500 kV GIS 变电站雷电过电压保护研究
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
·110·
第 45 卷 第 6 期 200D9 e年c. 200192 月
HHigighhVVooltlataggeeAAppppaararatutuss
Vol.45 No.6 Dec. Vol2.40509 No.6
500 kV GIS 变电站雷电过电压保护研究
甘凌霞， 李 雷， 李景禄
（长沙理工大学电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410076）
为 37 m，导线弧垂为 17 m，避雷线弧垂为 15 m。
1.5 电晕模拟
为了使模拟计算结果更接近实际情况， 可制定
更经济、合理、精确的工程方案，因此研究输电线路
电压波的传播过程衰减和波形畸变对结果的影响
时，应将进线段电晕考虑进去。 国外研究表明，在研
·112·
Dec. 2009
High Voltage Apparatus
进线段参数：导线型号为 4LG-300×4，为四分裂
结 构 ，分 裂 间 距 为 400 mm，导 线 直 径 为 23.94 mm，
20 ℃ 直 流 电 阻 为 0.096 14 Ω/km； 避 雷 线 型 号 为
OPGW -140A， 直 径 为 15.7 mm，20 ℃ 直 流 电 阻 为
0.51 Ω/km。 导线平均高度为 27 m，避雷线对地高度
Vol.45 No.6
究雷电过电压下的电晕现象时，电导可忽略，只用动 态电容去模拟电晕引起 的衰减和变 形[11 -13] ，基于线 路的伏秒特性，用 TACS 组合模型模拟电晕见图 3。 图中两个 DEVICES 装置，分别为线路相对地，相与 相之间发生起始电晕的判据。
线路相间 电压大于 起始电晕 电压判据
将 500 kV GIS 变电站和进线段结合起来，通过 对 ATP-EMTP 绝缘子串冲击伏秒特性、进线段冲击 电晕、杆塔的冲击接地电阻进行仿真，对避雷器的架 设位置、 远近区杆塔的冲击接地电阻进行全面系统 地分析，为 500 kV GIS 变电站过电压保护提供新的 工程参考。
收稿日期：2009 - 06- 12 作 者 简 介 ：甘 凌 霞 （1985），女 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 为 电 力 系 统 过 电 压 和 电 力 系 统 防 雷 接 地 技 术 。
严重时，母线上增装一组避雷器能有效降低过电压。 该研究思路兼顾安全和经济两方面，可为工程提供新的参考。
关键词： GIS 变电站； 冲击电晕； 接地电阻； 落雷击； 过电压
中图分类号： TM862
文献标志码： A
文章编号：1001 - 1609（2009）06 - 0110 - 05
Lightning Over-voltage Protection for 500 kV GIS Substation
3 669.5e－t/0.8
（2）
1.4 进线段模拟
雷电侵入波是通过进线段流入变电站的， 所以
对于进线段的模拟尤为重要。 落雷点可分为近区落
雷和远区落雷，规定一般应该保证 2 km 外线路导线
上出现雷电侵入波过电压时， 不引起发电厂和变电
站电气设备绝缘损坏。但在实际情况中，若变电站
2 km 外线路上落雷，传输到变电站内后能量大大衰
0 引言
随着 500 kV 输变电工程的建设和发展，各电力 科研、设计单位对 500 kV 变电站的方案试验和研究 逐渐深入，500 kV 雷电侵入波保护的计算和分析作 为变电站科研和设计的一个重要内容， 也取得了很 大的进步[1-4]。 但是诸多方案并不切合实际，有的只 是过度地强调绝缘裕度，并未从经济角度考虑；有的 只是通过片面计算给出了方案， 由此留下很大的安 全隐患。 文[5，6]取绝缘子串 50%放电电压作为一定 值，进行过电压计算并给出了防雷方案。绝缘子串的 冲击伏秒特性是随时间变化的， 所以这种选取侵入 波的方法并不可取。 文[7]为了从严考虑，忽略了电 晕、杆塔冲击接地电阻等因素的影响，依实际情况看 来，模型显得过于保守和粗略。 文[3]将变电站和进
2009 年 12 月
1 模型建立与参数选择
ATPDraw 是 世 界 上 应 用 最 广 的 数 字 式 仿 真 电 磁暂态现象软件，基于图形化界面，在使用中非常方 便准确。在此次研究中，雷电模型、输电线路模型、杆 塔模型、避雷器模型均根据参数特点自己定义，变电 站内设备变压器、隔离开关、断路器、互感器等，在雷 电波作用下，均用等值冲击入口电容表示。 1.1 500 kV GIS 变电站等效电路图
某 500 kV GIS 变电站等效电路图见图 1。 出于 系统安全性考虑，选取“一线一变”这种雷电过电压最 为严重的运行方式进行仿真计算。 图中 CVT 为电容 式电压互感器；DS 为隔离开关；CT 为电流互感器；CB 为断路器；F 为避雷器；T 为变压器。
GIS 内部
500 kV 进线 DS CT CVT
2.6/50 μs 的仿真雷电流。
