变电站的雷电入侵波过电压研究（气体绝缘变电站）

毕 业 设 计（论 文）

变电站的雷电入侵波过电压研究（气

体绝缘变电站）

系 别： 机 电 信 息 学 院 专学业生名姓称： 电气工程及其自动化 名： 学 号： 指导教师姓名、职称：

完成日期 2011年 12 月 10 日

中文摘要

220kVGIS变电站是电力系统的枢纽，一旦发生雷害事故，将造成大面积停电；并且站内变压器等主要电气设备的内绝缘大多没有恢复能力，万一雷害损坏，修复起来十分困难，势必造成严重的后果。因此要求有可靠的防雷措施，由于雷击线路的机会比雷直击变电站要多，沿线路侵入变电站的雷电过电压行波是很常见的。对220kVGIS变电站进行雷电过电压保护的研究是十分有必要的。

本论文以某220kV高压GIS变电站为例，采用国际通用的电磁暂态程序ATP-EMTP进行分析计算。仿真中，将变电站和进线段结合起来，并加入了线路终端的模拟，雷击点选择近区雷击，考虑变电站运行方式、工频电压等因素的影响，对雷电侵入波在变电站电气设备(主要是变压器)上产生的过电压进行精确的计算分析，找出过电压的分布及变化规律，提出相应的雷电过电压保护措施，对电气设备的保护提供了有价值的参考依据;对于同类问题的运行计算也有一定的工程应用价值。由于ATP-EMTP建立考虑冲击电晕的输电线路模型很困难，为可靠起见，本文不考虑输电线路的冲击电晕的影响。所以，计算出的结果偏安全侧。

关键词:GIS变电站；雷电侵入波；过电压；ATP-EMTP；

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AB STRACT

220kVGIS substation is the hinge of the power system，once the event of lighting accidents，will lead to large—area power outage；And transformer stations and other major electrical equipment within the insulation capacity of the majority have not resume ability，The event of damage by lighting，it is very difficult to repair，it will inevitably cause serious consequences．consequences．As the probability of lines by lightning is higher than that of substations, and it is commonplace that over-voltage lightning wave invading into substations along lines，it is necessary to make some protection for the research of 220kV sover-voltage substation lightning． This paper takes a 220kVGIS substation for example and makes the most of internationally universal electromagnetie transient simulation software ATP-EMTP to research it. In the simulation, the paper synthesizes the substation and its incoming lines together, takes the line terminals into account, selects the near lightning strike as 1ightning strike point, and takes the infiuence of various factors into consideration, such as substation operation mode，power- frequency voltage , impulse grounding resistance etc. Over-voltage generated by lightning invasion wave in the electrieal substation equipments (mainly transformers) is calculated and analyzed aceurately so that we can identify the over-voltage distribution and variation through it, and the corresponding lightning over-voltage protection measures are proposed，simultaneously, it can provide a valuable reference to the electrical equipment protection .And it has some value to run calculations with similar problems as well. Because it is difficult to consider the effect of impulse corona on transmission lines in ATP-EMTP，this paper does not consider the impact of transmission line corona effects for the sake of reliability. Therefore，the calculated result is safer.

KEYWORDS: GIS substation; lightning invasion wave; over-voltag; ;ATP-EMTP;

目录

中文摘要........................................................................................................................................... 2 AB STRACT......................................................................................................................................... 1 第一章绪论....................................................................................................................................... 4 1．1 课题提出的意义 ..................................................................................................................... 4 1．2 国内外研究水平及发展现状 ................................................................................................. 5 1.2.1 GIS变电站的发展及优点 .................................................................................................... 6 1.2.2 电力系统数字仿真软件 ..................................................................................................... 7 1．3 本课题研究的主要内容 ......................................................................................................... 7 第二章220kVGIS变电站的模拟建立 ........................................................................................... 9 2.1 雷电侵入方式 ........................................................................................................................... 9 2．1.1 雷电模型 ........................................................................................... 错误！未定义书签。 2．2 变电站输电线路模型 ........................................................................................................... 11 2.2.1 宝能220kV主接线 ............................................................................................................. 11 2.2.2 宝能变电站的运行方式 ....................................................................................................... 12 2．3 站内各元件模型及参数 ....................................................................................................... 17 2.3.1 GIS中元件模型及参数选取：对地电容 .......................................................................... 17 2.3.2 输电线路模型 ..................................................................................................................... 17 2.3.3 分布参数模型 ..................................................................................................................... 18 2.4 避雷器的配置 ......................................................................................................................... 19 2.4.1 霹雷设施模拟 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 2.5 绝缘子闪络模型 ..................................................................................................................... 19 2.6 不同出线对雷电侵入波过电压的影响 ................................................................................. 20 2.7 本章总结 ................................................................................................................................. 21 第三章 入侵波过电压仿真和研究 ............................................................................................... 22 3.1 220KV变电站的仿真模型 ...................................................................................................... 24 3.2 变电站的运行方式和等值计算模型 ..................................................................................... 24 3.2.1 运行方式一过电压研究 ..................................................................... 错误！未定义书签。 3..2.2 运行方式二过电压研究 ...................................................................... 错误！未定义书签。 3.2.3 运行方式三过电压研究 ..................................................................... 错误！未定义书签。 3.3 本章总结 ................................................................................................................................. 36 第四章 防雷保护的研究 ............................................................................................................... 37 4.1 GIS防雷保护的特点 .............................................................................. 错误！未定义书签。

