避雷器、出线套管、雷电流入侵通道和220kV发电机8部分组合而成。

在线路中的各个设备节点安设电流检测装置和电压检测装置，本课题主要关注长达40m的母线上的雷电过电压情况以查看该变电站的运行状况，支路母线上各点的雷电入侵波过电压随着位置的不同而不同，因此需要在支路母线上每隔2m的距离设置一个电压观测点，将雷电波入侵过程和各部分过压情况进行充分的展现。

根据《变电站电缆选型手册（6kV-220kV）》对仿真中的电缆线路进行选择和参数的设定。选定仿真中的线路采用波阻抗模型，GIS支路母线的波阻抗为75Ω，波速为285km/μs，220kV的输电线路的波阻抗取300Ω，波速为299km/μs。EMTP仿真模型如图1所示。

2? 雷电流波形特性及EMTP模型

电力系统的防雷保护计算中要求将雷电流波形用公式描述便于处理，本次模拟采用当前较为常用的双指数函数模型为：

双指数函数公式中，α为雷电流波头衰减系数;β为波尾衰减系数;η为峰值修正系数，Io/η为雷电波幅值。这样通过双指数波形函数，只要已知α、β和幅值就可以得到不同的与自然界相接近的雷电流波形，进行仿真计算。采用双指数模型的雷电流波形如图2所示。[11-13]

由图2纵轴上的0.1、0.9、1.0三个刻度作三条横轴的平行线，前两条平行线分别与波形图交A、B两点，过A、B两点作一条直线该直线与第三条平行线和横轴交于C、D两点由C点引横轴垂线，其垂足E，ED段为波头时间记t1;再由0.5作平行线，该平行线与波形曲线的波尾部分交于F点从F点引横轴垂线，垂足为G，GD段就为波长时间，记为t2。

雷电流采用《DL T 620-2016交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中推荐的2.6/50μs标准雷电流进行模拟，波头时间为2.6μs，半波时间为50μs。参数设置为：Amplitude=18400A，α=1.5E-6，β=5E-5。基于EMTP软件得出的雷电流模拟波形如图3所示。

3? EMTP模拟仿真

由于雷电过电压模型的等效频率高达10kHz-1MHz，在如此高的频率下，一般的电气设备只体现出电容性，因此在仿真的时候，剩下的电气设备均可以等效为一个? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?个阻抗不等的电容。本次仿真中，出线电容互感器的电容为5000pF，出线套管入口电容67pF，隔离开关入口电容210pF，断路器入口电容125pF。

为了可以得到精度较高的波形，并且使波形完整地呈现需要对仿真环境的部分参数进行合理的设置，根据分析本次仿真的各模型数据可以得出，应该将模拟步长（delta T）设为1E-9，最大模拟时间（max time）设为1E-4。无避雷器时GIS内距雷电波入侵点分别为0m、10m、20m及30m时的过电压情况如图4所示。有避雷器时，以落雷位置距GIS300m为例的EMTP模拟MOA电压及泄放电流波形如图5所示。GIS线路各节点过压情况如图6所示。从图5和图6（GIS内距雷电波入侵点分别为0m、10m、20m及30m时的过电压）中仅能看到有避雷器时GIS线路各位置电压有所下降，考虑到各电缆线和设备的实际工作情况，过电压值均取最大幅值，各项电压（电流）具体数据列于表2中。

对GIS线路和设备具有一定的防雷过电压的效果，但GIS变电站支路母线及其设备仍然承受雷电流入侵带来的较高的过电压，但对比不带避雷器仿真模型图所得到的支路母线各点电压波形图来看，避雷器仍然对GIS变电站起到了一定的保护作用，支路母线上的电压值在雷电波入侵时很快上升到一个很高的值，又很快回到一个较为安全的电压区间浮动，但是发现其保护效果不太明显，雷电波入侵时的过电压瞬时值还是过大，从避雷器附近的仿真波形图上看，避雷器上的过电压具有极大的不稳定性，避雷器的保护仅仅只有在雷电波入侵时的两个尖波时起作用，避雷器防雷导通放电的时间过短，这可能是仿真中保护作用不太明显的原因之一。

分析表2数据可知，当落雷位置距离GIS线路50m时，支路母线0节点位置的电压由765.94kV下降至607.53kV，降幅高达158.41kV，下降了20.68%，沿着支路母线测量节点，过电压的测量值由607.53kV逐渐下降至220kV，说明距离入侵位置越远的节点，电壓值越低，越接近母线的工频电压，并且越远的节点，过电压下降百分比越小。当落雷位置有一定距离后，线路上产生的过电压值开始减小，在落雷位置为50m时的0节点有避雷器和无避雷器的过电压值分别为607.53kV和765.94kV，而当落雷位置增大后，过电压值分别为592.05kV和714.23kV，分别下降了15.48kV和51.71kV，而此时因避雷器保护而呈现的过电压下降率也因过电压值的下降而有所下降，并且避雷器电流也有所下降由原来的9.12kA下降至6.85kA。

4? 总结

本文以220kVGIS变电站为模型，利用EMTP计算了几种不同落雷位置时有无避雷器情况下GIS线路的过电压情况，进而分析GIS中避雷器防雷特性并给出具体量化数值。通过模拟分析得出如下结论：

①GIS线路中的避雷器在其在被雷电流入侵时，具有一定的保护作用。②避雷器对GIS的保护作用有一定局限性，仍然会产生很高的雷电过电压，尽管从波形图上来看时间很短，且不太明显，但仍然需要重视。③避雷器主要的保护效果体现在距离避雷器近的线路和设备上，对于远离避雷器的设备和线路，保护效果有所下降。④在线路受雷电流入侵时，从波形图上来看，产生了瞬间高频电压振荡，在设计线路和选择电气设备时应给予关注。

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