1.3 绝缘子串模拟
绝缘子串模型见图 2，图 2 中 F（OUT）是输出函
数；T（DC）指直流源；TRCS（DEV52）是一个比较器 ，
将 过 电 压 与 伏 秒 特 性 进 行 比 较 ；MIN or MAX 是 控
制开关的输出量，即绝缘子闪络时，开关闭合，不闪
络时， 开关是断开状态。 当绝缘子串上过电压较高
数据见表 1。
利用 MATLAB 进行线性系数回归分析，构造一
第 45 卷 第 6 期
·111·
F OUT
＋ M ＋
模拟判据部分
TRCS DEV 52
模拟绝缘子串伏秒特性
控制开关部分
MoIrN MAX 64 T
F OUT
F OUT F OUT G（S）
T DC
F OUT
模拟感应过电压
模拟
图 2 绝缘子串模型
电压 等级/kV
500
表 2 ZnO 避雷器的电气特性
额定 电压/kV
直流 1 mA 参 考 电 压 /kV
8/20 μs 雷电 冲 击 残 压 /kV
10 kA
20 kA
444
597
1 015
1 106
420
565
960
1 046
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2 不同因素对侵入波过电压的影响
2.1 雷击点对雷电侵入波过电压的影响 2.1.1 反击
近区杆塔 TW0，TW1 冲击接地电阻 R1 取 5 Ω， 远区杆塔 TW2～TW6 冲击接地电阻 R2 取 10 Ω，系 统单线单变时不同雷击点各处过电压见表 3。
根据以往仿真研究的习惯，人们普遍认为，雷击 TW1 处引起的过 电压最严 重 ，由 表 3 可 看 出 ，雷 击 TW2 时站内各设备过电压比雷击 TW1 更为严重。 对 于过电压的研究只选择雷击 TW1 作为最大过电压处 理是不合理的，这将对站内安全带来极大的隐患。
线段结合起来，考虑绝缘子串冲击伏秒特性，进线段 冲击电晕和杆塔的冲击接地电阻，对于雷击点，笔者 只选择了距离终端“门”形构架的 1 号塔作为侵入波 最严重的情况来处理，某些情况下可能正确，但大多 数情况下不合适，大量研究表明，1 号塔和变电所的 终端“门”形构 架（0 号塔）距 离比较近，雷 击 1 号塔 时， 经地线由 0 号塔返回的负反射波很快返回1 号 塔，降低了 1 号塔顶电位，使侵入波过电压减小[8]， 所以仅计算雷击 1 号塔侵入波过电压不全面。
Vcr（t）＋Vpf（t）－Vco（t）
t /us V＋ /kV
表 1 500 kV 绝缘子串伏-秒特性
2
3
4
5
7
10
3 330 2 830 2 630 2 500 2 330 2 260
14 2 200
个指数函数作为绝缘子的伏秒特性， 使用最小二乘
法，经过回归分析后的方程为
u（t）＝2 169.1＋993.9e－t/4＋853.5e－t/1.5＋
减， 不会对变电站内设备绝缘构成威胁。 笔者选取
2 km 进线段距离 ，模拟了 6 个基 塔及导线 ，将雷击
1 号、2 号、3 号塔均考虑进去。
杆塔模型：在防雷计算中，雷电冲击波作用下，
塔顶呈现的电位与塔顶注入的冲击电流的比值，即
杆塔的冲击响应波阻抗[10] 。 其波阻抗取 115 Ω，波速
为 210 m/μs。
GAN Ling-xia， LI Lei， LI Jing-lu
（Changsha University of Science and Technology， Changsha 410076， China）
Abstract: This paper combines incoming lines with a 500 kV GIS substation to investigate the lightning over-voltage of 500 kV GIS substation via ATP-EMTP simulation program with respect to the influences of impulse voltage-second characteristics of insulator strings， impulse corona of incoming lines， impulse grounding resistance of tower， and position of lightning. The result shows that impulse corona and grounding resistance of the tower which is close to the substation exert great influence on over-voltage， maybe the lightning over-voltage is not the maximum when lightning strike the tower which is close to the terminal door-typed structure， and a group of arresters installed on bus can