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4.2 防雷措施的分析 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.1 方案一母线安装MOA .......................................................................................................... 37 4.2.2 方案二3 回架空出线装设MOA ......................................................................................... 38 4.2.3 方案三主变旁加装MOA ...................................................................................................... 38 4.3 变压器入口电容对过电压的影响 ......................................................................................... 40 4.4 本章小结 ................................................................................................................................. 41 第五章 结论 ................................................................................................................................... 42 附录Ⅰ 宝能220kVGIS变电站主接线图 ..................................................................................... 44 附录Ⅱ 220kV变电站等值计算电路 ............................................................................................ 45 附录Ⅲ 220kV变电站ATP仿真电路 ......................................................................................... 46 参考文献......................................................................................................................................... 47 致 谢........................................................................................................................................... 49

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1 绪论

1.1 课题提出的意义

我国是雷电活动十分频繁的国家，全国有21个省会城市雷暴日都在50天以上，最多可达134天[1]据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡达3000～4000人，损失财产50～lOO亿元人民币。近年来，随着社会经济发展和现代化水平的提高，特别是信息技术的快速发展，雷电灾害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大。在1998和1999年的两年中，全国造成直接经济损失在百万元以上的雷电灾害就有38起。如1990年7月30日郑州、三门峡微波干线大沟口微波站因雷击而损坏38块盘，损失十分严重[2]。据广东省统计，在1996～1999年的四年间，全省发生雷击事故6143起，伤亡699人，直接经济损失达15亿元。 变电站是多条输电线路的交汇点和电力系统的枢纽点，对于输配电线路的雷害事故，变电站的雷害事故要严重得多，变电站的事故往往会导致大面积停电，因此进行变电工程设计前必须认真研究大气过电压及其保护问题[3-4]。从各国的实际运行来看，雷击仍然是输电线路安全可靠运行的主要危害，电力系统事故中雷害事故一般占50％以上，例如：瑞典1986年由于雷击而引起的事故占所有事故的5l％，日本50％以上的电力系统事故是由于雷击输电线路引起的；国际大电网会议公布的美国、前苏联等12个国家的电压为275kV～500kV，总长为3．27万km输电线路连续3年运行表明，雷害事故占总事故的60％。输电线路的电压等级越高，除了输送容量的增大在系统中所占的重要性相对增加以外，其绝缘距距离、杆塔高度也增加，线路走廊的尺寸加大，引雷半径自然也增大，这样遭受自然雷害的几率也随之增加，所以，对防雷保护的技术措施上要求很严格。

220kV变电站在电网中的地位极为重要。一旦被雷击损坏，将直接影响大网、

主网的安全可靠的运行，造成严重的后果，因此要求可靠的防雷措施[5]。变电站雷害来源有三：一是雷电直击变电站；二是沿路传过来的雷电波；三是变电站落雷时产生的感应过电压。因为雷击线路的机会远比雷电直击变电站多，所以沿线路侵入变电站的雷电过电压是常见的，是对变电站电气设备构成威胁的主要方式之一。

气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation，简称GIS，又称为全封闭组合电器) [1-4]是指“一种将高压电器放于接地的金属壳内，以高压气体为主要绝缘的电站所用的绝缘气体主要是指SF6。与空气绝缘变电站(Air InsuIated Substation，简称AIS)相比，它具有占地面积小、运行安全、维护方便以及与

