【正文】 GIS 變電所中的暫態(tài)過電壓問題 在全封閉 SF6 氣體絕緣變電站（ GIS）中，隔離開關(guān)的操作會產(chǎn)生特快速暫態(tài)過電壓（ VFTO）。例如，近年巴西的 Graiau 500kVGIS 變電站在運(yùn)行的初期，就曾因隔離開關(guān)操作產(chǎn)28 生的 VFTO 造成 GIS 外殼內(nèi)部的火花放電， 500kV 油紙?zhí)坠艿?炸裂和變壓器故障等。 當(dāng) GIS 與 變壓器 相連時， VFTO 對 變壓器 的作用類似于沖擊過電壓。 VFTO 對避雷器和變壓器的影響 ： GIS 中隔離開關(guān)操作引起的 VFTO，雖然幅值不算太高（一般為系統(tǒng)電壓的 2倍左右），但其等值頻率高、陡度大（有時可達(dá) ? ,即使在變壓器處也可達(dá) ? ），該 VFTO 作用在避雷器上會產(chǎn)生很大的脈沖電容電流，從而可引起避雷器的頻繁動作。 (3)如果在暫態(tài)過程中觸及“接地”的設(shè)備外殼（ GIS 外殼），就會感到刺痛或失控，危及人身安全。 GIS變電站的絕緣與一般敞開式變電站的絕緣在伏秒特性及極性效應(yīng)上的差異是因為它們的絕緣介質(zhì)中電場分布不同而引起的。 (2)GIS 變電站中的同軸母線筒的波阻抗一般在 60～ 100Ω之間，遠(yuǎn)比架空線低，為此，從架空線侵入的過電壓波經(jīng)過折射，其幅值和陡度都顯著減小，這對GIS變電站的防雷保護(hù)來說要比常規(guī)敞開式變電站更易實現(xiàn)， (3)GIS 變電站結(jié)構(gòu)緊湊，電氣設(shè)備之間的電氣距離小，避雷器距被保護(hù)的電氣設(shè)備較近，所以防雷保護(hù)措施要比常規(guī)變電站更為有利。實驗和計算得出，在電纜首端裝設(shè)一組氧化鋅避雷器 [如圖83（ a） 所示 ],雖然可滿足保護(hù)要求，但若在 GIS 入口處再加裝一組氧化鋅避雷器 [如圖 83（ b） 、（ c） 所示 ]，保護(hù)效果會更佳。 設(shè)計中對 主要的雷擊方式、傳統(tǒng)變電站防雷措施、變壓器中性點(diǎn)保護(hù)、 變電站的入侵波過電壓保護(hù)、 絕緣配合與避雷器選擇、氣體絕緣變電站（ GIS）的過電壓保護(hù) 進(jìn)行了分析，通過這次設(shè)計使我增加了很多知識，掌握了很多防雷保護(hù)的知識，對雷電方面的有了深入的了解，在畢業(yè)設(shè)計的這段日子里，我所獲得的知識將是大學(xué)期間最珍貴的。 最后感謝在畢業(yè)設(shè)計中為我提供幫助的眾多益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者，在此表示衷心的感謝，感謝他們對我的幫助與教導(dǎo) ！ 33 參考文獻(xiàn) [1]常美生 .高電壓技術(shù) .北京：中國電力出版社， [2]沈培坤，順喜 .防雷與接地裝置 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .工業(yè)裝備與信息工程出版中心， [3]李富同 .電力系統(tǒng)電磁兼容性問題綜述 [J].安全與電磁兼容， 2020（ 5） ： [4]徐一凡 .高壓電器絕緣及測試 .北京：中國電力出版社， [5]熊泰昌 .電力避雷器的原理實驗與維修 .北京：水利電力出版社， [6]翁雙安 .供配電工程設(shè)計指導(dǎo) .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [7馮杰，司馬文霞，楊慶 .35kV 變電站雷電侵入波特性的仿真與分析 [J].高電壓技術(shù)， (2)8991 [8] 萊塔儒勒 .電力系統(tǒng)中的電磁兼容 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 [9]劉兆林，張國強(qiáng)，溫碧紅 .氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)規(guī)程 .北京：中國電力出版社， [10] 王洪新，賀景亮 .電力系統(tǒng)電磁兼容 .武昌：武漢大學(xué)出版社， 2020 。在此，我對饒 老師在畢業(yè)設(shè)計期間給予的指導(dǎo)和幫助表示衷心的感謝。從設(shè)計整體方案的確立到每章節(jié)內(nèi)容的詳 細(xì)審定，無不傾注了饒 老師的巨大心血和辛勞。 