decrease the over-voltage effectively when the over-voltage of the equipment is very serious. This research takes both safety and economy into account to provide a reference for the lightning over-voltage protection of GIS substations. Key words: GIS substation； impulse corona； grounding resistance； position of lightning； over-voltage
摘要： 将 500 kV GIS 变电站和进线段结合起来，考虑绝缘子串冲击伏秒特性、进线段冲击电晕、远 近 区 杆 塔 冲 击 接 地 电 阻 、落
雷点等因素的影响，采用 ATP-EMTP 对 500 kV GIS 变电站的雷电侵入波过电压进行了研究。 研究表明，冲击电晕、近区杆塔接
地电阻对雷电过电压有很大的影响；雷击最靠近变电所终端“门”形塔的杆塔时，过电压有可能不是最严重的；当设备过电压较
时，其伏秒特性曲线与绝缘了串上电压曲线相交，相
应时刻即为闪络时刻， 此时判据部分给定一个输出
并传给控制开关部分， 控制开关部分将这一输出保
持。 杆塔绝缘子串上的闪络电压与作用其上的电压
波形有关，可用伏秒特性来表示，通过采用最小二乘
法构造出线性系数的回归分析来逼近。 500 kV 标准
绝缘强度采用 25 片 XP- 160 绝缘子， 其伏秒特性
F1
CB
CB CT DS
DS DS
PT
F2
T
图 1 500 kV GIS 变电站等效电路图
1.2 雷电模拟
雷电流属于单极性脉冲波。 对我国现行标准推
荐雷电流幅值分布的概率 P 为[9]
lg
P=-
I 88
（1）
式（1）中，I 为雷电 流值，kA；P 为幅值 大于 I 的雷电
流概率。
取 0.14%概率的雷电流，幅值为 240 kA，波形为
TRCS
DEV T 52
TRCS
DEV T 52
F OUT
RLC RLC
线路相对 地电压大 于起始电
晕判据
OUT
OUT
OUT
F
F
F
T DC
F OUT
图 3 电晕模型
1.6 避雷器参数 500 kV 级 GIS 内 部 采 用 SF6 封 闭 式 ZnO 避 雷
器，额定电压 为 420 kV；外 部 （线 路 入 口 ）采 用 敞 开 式 ZnO 避雷器，额定电压为 444 kV。 ZnO 避雷器的 电气特性见表 2。
第 45 卷 第 6 期 200D9 e年c. 200192 月
HHigighhVVooltlataggeeAAppppaararatutuss
Vol.45 No.6 Dec. Vol2.40509 No.6
500 kV GIS 变电站雷电过电压保护研究
甘凌霞， 李 雷， 李景禄
（长沙理工大学电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410076）
为 37 m，导线弧垂为 17 m，避雷线弧垂为 15 m。
1.5 电晕模拟
为了使模拟计算结果更接近实际情况， 可制定
更经济、合理、精确的工程方案，因此研究输电线路
电压波的传播过程衰减和波形畸变对结果的影响
时，应将进线段电晕考虑进去。 国外研究表明，在研
·112·
Dec. 2009
High Voltage Apparatus
进线段参数：导线型号为 4LG-300×4，为四分裂
结 构 ，分 裂 间 距 为 400 mm，导 线 直 径 为 23.94 mm，
20 ℃ 直 流 电 阻 为 0.096 14 Ω/km； 避 雷 线 型 号 为
OPGW -140A， 直 径 为 15.7 mm，20 ℃ 直 流 电 阻 为
0.51 Ω/km。 导线平均高度为 27 m，避雷线对地高度
Vol.45 No.6
究雷电过电压下的电晕现象时，电导可忽略，只用动 态电容去模拟电晕引起 的衰减和变 形[11 -13] ，基于线 路的伏秒特性，用 TACS 组合模型模拟电晕见图 3。 图中两个 DEVICES 装置，分别为线路相对地，相与 相之间发生起始电晕的判据。
线路相间 电压大于 起始电晕 电压判据
将 500 kV GIS 变电站和进线段结合起来，通过 对 ATP-EMTP 绝缘子串冲击伏秒特性、进线段冲击 电晕、杆塔的冲击接地电阻进行仿真，对避雷器的架 设位置、 远近区杆塔的冲击接地电阻进行全面系统 地分析，为 500 kV GIS 变电站过电压保护提供新的 工程参考。
收稿日期：2009 - 06- 12 作 者 简 介 ：甘 凌 霞 （1985），女 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 为 电 力 系 统 过 电 压 和 电 力 系 统 防 雷 接 地 技 术 。
严重时，母线上增装一组避雷器能有效降低过电压。 该研究思路兼顾安全和经济两方面，可为工程提供新的参考。
