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摘要500kVGIS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。因此对500kVGIS变电站进行雷电过电压保护的研究是十分有必要的。本论文以星城500kVGIS变电站作为研究对象，通过ATP-draw仿真软件对其进行精确的仿真计算，提出相应的雷电过电压保护措施。本文研究的主要内容如下：第一部分建立仿真模型，包括雷电模型、杆塔模型、避雷器模型、站内电气设备模型及绝缘子串的闪络模型等。其中重点对绝缘子的闪络特性，并以TACS子程序模拟了绝缘子串闪络的过程。第二部分给出了相应电气设备的仿真参数，应用ATP电磁暂态数字仿真软件对其进行仿真计算。并通过改变雷击点的位置和变电站运行方式，对站内设备的雷电过电压进行计算和分析，找出对变电站危害最为严重的情况。第三部分提出变电站防雷保护的特点，介绍了避雷器与设备保护距离的计算原理，并根据该变电站具体情况设计了4种不同的避雷器配置方案，通过仿真计算找出适合该站的最佳方案。第四部分引入了混沌学理论，并结合MATLAB软件实现了对过电压波形的处理，计算出其分形维数、K嫡值，并绘制出散布分布图。与前面所计算的设备保护裕度相结合，找出其间的关系，为方案的选择提供了新的验证方法。关键词：GIS变电站；ATP；雷电侵入波；冲击绝缘水平；氧化锌避雷器；混沌特征500kvGISsubstationisthehingeofthepowersystem,oncetheeventoflightingaccidents,willleadtolarge一areapoweroutage；Andtransformerstationsandothermajorelectricalequipmentwithintheinsulationcapacityofthemajorityhavenotresumeability,Theeventofdamagebylighting,itisverydifficulttorepair,itwillinevitablycauseseriousconsequences.Soitisnecessarytomakesomeprotectionfortheresearchof500kVGISover一voltagesubstationlightning.ThispaperisfocusontheresearchofXingChengsubstation,ThroughtheATP一drawsimulationsoftwareforitsaccuratesimulation,offerthemethodforthelightningover一voltageprotection,themainelementsoftheirresearchareasfollows：Thefirstpartistosetupthesimulationmodel,Includinglightningmodel,towermodel,lightningarrestermodel,stationsandelectricalequipmentflashoverofinsulatorstringmodel.Whichfocusontheresearchofinsulatorflashover,byusetheTACSanalogsubprograminsulatorstringflashoverprocessofadetaildescription.Thesecondpartgivesthesimulationparametersofelectricalequipment，byuseofelectromagnetictransientATPdigitalsimulationsoftwareforsimulationcalculation.Andbychangingthelocationoflightningstrikesandsubstationpointoperationmodeofstationequipmenttoresearchandcalculatethelightningover一voltage,tofindtheAgainstthemostseriousconditions.Thethirdpartpresentsthecharacteristicsofsubstationslightningprotection,andintroducethecalculationprincipleofequipmentprotectionfromlightningarrester,andinaccordancewiththedesignofthespecificcircumstancesofthesubstationarrestersetthefourdifferentconfigurations,bythroughsimulationforthestationtofindthebestsolution.PartfourthintroducestheChaosTheory,andusetheMatlabsoftwaremaketreatmentfortheover—voltagewaveform,andcalculatethefractaldimensionandKentropy,andtodrawingthedistributionplantospread.Combiningwiththecalculationofthefrontmarginequipmentprotection,identifytherelationshipbetweentheperiod,andoffertheverifyingmethodforthechoiceofprogram.Keywords：impulselevelgasinsulatedsubstation；ATP；lightningincomingsurge；zincoxidearrester；chaoticcharacteristics第一章绪论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50～100亿元人民币。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51%，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。500kV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(GasInsulatedSubstation，简称GIS，又称为全封闭组合电器)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(AirInsulatedSubstation简称AIS)相比，它具有占地面积小、运行安全、维护方便以及与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SF6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SO%U。所以，这个方法的前提条件不成立的[7]，加上防雷分析仪无法考虑变电站进线段的波过程，现已不再使用该方法，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。本论文以长沙星城500kVGIS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[8-9]。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，也需要尽早建设特高压工程。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±80万