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周围环境隔绝等诸多优点，在世界各地的应用越来越广泛[6]。如同其它新技术一样，它的使用也带来了许多新的问题，主要有三个方面：一、由于GIS采用．观为其主要绝缘气体，所以断口装置，如隔离开关与传统电站的运行条件不同；二、由于GIS占地面积小，各个设备之间的距离更近，干扰更加严重，电磁兼容问题更加突出三、由于GIS是全封闭的电站，它是将各个设备部件运到现场后才装进外壳里组成一个整体，这样组装而成的GIS的各个设备部件只能在现场进行试验，但要在现场进行各种试验如耐压试验、局部放电试验等，要比在厂里试验困难得多；而且一旦GIS出事故，其修理工作要比过去分立的敞开设备麻烦得多。因此GIS中的设备的绝缘要求就要比AIS更加严格。

过去受条件限制，主要依靠防雷分析仪来确定雷电侵入波过电压。模拟在进线段距离变电站2km处施加一个幅值等于绝缘子串雷电放电电压50％U的直角波，测量变电站内电气设备上的过电压。这种方法的理论基础是侵入波过电压幅值不能大于绝缘子串的雷电放电电压50％U。但是近区雷击时，一是此过电压波头较陡，放电电压较高；二是耐张塔放电电压高，雷电流在导线上形成的侵入波 过电压幅值完全可能超过绝缘子串的临界放电电压50％U。所以，这个方法的前提条件不成立的加上防雷分析仪无法考虑变电站进线段的波过程，现己不再使用该方法，而是使用各种电磁暂态程序在计算机上进行侵入波的防雷计算和分析。可用来计算变电站雷电过电压的程序很多，有美、加等国开发的电磁暂态计算程序EMTP，有IEEE防雷工作组的防雷计算程序FLASH，有清华大学编制的防雷计算分析程序FLFX以及复杂变电所波过程的通用计算程序CETSP，有西安交通大学研究的变电所侵入波保护程序SSPP。然而以上诸多的计算程序，到目前为止，没有那一种能够系统地将上述各种因素都考虑进去，计算模型的误差大小也有待考证。

本论文以宝能220kVGIS变电站为例，采用国际通用的电磁暂态计算程序ATP．draw，对雷电侵入波在变电站电气设备上所产生的过电压进行仿真计算，找出过电压的分布、变化规律，对防雷电过电压、保护电气设备提供了有价值的参考依据，进一步优化变电站的工程设计。

1.2 国内外研究水平及发展现状

随着社会经济的发展，电能的需求量日益增大，从而加速了大型火电站及核电站的发展建设。由于一次能源地理位置的限制以及环境保护方面的需要，这些大型电站的建立往往远离负荷中心，从而促使了电力系统向大容量、长距离、超高压方向发展。电网的发展，必然会打破历史形成的地方电力系统疆域，逐渐连成大区域或跨区域的现代电力网络。不论从长距离大容量输电、维持系统稳定水

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平的需要，还是从节省基建投资和运行费用的角度，大网络间的连接必须采用超高压等级的500kV或750kV系统，有些国家如俄罗斯甚至采用了1150kV的特高压系统[8]。在一些先进国家，500kV电网在各种等级的电网中占有的比重较大，我国也预计将在加15年前，实现500kV系统的全国联网。与此同时，为了节省输电通道，少占土地，减少送电损耗，增加送电容量，也需要尽早建设GIS高压工程。2005年国家发展和改革委员会办公厅发改办能源2005【282】号文件《国家发展改革委办公厅关于开展百万伏特级交流士80万伏级直流输电技术前期研究工作的通知》，对特高压交、直流输电技术前期研究工作进了全面部署，由国家发改委组织国家电网公司等单位开展百万伏特级交流、士80万伏级直流输电技术前期研究工作。

1.2.1 GIS变电站的发展及优点

SF6气体绝缘金属封闭组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear，简称GIS)”，创始于上一世纪。上一世纪的50年代，鉴于SF6．(六氟化硫)气体具有优异的绝缘性能和灭弧性能，高压电器的绝缘介质，就用SF6代替了空气。60年代中期，美国制造了第一套GIS设备，使高压电器的制造技术发生了质的飞跃。40多年来，GIS设备有了飞速的发展。迄今，世界各国投入运行的GIS变电站，已达数千所。

我国GIS设备的研制工作，起步于上一世纪60年代，与世界其他国家基本同步。1971年，我国首次试制成功110kVGIS设备，并投入运行。从此以后，我国大型核电站、火电站、变电站，都先后选用了GIS设备。如大亚湾、秦山核电站，．广州抽水蓄能电站，上海石洞口电站等。它的使用量，每年大约以15％的速度在增加，其应用前景十分广阔[9]。

GIS之所以称为组合电器，是因为它把断路器、隔离开关、接地开关、电压 互感器、电流互感器、避雷器和连接件、电缆终端、进出线套管等元件，经优化 组合，直接连接在一起，并封闭于一个金属壳体中，其内充入SF6气体。它的显 著优点是：

