特高压大容量GIS雷电冲击波形调试研究

特高压大容量GIS雷电冲击波形调试研究

亢煜肖云亮

（山西省电力公司检修分公司山西省太原市030032）

摘要：雷电冲击试验是模拟发生在电力系统中的雷电波的电压波形而进行的试验，其目的是考核电力设备的绝缘强度。对于雷电冲试验波形，IEC60060-1标准有严格的要求，规定波头时间为1.2s±30%，波尾时间50s±20%，且过冲系数不超过10%。对于电压等级较低、电容量较小的负载试验波形调试较为简单。对于特高压大容量设备的负载，由于其本身电容量较大，试验波形中经常出现波头时间Tf和过冲系数超标问题。影响试验波形参数的主要因素有冲击发生器的本体电感、波头波尾电阻、试验回路连接导线电感、试品电容量等。其中试品电容量是不会发生改变的，因此只能通过改变回路其他参数来改变波形参数。

关键词：特高压；大容量GIS；雷电冲击波形；调试

近年来，气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）以其占地面积小、安全系数高、受周围环境因素影响小、运行维护方便等优点而被广泛应用于国内外各大输电网络中。由于GIS设备的波阻抗在60Ω～100Ω范围内变化，比架空线的波阻抗小的多，同时GIS设备内部元件的设备间距较小，这些都有利于其防雷保护设计。但是由于GIS设备的内绝缘击穿后无法自动恢复，且检修困难，检修时间较长，因此在GIS工程设计时，必须考虑雷电侵入波过电压的影响，且要求有可靠的防雷保护措施，确保GIS设备免受雷电过电压的危害，保证设备的安全可靠

1试验平台的搭建

本试验是在厦门理工学院高压电力大厅中进行，试验采用的是3000kV/300kJ冲击电压发生器，发生器本体为4柱式，总级数为15级，每级两台100kV/1F主电容并联。低阻尼冲击分压器的额定电压为3000kV，高压臂电容为400pF，低压臂电容为1200nF，波阻抗为200，1100kVGIS设备电容量为2799pF。

2雷电冲击试验回路分析

雷电冲击试验时回路中的电感对试验波形有较大影响。本文通过试验发现，回路电感的改变对波头时间和过冲系数都有影响，如果产生标准雷电冲击电压，则冲击电压波前时间Tf取决于回路电感L和负载电容C，即Tf=4.66(LC)1/2。此式是回路不发生振荡的临界阻尼条件下的计算公式。大小为1F，S为放电球隙，R2为回路总波尾电阻，L为试验回路总电感(发生器本体电感约为90H，高压引线电感约为10H，试品总长13m，电感经测量为0.3H/m估算)，R1为回路总波头电阻，C1为负载电容(试品电容为2500pF，回路总对地杂散电容约为550pF)。

3试验波形调试

3.1回路电感对波形参数的影响

雷电冲击试验回路中的电感主要由以下几部分组成：冲击电压发生器本体电感、波头电阻和波尾电阻电感、分压器和发生器之间的高压引线电感、发生器与试品之间的高压引线电感、试品自身的电感等。由于试品自身的电感无法改变，本文通过优化其他部分的的电感后做了大量的试验。为了验证波头电阻排列对波形参数的影响，本文做了系列试验进行论证。本试验中波头波尾电阻的阻值一共有4种，分别是10、30、50、70。原因是未优化电阻排列方式是单个波头电阻串联在每级上，回路的电感较大，而优化后的电阻排列方式是在不改变每级波头电阻大小的情况下通过并联电阻的方式来达到相同的效果，与未优化的相比较回路电感下降了5~8H。为了进一步降低回路电感，本文在发生器和试品连接导线处又并联了一片长12m，宽0.2m的铜箔片，选取上述波头电阻215（以下波头电阻都是在优化情况下）的排列方式进行对比试验。

3.2阻尼装置对波形参数的影响

通过上节优化波头电阻的排列方式、改善高压导线的布置把波头时间和过冲从初始的1.84s、9.82%改善到1.72s、9.91%。为继续改善波形参数，本文在发生器和试品之间增加一个阻容装置，阻容装置是由一个1185pF的脉冲电容器C和一个电阻R并联组成。在满足试验电压的前提下，为使回路电感进一步下降，本文试验时去掉了冲击发生器的最上面两级，电容器上并联的电阻通过试验得出50为最佳值。在波头电阻为190，电容器并联电阻为50的情况下进行。加装阻尼装置后过冲系数从11.2%降到7.44%，波头时间从1.62s上升到1.74s。输出雷电波之所以会出现过冲，主要是雷电波中含有高频谐波分量。加装RC阻容装置后能把冲击电压发生器输出的高频振荡波过滤掉一部分，使得过冲下降，由于阻容装置中的电阻的存在使得回路的总电阻增大，所以波头时间上升，但过冲的下降幅度较波头时间上升的幅度小。为了能使过冲和波头时间都能达到标准要求，本文用直径为1cm，长度1m的裸铜线对发生器的1~6级波头电阻进行短接，目的是为了在降低波头电阻的同时使回路电感减小。波头电阻的减小会使波头时间下降，回路电感的减小会使过冲和波头时间减小。通过不断调试最终试验波形达到IEC标准。

4GIS用避雷器的配置及校验

4.1设置避雷器时过电压计算

通过上述计算分析可知，在无防雷保护措施的情况下，该变电站内变压器及GIS所遭受的雷电过电压将超过其本身的耐压水平，严重影响设备的安全可靠运行，因此必须采取合理的防雷保护措施，以使站内设备免受雷击损害，减少雷害事故的发生。根据印度国家电网公司的初始设计方案，该变电站800kVGIS采用的避雷器基本参数，避雷器的安装位置参见GIS主接线图，即在GIS主变侧和出线侧套管旁分别设置一组避雷器。为了检验变电站的GIS保护用避雷器配置是否合理，对变电站的初始避雷器配置进行了校验，重新计算了设置避雷器时，GIS主变侧和出线侧套管上的雷电过电压幅值。在设置避雷器的情况下，GIS主变侧及出线侧套管上的过电压幅值明显降低，分别为1276.3kV和1088.6kV，均低于其标准冲击绝缘水平，满足防雷保护要求。

4.2避雷器电流校验

对于避雷器的设置不仅要考虑其对设备的保护作用，还要考虑流过避雷器的雷电电流，这是因为由于当前避雷器制造水平及氧化锌材质固有特性的限制，氧化锌阀片一般只能通过20kA以下的电流，即氧化锌阀片在20kA以下的电流下能可靠的工作，同时保证其本身性能不至损坏，因此计算流过避雷器的电流对于避雷器的安全运行也是十分必要。

结论

（1）在对特高压GIS或其他大容量电力设备进行雷电冲击试验时，可以通过优化波头电阻的排列改善高压导线的布置、加装合适的阻尼装置来有效地改善过冲和波头时间，能使试验波形参数达到标准要求。其中优化波头电阻排列顺序对过冲和波头时间的下降较为明显；（2）在雷电冲击试验回路中加装阻容装置，能明显地降低过冲，阻容装置中的电阻值存在一个最佳值；（3）在不改变波头电阻总阻值的情况下，尽量采用多电阻并联方式，能有效地降低回路电感。

参考文献

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