关键词： GIS 变电站； 冲击电晕； 接地电阻； 落雷击； 过电压
中图分类号： TM862
文献标志码： A
文章编号：1001 - 1609（2009）06 - 0110 - 05
Lightning Over-voltage Protection for 500 kV GIS Substation
3 669.5e－t/0.8
（2）
1.4 进线段模拟
雷电侵入波是通过进线段流入变电站的， 所以
对于进线段的模拟尤为重要。 落雷点可分为近区落
雷和远区落雷，规定一般应该保证 2 km 外线路导线
上出现雷电侵入波过电压时， 不引起发电厂和变电
站电气设备绝缘损坏。但在实际情况中，若变电站
2 km 外线路上落雷，传输到变电站内后能量大大衰
0 引言
随着 500 kV 输变电工程的建设和发展，各电力 科研、设计单位对 500 kV 变电站的方案试验和研究 逐渐深入，500 kV 雷电侵入波保护的计算和分析作 为变电站科研和设计的一个重要内容， 也取得了很 大的进步[1-4]。 但是诸多方案并不切合实际，有的只 是过度地强调绝缘裕度，并未从经济角度考虑；有的 只是通过片面计算给出了方案， 由此留下很大的安 全隐患。 文[5，6]取绝缘子串 50%放电电压作为一定 值，进行过电压计算并给出了防雷方案。绝缘子串的 冲击伏秒特性是随时间变化的， 所以这种选取侵入 波的方法并不可取。 文[7]为了从严考虑，忽略了电 晕、杆塔冲击接地电阻等因素的影响，依实际情况看 来，模型显得过于保守和粗略。 文[3]将变电站和进
2009 年 12 月
1 模型建立与参数选择
ATPDraw 是 世 界 上 应 用 最 广 的 数 字 式 仿 真 电 磁暂态现象软件，基于图形化界面，在使用中非常方 便准确。在此次研究中，雷电模型、输电线路模型、杆 塔模型、避雷器模型均根据参数特点自己定义，变电 站内设备变压器、隔离开关、断路器、互感器等，在雷 电波作用下，均用等值冲击入口电容表示。 1.1 500 kV GIS 变电站等效电路图
某 500 kV GIS 变电站等效电路图见图 1。 出于 系统安全性考虑，选取“一线一变”这种雷电过电压最 为严重的运行方式进行仿真计算。 图中 CVT 为电容 式电压互感器；DS 为隔离开关；CT 为电流互感器；CB 为断路器；F 为避雷器；T 为变压器。
GIS 内部
500 kV 进线 DS CT CVT
2.6/50 μs 的仿真雷电流。
1.3 绝缘子串模拟
绝缘子串模型见图 2，图 2 中 F（OUT）是输出函
数；T（DC）指直流源；TRCS（DEV52）是一个比较器 ，
将 过 电 压 与 伏 秒 特 性 进 行 比 较 ；MIN or MAX 是 控
制开关的输出量，即绝缘子闪络时，开关闭合，不闪
络时， 开关是断开状态。 当绝缘子串上过电压较高
数据见表 1。
利用 MATLAB 进行线性系数回归分析，构造一
第 45 卷 第 6 期
·111·
F OUT
＋ M ＋
模拟判据部分
TRCS DEV 52
模拟绝缘子串伏秒特性
控制开关部分
MoIrN MAX 64 T
F OUT
F OUT F OUT G（S）
T DC
F OUT
模拟感应过电压
模拟
图 2 绝缘子串模型
电压 等级/kV
500
表 2 ZnO 避雷器的电气特性
额定 电压/kV
直流 1 mA 参 考 电 压 /kV
8/20 μs 雷电 冲 击 残 压 /kV
10 kA
20 kA
444
597
1 015
1 106
420
565
960
1 046
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2 不同因素对侵入波过电压的影响
2.1 雷击点对雷电侵入波过电压的影响 2.1.1 反击
近区杆塔 TW0，TW1 冲击接地电阻 R1 取 5 Ω， 远区杆塔 TW2～TW6 冲击接地电阻 R2 取 10 Ω，系 统单线单变时不同雷击点各处过电压见表 3。
根据以往仿真研究的习惯，人们普遍认为，雷击 TW1 处引起的过 电压最严 重 ，由 表 3 可 看 出 ，雷 击 TW2 时站内各设备过电压比雷击 TW1 更为严重。 对 于过电压的研究只选择雷击 TW1 作为最大过电压处 理是不合理的，这将对站内安全带来极大的隐患。
线段结合起来，考虑绝缘子串冲击伏秒特性，进线段 冲击电晕和杆塔的冲击接地电阻，对于雷击点，笔者 只选择了距离终端“门”形构架的 1 号塔作为侵入波 最严重的情况来处理，某些情况下可能正确，但大多 数情况下不合适，大量研究表明，1 号塔和变电所的 终端“门”形构 架（0 号塔）距 离比较近，雷 击 1 号塔 时， 经地线由 0 号塔返回的负反射波很快返回1 号 塔，降低了 1 号塔顶电位，使侵入波过电压减小[8]， 所以仅计算雷击 1 号塔侵入波过电压不全面。
Vcr（t）＋Vpf（t）－Vco（t）
t /us V＋ /kV
表 1 500 kV 绝缘子串伏-秒特性
2
3
4
5
7
10
3 330 2 830 2 630 2 500 2 330 2 260