(1) 接地面积和空间体积大为减小。它占地仅为常规的敞开式空气绝缘开关设备的15～35％，能最大限度地缩小占地面积和空间体积，结构十分紧凑。这在人口高度集中的大都市和密集的负荷中心，显得尤为重要。即使GIS的设备费用较高，但如计及土地和土建费用，则GIS有更好的综合经济指标。

(2) 安全可靠。它是全封闭的电器结构，不受风雨、尘沙及盐雾等各种恶劣自然条件的影响。它的带电部分全部封闭在接地的金属外壳内，可以完全防止人员意外接触，能更好地保障人身安全。

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(3) 有利于环境保护。由于其接地金属外壳的屏蔽作用，可使运行人员免受电磁辐射的影响，从而变电站的设计也比AIS简单。

(4)安装工作量大为减少，而设备的检修周期则可大大延长。

1.2.2 电力系统数字仿真软件

随着社会经济的发展，电能的需求量日益增大，从而加速了中大型变电站的建设。由于一次能源地理位置的限制以及环境保护方面的需要，这些大型电站的建立往往远离负荷中心，从而促使了电力系统向大容量、长距离、超高压方向发展。因此不论从长距离大容量输电、维持系统稳定水平的需要，还是从节省基建投资和运行费用的角度。国内外都采用气体绝缘变电站和高压长距离输送电。而长距离输电面临很大一个问题：大部分输电线路裸露在外，遭到雷击的概率大大提高。因此为了很好的模拟雷电波侵入变电站过电压研究。在电力系统进行仿真前，先选择仿真软件。可用来计算变电站雷电过电压的程序很多，有美、加等国开发的电磁暂态计算程序EMTP，有IEEE防雷工作组的防雷计算程序FLASH，有清华大学编制的防雷计算分析程序FLFX以及复杂变电所波过程的通用计算程序CETSP，有西安交通大学研究的变电所侵入波保护程序SSPP。然而以上诸多的计算程序，到目前为止，没有那一种能够系统地将各种因素都考虑进去，计算模型的误差大小也有待考证。

在众多系统模型中，输电线路模型对仿真分析的影响最为深刻，它直接影响到仿真计算的准确性。目前国内外通用电力系统暂态仿真程序EMTP／PSCAD／EMTDC等进行雷击过电压的仿真计算。随着研究的不断深入，实际运行经验的不断积累，这类仿真软件中的各种元件模型也日趋完善，更加符合实际情况，计算精度不断提高。

ATP(即Alternative Transient Program)是目前国际上计算电磁暂态现象以及电机原理应用最广泛的数字仿真软件之一，是道梅尔．白日朗于20世纪50年代末在美国伯尼维尔电力管理局(简称BPA)工作期间编制的BPAEMTP(Electromagnetic Transient Program)程序的继续和发展。这两个程序在功能和输入数据卡片的填写上大体相仿，主要用于模拟计算电力系统的电磁暂态过程，为电力系统的科研，设计和安全运行提供可靠的依据。

1.3 本课题研究的主要内容

(1) 对雷电压、线路、避雷器、变电站内电气设备的特性进行理论方面的分析。 (2) 收集宝能220kVGIS变电站的详细资料和仿真参数。

(3) 通过对变电站的仿真计算，对雷击点和变电站的运行方式进行论证分析，找

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出雷电侵入波对变电站危害最严重的情况。 (4) 针对雷电侵入波对变电站危害最严重的情况，对避雷器的配置进行探讨，并

进行仿真计算，找出最佳方案。

(5) 详细介绍了绝缘子串的闪络原理和在ATP中建立该模型的方法。

(6) 结合变电站电气主接线，利用ATP一EMTP搭建雷电波入侵变电站的整体

模型并进行仿真计算，对变电站的运行方式、雷击点等影响过电压的多种因素进行论证分析;并指出变电站较高侵入波幅值是来源于绕击。

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至扬行变R1至扬行变R2MOA隔离开关MOAHESVT断路器快速接地开关接地开关金属氧化物避雷器HESVTDS/ESDS/ES二受停运GCBGCBVTHESDS/ESGCBDSDS/ESDS/ESDSDS/ESDSDS/ESHESDSDS/ESGCBDSDS/ESGCBDSDS/ESGCBVTDSDS/ESDSGCBDS/ESGCBHESDS/ESDS/ESHESDS/ESHESHESP1至110kVGIS第二电炉变电所宝钢F1