30 GIS 變電站雷電過電壓保護(hù)接線方式 GIS 變電站過電壓保護(hù)接線方式有以下幾種： (1)進(jìn)線為架空線路： GIS 與架空線直接相連的保護(hù)接線見圖 82 所示，共有五種：（ a） 表示母線長度在 50m一下的 GIS，只在 GIS 入口處外側(cè)裝設(shè)一組氧化鋅避雷器；（ b） 表示在 GIS 入口側(cè)裝設(shè)一組氧化鋅避雷器，效果更好；對于母線較長的 GIS，則采用（ c） 及（ d） 接線，即在變壓器出口加裝一組氧化鋅避雷器；如果母線很長，采用（ e） 接線方式，即在母線中再增設(shè) 一組氧化鋅避雷器。而 GIS 變電站中的 SF6氣體絕緣處于均勻或稍不均勻電場中， SF6 的沖擊伏秒特性平坦，雷電沖擊絕緣水平與操作沖擊絕緣水平十分接近。 (1)GIS 的絕緣的伏秒特性教平坦，其沖擊系數(shù)很?。?～ ），且其負(fù)極性擊穿電壓比正極性低。 降低 VFTO 的主要措施有：優(yōu)化 GIS 變電站設(shè)計；改進(jìn) GIS 變電站連接方式及優(yōu)選參數(shù)，采用優(yōu)良的隔離開關(guān)，隔離開關(guān)加裝電阻等。但由于 VFTO 過電壓的波頭部分頻率很高，在高頻 VFTO 的作用下，容抗遠(yuǎn)小于感抗，所以可以忽略感抗 而僅考慮容抗的影響。當(dāng) TFT 由 GIS向外部傳播時，產(chǎn)生暫態(tài)地電位升高（ TGPR）， TGPR 會造成人員受擊，控制、保護(hù)設(shè)備的誤動作和二次設(shè)備損壞等后果。當(dāng) VFTO 嚴(yán)重時在 GIS 的不同部位，如隔離開關(guān)本身、間隙中、沿支持件、套管和變壓器會出現(xiàn)故障。 （ 3）安裝工作量小，檢修周期長。有更好的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 27 8 氣體絕緣變電站（ GIS）的過電壓保護(hù) GIS 變電站 GIS 的定義為：全部或部分采用氣體而不采用處于大氣壓下的空氣作為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)設(shè)備。 26 （ 2）電網(wǎng)單相接地引起中性點(diǎn)電位升高的穩(wěn)態(tài)值應(yīng)小于避雷器額定電壓。在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中，因繼電保護(hù)的需要，部分變壓器的中性點(diǎn)有時也處于未接地狀態(tài)，如果中性點(diǎn)是降低絕緣的，也需加以保護(hù)。為確保安全運(yùn)行，避免外絕緣閃絡(luò)事故，最好按下式校驗避雷器瓷套的耐受強(qiáng)度 0 ???? HUU （ 73） 式中 U0海拔不超過 1000m 時的沖擊或工頻試 驗電壓， kV； U在高海拔地區(qū)應(yīng)承受的外絕緣強(qiáng)度， kV； H海拔，在 1000～ 4000m 之間， m。例如安裝地點(diǎn)的高度、是否有強(qiáng)烈震動和嚴(yán)重污穢、被保護(hù)設(shè)備的特殊性等。 （ 3）查閱避雷器的保護(hù)水平，用以驗算保護(hù)裕度或配合系數(shù)。 避雷器的選擇 雷器能將侵入變電所的雷電波降低到電氣裝置絕緣強(qiáng)度允許值以內(nèi)。 在實際中，除了保護(hù)裕度之外，還使用配合系數(shù)，其表達(dá)式如下 避雷器的保護(hù)水平設(shè)備的絕緣耐受強(qiáng)度?K （ 72） K也稱安全因數(shù)。s 的三組沖擊放電電壓與操作沖擊殘壓中取最大值；氧化鋅避雷器則取波頭 30～ 60181。s 波形下殘壓。因此，絕緣配合與避雷器的選 擇是一個在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上綜合考慮的過程。圖中 35～ 110kV級系按普通閥型避雷器計算，不難理解采用保護(hù)性能比較普通閥型避雷器更好的磁吹閥型避雷器或氧化鋅避雷器，就能增大保護(hù)距離。超過最大電氣距離后，設(shè)備上所受的沖擊電壓 Us將超過其沖擊耐壓（多次截波耐壓值） Uj，保護(hù)失效。 Ub5 uT t 變壓器上電壓 圖 65 雷電波侵入波變電所時變壓器上電壓波形 21 當(dāng)雷電波侵入變電所時，若設(shè)備上出現(xiàn)的最大沖擊電壓值 Ucjfm小于設(shè)備本身多次截波耐壓值 Uj，則電氣設(shè)備不會發(fā)生事故，反之，則可能造成雷害事故，為了保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，必須滿足下式 jUcjfmU ＜ jUkvlabU ＜25 ?? (69) 式 中： Ucjfm為電氣設(shè)備上出現(xiàn)的沖擊電壓最大值； Uj為電氣設(shè)備多次截波耐壓值；Ub5為避雷器上 5kA 下的殘壓； a為雷電波陡度； l 為電氣設(shè)備與避雷器之間距離；v為波速； k為考慮電氣設(shè)備電容而引入的修正系數(shù)。