14 2 200
个指数函数作为绝缘子的伏秒特性， 使用最小二乘
法，经过回归分析后的方程为
u（t）＝2 169.1＋993.9e－t/4＋853.5e－t/1.5＋
减， 不会对变电站内设备绝缘构成威胁。 笔者选取
2 km 进线段距离 ，模拟了 6 个基 塔及导线 ，将雷击
1 号、2 号、3 号塔均考虑进去。
杆塔模型：在防雷计算中，雷电冲击波作用下，
塔顶呈现的电位与塔顶注入的冲击电流的比值，即
杆塔的冲击响应波阻抗[10] 。 其波阻抗取 115 Ω，波速
为 210 m/μs。
GAN Ling-xia， LI Lei， LI Jing-lu
（Changsha University of Science and Technology， Changsha 410076， China）
Abstract: This paper combines incoming lines with a 500 kV GIS substation to investigate the lightning over-voltage of 500 kV GIS substation via ATP-EMTP simulation program with respect to the influences of impulse voltage-second characteristics of insulator strings， impulse corona of incoming lines， impulse grounding resistance of tower， and position of lightning. The result shows that impulse corona and grounding resistance of the tower which is close to the substation exert great influence on over-voltage， maybe the lightning over-voltage is not the maximum when lightning strike the tower which is close to the terminal door-typed structure， and a group of arresters installed on bus can decrease the over-voltage effectively when the over-voltage of the equipment is very serious. This research takes both safety and economy into account to provide a reference for the lightning over-voltage protection of GIS substations. Key words: GIS substation； impulse corona； grounding resistance； position of lightning； over-voltage
摘要： 将 500 kV GIS 变电站和进线段结合起来，考虑绝缘子串冲击伏秒特性、进线段冲击电晕、远 近 区 杆 塔 冲 击 接 地 电 阻 、落
雷点等因素的影响，采用 ATP-EMTP 对 500 kV GIS 变电站的雷电侵入波过电压进行了研究。 研究表明，冲击电晕、近区杆塔接
地电阻对雷电过电压有很大的影响；雷击最靠近变电所终端“门”形塔的杆塔时，过电压有可能不是最严重的；当设备过电压较
时，其伏秒特性曲线与绝缘了串上电压曲线相交，相
应时刻即为闪络时刻， 此时判据部分给定一个输出
并传给控制开关部分， 控制开关部分将这一输出保
持。 杆塔绝缘子串上的闪络电压与作用其上的电压
波形有关，可用伏秒特性来表示，通过采用最小二乘
法构造出线性系数的回归分析来逼近。 500 kV 标准
绝缘强度采用 25 片 XP- 160 绝缘子， 其伏秒特性
F1
CB
CB CT DS
DS DS
PT
F2
T
图 1 500 kV GIS 变电站等效电路图
1.2 雷电模拟
雷电流属于单极性脉冲波。 对我国现行标准推
荐雷电流幅值分布的概率 P 为[9]
lg
P=-
I 88
（1）
式（1）中，I 为雷电 流值，kA；P 为幅值 大于 I 的雷电
流概率。
取 0.14%概率的雷电流，幅值为 240 kA，波形为
TRCS
DEV T 52
TRCS
DEV T 52
F OUT
RLC RLC
线路相对 地电压大 于起始电
晕判据
OUT
OUT
OUT
F
F
F
T DC
F OUT
图 3 电晕模型
1.6 避雷器参数 500 kV 级 GIS 内 部 采 用 SF6 封 闭 式 ZnO 避 雷
器，额定电压 为 420 kV；外 部 （线 路 入 口 ）采 用 敞 开 式 ZnO 避雷器，额定电压为 444 kV。 ZnO 避雷器的 电气特性见表 2。