图2-4 方式2运行方式接线图

（3）方式3

宝能变电所220kV GIS双母线分列运行，2回架空线投运（扬行变电站的进线R1、R2投运，到二受的架空线停运），5台变压器运行（其中，一段母线带3台变压器：宝能1台、宝钢1台、第二电炉1台；另一段母线带2台变压器：宝能1台、宝钢1台），如图2-5所示（图中快速接地开关均打开）。

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至扬行变R1至扬行变R2MOA隔离开关MOAHESVT断路器快速接地开关接地开关金属氧化物避雷器HESVTDS/ESDS/ES二受停运GCBGCBVTHESDS/ESGCBDSDS/ESDS/ESDS母线A母线BDS/ESDSDS/ESHESDSDS/ESGCBDSDS/ESGCBDSDS/ESGCBVTDSDS/ESDSGCBDS/ESGCBHESDS/ESDS/ESHESDS/ESHESHESDS/ESHESDS/ESHESHESP2至110kVGISP1至110kVGIS第二电炉变电所宝钢F2宝钢F1

图2-5 方式3运行方式接线图

（4）方式4

3回架空进线，R1、R2和C1仅一条投运，5台变压器仅一台运行，选取四种典型的情况进行计算，即：

方式4-a．至扬行变电站R1进线、单母线运行、宝钢一台变压器运行； 方式4-b．至扬行变电站R1进线、单母线运行、第二电炉一台变压器运行；

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方式4-c．至扬行变电站R2进线、单母线运行、宝钢一台变压器运行； 方式4-d．至扬行变电站R2进线、单母线运行、第二电炉一台变压器运行； 方式4四种情况的运行方式接线见图2.6

至扬行变R1MOAHESVTVTDS/ESGCBVTDSHESDS隔离开关GCB断路器快速接地开关DS/EDS/ESS接地开关HESHES金属氧化物避雷器宝钢F1 （a）方式4-a 至扬行变R2MOAHESVTDS/ESGCBVTDSHESDS隔离开关GCB断路器DS/ESDS/ES快速接地开关接地开关HESHES金属氧化物避雷器宝钢F1 （c）方式4-c 至扬行变R1MOAHESVTDS/ESGCBVTDSHESDSGCB隔离开关断路器HESDS/ES快速接地开关接地开关金属氧化物避雷器

第二电炉变电所 （b）方式4-b

至扬行变R2MOAHESVTDS/ESGCBVTDSHESDSGCB隔离开关HESDS/ES断路器快速接地开关接地开关金属氧化物避雷器

第二电炉变电所 （d）方式4-d

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图2.6方式四四种情况的运行方式接

2.3 站内各元件模型及参数

2.3.1 GIS中元件模型及参数选取：对地电容

众所周知，雷电现象的最大特征是大电流和高频率，其幅值可达上百千安，频率范围约在10kHz~1MHz之间。在雷电波的冲击下，线路的电气参数与工频下的参数相比将发生很大的变化，呈现出较强的电容特性。

故可将变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、套管等模拟成对地电容，通过以往的计算表明，这样处理不会失去准确性。因为原始资料未提供对地电容值，根据一般220kV GIS的参数范围，计算中取值如下：

变压器入口电容取2500pF/相，断路器入口电容取210pF/相，隔离开关入口电容取100pF/相，快速接地开关、接地开关入口电容取80pF/相，电压互感器入口电容取120pF/相，油气套管入口电容取60pF/相。

无间隙金属氧化物避雷器(MOA)于1973年研制出，1978年完成了3.3～500kV电

力系统用的新型系列无间隙避雷器。金属氧化物或氧化锌避雷器是一种高度非线性的电阻。本论文的MOA 由日本东芝提供, Un=210kV, 动作电压316 kV。5、10、20 kA 残压分别为474、507、556 kV。计算中采用分段拟和法处理MOA 的伏安特性, 同时考虑60 pF/相的对地电容。

2.3.2 输电线路模型

本论文采用单相无损线路模型来研究雷电过电压，在大多数情况下它是足够准确的，因为：

(1) 在超高压输电线路上单相雷击占大多数，只需分析雷击的那一相，而其它相上感应的过电压要低的多

(2) 变电站绝缘损坏的危险性是在 2km 或更近处发生反击时最高。因而，绝缘配合的研究通常是近处雷击。此时，M 相线路上模量波就“挤在一起”，因为在这样短的距离内 M 个波的波速和畸变差别很小，极易将它们合成一个波加在受雷击的相上。

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2.3.3 分布参数模型

由于雷电过电压频率很高，GIS母线、GIL、进线段的架空线路以及变压器前的电缆线路，都需要用分布参数模拟，否则会引起过电压波形的局部畸变，从而影响过电压的最大值。

GIS 管线、GIL、电缆及架空线路均用分布参数线路模拟, 否则会引起过电压波形的局部畸变。根据厂家提供参数, 计算得到波阻抗、波速见表2-1.