如果考慮 Q 處有電氣設(shè)備電容存在 Q 點(diǎn)的電壓左右波阻不同，則避雷器動作后產(chǎn)生的負(fù)電壓波也將在 B點(diǎn)和 Q點(diǎn)之間發(fā)生多次反射，同樣將使 Q點(diǎn)的電壓也具有振蕩性。這樣， 就相當(dāng)于在 t=t1時在 B點(diǎn)疊加了一個負(fù)的電壓波 2a（ tt1） ，因此 t≥ t1時 ? ? ? ? 5221222 ???????? ?????????? ?? bUvlftattavltatBu (64) 由式（ 64）可得 vlabUft 22 5 ??? (65) at L B T at L B T L1 L2 (a) (b) 圖 63 分析雷電波侵入變電所的典型接線 18 UB(t)的大小和波形見表 61和圖 64（ a） 表 61 避雷器上電壓 uB(t) t Bu vt 2l2＜ at vtt 2l21 ＞＞ ?????? ???????? ?? vltavltaat 2222 ftt＞ ? ? 52121222 ???????? ?????????? ? bUvltattavlta 同理，由圖 63（ b） 可以求得 uL(t)和 uT（ t） ，見表 62和表 63和圖 64（ b） 、（ c） 。 圖 63（ a） 是某 變電所主接線圖及其等效電路圖，由于一般電氣設(shè)備的等值入口電容都不大，因此可以忽略其影響，被保護(hù)設(shè)備處可以認(rèn)為是開路，故得到等效電路如圖 63（ b） 所示。其他時刻避雷器上的電壓 ub可按此用圖解法求得。此時，避雷器上電壓上升為 2u(t)，避雷器上的電壓 ub也等于 2u(t)。避雷器動作前后的電壓等效電路分別如圖 61（ b） 、 (c)所示。為了對變壓器進(jìn)行有效的保護(hù)，避雷器伏秒性的上限應(yīng)低于變壓器伏秒特性的下限。 14 6 變電站的入侵波過電壓保護(hù) 變電站遭受雷害一般來自兩方面 ,一是雷直擊變電站 ,二是雷擊輸電線路后產(chǎn)生的雷電波侵入變電站。其中繼電保護(hù)有：母線 3U0過電壓、間隙零序過電流、直接接地零序過電流；過電壓保護(hù)分 為：避雷器保護(hù)、間隙保護(hù)、避雷器保護(hù)與間隙聯(lián)合保護(hù)。由于現(xiàn)在斷路器都是連動的，因此出現(xiàn)上述情況出現(xiàn)的概率非常少。 系統(tǒng)單相接地時接地變壓器側(cè)斷路器跳閘，不接地變壓器側(cè)斷路器拒動，則系統(tǒng)形成局部不接地系統(tǒng)，此時的中性點(diǎn)過電壓值更高，其值視近視為相電壓值，如在 110kV 變壓器中性點(diǎn)電位穩(wěn)態(tài)值為 73kV。正常網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)允許其工作 2h 左右，在斷路器調(diào)開單相接地故障之前，變壓器中性點(diǎn)產(chǎn)生過電壓值大小與 K=X0/X1 有關(guān)，其中： X0 為零序阻抗， X1 為正序阻抗。 （ 2） 內(nèi)部過電壓 在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，由于斷路器操作和各類故障如接地、斷線等，使得電 電力系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，從而引起電磁能量變化，從而引起電磁能量的振蕩轉(zhuǎn)化和傳遞而出現(xiàn)的電壓升高，稱為內(nèi)部過電壓。 eR — 工頻電流下的電阻 ) iR ＝ 10＝ ? i?10 5 變壓器中性點(diǎn)保護(hù) 變壓器中性點(diǎn)的過電壓 雷電過電壓即為通常所說的大氣過電壓，其原因是由雷擊下引起電力系統(tǒng)變化所至。但它又是保障人身安全的有力措施 ,而且只有在故障下才發(fā)揮作用，它又有些像保護(hù)接地 ,它的阻值一般在 130?的范圍內(nèi)。將雷電泄入大地，才能有效地發(fā)揮其保護(hù)作用。因此，為了對本站覆蓋 ,采用四支避雷針。如果這一距離不夠大，則有可能在它們之間發(fā)生放電，這種現(xiàn)象稱避雷針 (線 )對電氣設(shè)備的反擊或閃絡(luò) 。對雷電侵入波的防護(hù)的主要措施是閥式避雷器限制過電壓幅值 ,同時輔之以相應(yīng)措施 ,以限制流過閥式避雷器的雷電流和降低侵入波的陡度。因此 ,變電所實際上是完全耐雷的。對 10kV 線路，則每條進(jìn)線均采用一組閥型或氧化鋅避雷器進(jìn)行防護(hù)。 表 31 限流型避雷針性能指標(biāo) 型號 雷電通流容量 KA 2