表2-1 GIS 管线、GIL、电缆及架空线路均用分布参数

线路类型 GIS 管线及GIL 220 kV 架空线路 2.0 km 电缆 1.2 km 电缆

波阻抗/Ω 70.00 300.00 40.00 48.65 波速/(m·μs- 1) 299 300 139 111 综上所述，各元件模型及参数见表2－2。

表2－2 GIS中各元件模型及参数

元件名称 变压器 GIS母线 GIL管道 220kV架空线路 2km电缆 （至宝钢） 1.2km电缆 （至第二电炉） 断路器 隔离开关 电压互感器 金属氧化物避雷器

元件模型及参数 入口电容 参数2500pF 用分布参数线路模拟 参数：波阻抗Z＝70Ω，波速v=299m/μs 用分布参数线路模拟 参数：波阻抗Z＝70Ω，波速v=299m/μs 用分布参数线路模拟 参数：波阻抗Z＝300Ω，波速v=300m/μs 用分布参数线路模拟 参数：波阻抗Z＝40Ω，波速v=139m/μs 用分布参数线路模拟 参数：波阻抗Z＝48.65Ω，波速v=111m/μs 对地电容 参数：210pF/相 对地电容 参数：100pF/相 对地电容 参数：120pF/相 用非线性电阻和对地电容共同模拟 对地电容60pF；非线性电阻利用伏安特性拟合 18

MOA额定电压：UN＝210kV；动作电压316kV； 残压：474kV（5kA），507kV（10kA），556kV（20kA）；

2.4 避雷器的配置和模拟

变电站内所有进线端加装线路避雷器既可限制正常运行情况下的雷电侵人波过电压, 又可保护因多重雷击、线路处于准备并网状态和线路处于热备用3 种情况的单线运行方式的断路器不管雷击哪个杆塔, 变压器的过电压值都要比其他设备上的大, 这是因为当雷电波传到变压器端时, 由于波的折射使电压幅值增大造成的。而且由于变压器在输变电中的重要性, 变压器端必须加电站型避雷器。暂定以下3 种避雷器配置方案, 并对其雷电过电压进行计算。

根据设计运行经验, 对于220kV 及以下的变电站, 只要能够保证在每段单独运行的母线上装设一组MOA, 就能使整个变电站得到保护。

根据设计运行经验, 对于220kV 及以下的变电站, 只要能够保证能使整个变电站得到保护，仅在3 回架空出线处安装3 台MOA。

根据设计运行经验, 对于220kV 及以下的变电站, 只要能够保证能使整个变电站得到保护，主变旁加装MOA[15]。

MOA由一组非线性电阻串联，计算中一般根据其伏安特性，采用非线性电阻模型模拟避雷器。另外，由于研究的雷电过电压频率较高，避雷器的对地电容不容忽略，厂家提供的参数为60pF/相。

计算中，采用拟和法处理MOA的伏安特性。拟合法（包括单指数拟合和多指数拟合）是采用拟合公式进行计算。单指数拟合是在整个取值范围内用一个单指数来模拟避雷器的伏安特性，多指数拟合法则把整个取值范围划分为几段分别拟合。

本文研究的是雷电波，流过避雷器的电压值较大，且都位于较大电压值的范围内，因此采用拟合法来得出避雷器的伏安特性，虽然它在小电流及特大的电压区域内不准确，但避雷器不会工作在这些区域内，所以保证了计算结果的精确度。

2.5 绝缘子闪络模型

杆塔绝缘子串上的闪络电压与作用其上电压波形有关，用伏秒特性来表示。 绝缘子串的伏秒特性是指绝缘子串上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。 目前用来判定绝缘子闪络的方法主要有以下二种:

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(1) 规程法[19]

我国在防雷计算中判断绝缘子是否闪络，现行的行业标准和工程上是用比较 绝缘子串两端出现的过电压与绝缘子串或空气间隙50%放电电压方法作为判据， 过电压超过绝缘的50%放电电压即判为闪络。因此该方法也称为50%放电电压法。 (2) 相交法

美国和西欧等国家和地区多采用相交法。该方法将绝缘子串上的电压波形和 标准波 (l.2/50us)下的伏秒特性值v(t)进行比较，当绝缘子串上的两端电压与伏秒特性曲线相交即可判断为闪络，当绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线不相交即不发生闪络。该方法对波尾放电时的情况是考虑不到的，因为波尾放电时，两者是不相交的。相交法应用中最大的困难是在大部分情况下很难得到绝缘子串 比较准确的伏秒特性曲线。

绝缘子串的准确模拟无论是对反击还是绕击侵入波的计算都至关重要。本文 计算仍以规程法为基础，将绝缘子串的50%冲击放电电压作为绝缘子串的闪络判 据，将其模拟成一个电压控制开关，当两端的电压达到其50%放电电压时该开关 即导通，意味着绝缘子串放电。采用该法的原因主要是由于：一方面50%放电电 压法作为我国防雷计算中常用的绝缘闪络判据是有一定的实际运行依据的:另一 方面，由于受到试验条件的限制，目前很难得到特高压输电线路绝缘子串比较精 确的伏秒特性曲线，同时作用在绝缘子串两端的过电压分量并不一定为标准彼； 而先导法虽然理论上比较符合放电的物理过程，能判断任意波形下绝缘间隙的闪 络。但由于对长空气间隙放电的试验过程，不同的研究者提出了不同的数据，且 与先导法有关的参数分散性较大，目前的试验数据较少，有关参数难以准确地确 定，基于上述原因其在实际应用中很难发挥出相应的优势。

2.6 不同出线对雷电侵入波过电压的影响

GIS变电站通常的出线方式有架空线(OHL)和电缆出线2种。随气体绝缘传输线(GII)技术的发展，GIS出线可采用GIL出线[20]，此出线不受环境因素的影响，尤其在西北是较为理想的选择。

2种出线方式中，OHL出线时变电站各设备的最大雷电过电压值最小，GII 和电缆出线时各设备的过电压值相近，因OHL的波阻抗相对GIL 和电缆大得多。可见，从变电站雷电侵入波过电压防护看，OHI 出线运行方式的防雷效果最好，GII 和电缆出线的防雷效果相当。

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2.7 本章总结

本文对仿真计算中拟采用的基本方法、原则以及计算模型进行了理论方面的分析，根据变电站及站内各电气设备在雷电压作用下的电气特性，建立电磁暂态过程下的计算模型。主要包括雷电压模型、输电线路模型、杆塔模型、避雷器非线性伏安特性的模拟及GIS站内各电气设备的计算模型等等，并结合实际工程的设计资料给出了各个模型的仿真计算数据，为第三章搭建的整体模型的仿真计 算做好准备。

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3 入侵波过电压计算

以上两章已经阐述了仿真软件ATP—EMTP、雷电侵入波过电压计算时变电站进线段及各设备的计算方法和模型，本章结合宝能GIS变电站内的电气主接线，建立雷电入侵变电站的整体仿真模型，利用ATP—EMTP程序计算该变电站的过电压保护问题，并着重讨论雷电侵入波的各种影响因素。

宝能变电站共3 回架空进线: 至扬行变电所2 回( 简称R1、R2) 、至二受变电所1 回( 简称C1)。220 kV GIS 为双母线接线。宝能变电所两台主变压器并列运行, 容量均为300 MV·A, 变压器直接与220 kV GIS 相连, 低压侧接至110 kV GIS( 简称P1、P2) 。另外, 通过2 回电缆接至宝钢两台主变压器( 简称F1、F2) , 每相2 根电缆, 分两个“品”字型敷设, 电缆长度为2 km。通过1 回1.2 km 电缆接至第2 电炉主变压器。如图3.1。

首先介绍一下宝能变电站的四中运行方式：① 宝能变电所220kV GIS双母线并列运行，3回架空进线，即至扬行变电站的进线R1、R2和至二受变电站的进线C1均投运，5台变压器均运行。② 宝能变电所220kV GIS双母线并列运行，2回架空线投运（扬行变电站的进线R1、R2投运，到二受的架空线停运），3台变压器运行（宝能、宝钢各一台、第二电炉变压器）。③宝能变电所220kV GIS双母线分列运行，2回架空线投运（扬行变电站的进线R1、R2投运，到二受的架空线停运），5台变压器运行（其中，一段母线带3台变压器：宝能1台、宝钢1台、第二电炉1台；另一段母线带2台变压器：宝能1台、宝钢1台）。 ④ 3回架空进线，R1、R2和C1仅一条投运，5台变压器仅一台运行，选取四种典型的情况进行计算。

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图3.1 变电站的等值计算电路

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3.1 运行方式一

方式1: 220 kVGIS 双母线并列运行, 3 回架空进线均投运, 5 台变压器均运行; 当所有条件给定，运用ATPdraw可以画出变电站雷电侵入波的仿真电路图， 并且填入各个模型的计算数据，调试运行程序即可得出计算结果。220 kVGIS 双母线并列运行, 3 回架空进线均投运, 5 台变压器均运行(方式一)的仿真模型图见图3.2。

执行ATP程序，可以根据不同运行方式下电路图仿真计算得到的主要电气设备的过电压波形和流过避雷器的电流波形，并且能够读取最大过电压幅值及出现时刻。

图3.2 方式一仿真电路图

方式1 在不同进线落雷时的过电压计算结果。可见,出现在设备和变压器上

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的雷电过电压幅值不高,流过MOA的电流较小,MOA热容量足够。不同情况下雷电过电压相差很小, 这主要是因为GIS 的布置比较对称, 且每回出线都配置了相同的MOA。

表3—1 方式1 不同进线落雷时的计算结果

节点 R1进线断路器GCBR1 R2进线断路器GCBR2 C1进线断路器GCBC1 断 路 器 F1出线断路器GCBF1 F2出线断路器GCBF2 F3出线断路器GCBF3 P1出线断路器GCBP1 P2出线断路器GCBP2 母联断路器GCBL 套管 母线端部 避雷器 R1进线套管BSGR1 R2进线套管BSGR2 C1进线套管BSGC1 MA1 MA11 MB1 MB11 R1进线避雷器 R2进线避雷器 C1进线避雷器 宝钢F1变压器 变压器 宝钢F2变压器 第二电炉变压器 P1出线变压器 P2出线变压器 流过避雷器的最大电流 （kA） 各节点雷电过电压幅值（kV） R1落雷 455.412 455.182 455.144 455.230 455.412 455.911 455.224 455.361 455.151 455.394 455.174 455.132 455.522 455.161 455.522 455.161 455.386 455.172 455.129 465.611 466.496 511.728 455.566 455.673 3.324 R2落雷 455.455 455.274 455.146 455.219 455.466 455.774 455.202 455.381 455.250 455.442 455.262 455.133 455.537 455.165 455.537 455.165 455.439 455.254 455.130 465.268 465.422 512.109 455.513 455.560 3.323 C1落雷 455.671 455.321 455.347 455.575 455.837 456.034 455.538 455.552 455.402 455.621 455.309 455.306 455.857 455.410 455.857 455.410 455.612 455.305 455.295 466.432 466.157 512.205 456.447 455.856 3.327

由表中可以看出不同进线落雷和相同的开关电器所造成的雷电过电压的结果几乎相同。

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图3.3 不同进线段的套管过电压波形

图3.4 第二电炉过电压波形

图3.5 宝钢变压器过电压波形图

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图3.6 流过不同进线MOA的电流波形

由表3-1和波形图3.3—3.6可知流过第二电炉的电压比其他的电气设备相对要高，且流过MOA的电流不大。

3.2 运行方式二

方式2: 至二受架空线停运, 仅宝能、宝钢各1 台、第2 电炉变压器3 台变压器运行;

当所有条件给定，运用ATPdraw可以画出变电站雷电侵入波的仿真电路图， 并且填入各个模型的计算数据，调试运行程序即可得出计算结果。至二受架空线停运, 仅宝能、宝钢各1 台、第2 电炉变压器3 台变压器运行(方式二)的仿真模型图见图3.7。

执行ATP程序，可以根据不同运行方式下电路图仿真计算得到的主要电气设 备的过电压波形和流过避雷器的电流波形，并且能够读取最大过电压幅值及出现 时刻。

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图3.7 方式二仿真电路图 表3—2 方式2进线落雷时的计算结果

节 点 断路器 母线1 母线2 进线套管 宝能主变 宝钢主变 第二电炉变 MOA 最大电流/kA 雷电过电压 475.912 475.123 475.645 475.103 475.786 529.430 552.453 5.149 28

附录Ⅰ 宝能220kVGIS变电站主接线图

至扬行变R1至扬行变R2至二受变C1MOA隔离开关MOAHESVTVTDS/ESMOAHES断路器快速接地开关接地开关金属氧化物避雷器HESVTDS/ESDS/ESGCBGCBVTHESDS/ESGCBGCBDSDS/ESDS/ESDSDS/ESDSDS/ESHESDSDS/ESGCBDSDS/ESGCBDSDS/ESGCBVTDSDS/ESDSGCBDS/ESGCBHESDS/ESDS/ESHESDS/ESHESHESDS/ESHESDS/ESHESHESP2至110kVGISP1至110kVGIS第二电炉变电所宝钢F2宝钢F1 44

附录Ⅱ 220kV变电站等值计算电路

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附录Ⅲ 220kV变电站ATP仿真电路

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