雷電過電壓下變電站開環(huán)點(diǎn)的運(yùn)行研究

丁 健

（貴陽供電局，貴陽 550002）

雷電過電壓下變電站開環(huán)點(diǎn)的運(yùn)行研究

丁 健

（貴陽供電局，貴陽 550002）

針對(duì)采用環(huán)網(wǎng)布置，開環(huán)運(yùn)行的供電方式。分析變電站開環(huán)點(diǎn)，在雷電過電壓下的運(yùn)行情況。為確保開環(huán)點(diǎn)的安全運(yùn)行，從設(shè)備和運(yùn)行兩個(gè)角度，提出防范措施，確保電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

雷電過電壓；開環(huán)點(diǎn)；運(yùn)行

1 引言

電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，通常采用環(huán)網(wǎng)布置、開環(huán)運(yùn)行的方式[1]。如圖1所示，甲、乙各為220kV變電站，丙為110kV變電站。依據(jù)上述原則，丙變電站的供電一般采用甲主供、乙備用的方式，或反之。

圖1110 kV變電站典型的供電方案

在圖1所示的方式下，甲-丙聯(lián)絡(luò)回路的 1、2號(hào)斷路器在合閘位置。乙-丙聯(lián)絡(luò)回路的3號(hào)斷路器在合閘位置，4號(hào)斷路器在熱備用位置，丙變電站的 2、4號(hào)斷路器備自投保護(hù)投入。在甲-丙聯(lián)絡(luò)線路出現(xiàn)故障，1、2斷路器跳閘的情況下，丙變電站110kV備自投保護(hù)動(dòng)作，將處在熱備用的4號(hào)斷路器合閘，恢復(fù)對(duì)丙變電站的供電。

在35kV或10kV系統(tǒng)，也通常會(huì)采用上述運(yùn)行方式。例如對(duì)35kV變電站或10kV開閉所的供電，也通常采用環(huán)網(wǎng)布置、開環(huán)運(yùn)行的方式。

本運(yùn)行方式無疑提高了運(yùn)行可靠性，但是在輸電線遭到雷擊等的情況下，雷電波向開環(huán)點(diǎn)傳播時(shí)，開環(huán)點(diǎn)的絕緣水平就要受到嚴(yán)峻的考驗(yàn)。能否保證開環(huán)點(diǎn)的正常運(yùn)行，就是十分值得關(guān)注的問題。在下面的論述中，將對(duì)輸電線路及開環(huán)點(diǎn)承受雷電過電壓的情況，進(jìn)行分析。

2 輸電線承受雷電過電壓的種類及分析

作用于輸電線的雷電過電壓分為：雷直擊輸電線、雷擊于輸電線桿塔塔頂或避雷線后反擊于輸電線、雷擊于輸電線路附近的地面后電磁場的激烈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓三種情況。分析在不同情況下雷電過電壓水平，就能分析開環(huán)點(diǎn)的運(yùn)行情況。

相關(guān)文獻(xiàn)介紹雷擊輸電線桿塔的次數(shù)，占雷擊輸電線的比例較小。并且雷擊避雷線后，反擊于輸電線的概率偏低，故這兩種情況在本文不作分析，而僅討論雷直擊輸電線和雷擊輸電線路附近地面的感應(yīng)的過電壓情況。

2.1 雷電過電壓沿輸電線的傳播

雷電過電壓的典型波形如圖2所示[4]。

圖2 雷電過電壓的典型波形

2.2 雷直擊輸電線

110 kV電壓等級(jí)的輸電線一般全線裝設(shè)避雷線，35kV及以下電壓等級(jí)的輸電線則沒有全線裝設(shè)避雷線。當(dāng)輸電線上承受大于絕緣子的雷電過電壓時(shí)，就發(fā)生對(duì)地閃絡(luò)。而當(dāng)輸電線上承受小于絕緣子的雷電過電壓時(shí)，雷電過電壓就沿輸電線傳播。

絕緣子的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓較負(fù)極性低[5]，所以輸電線對(duì)地閃絡(luò)的條件為雷擊過電壓的峰值，大于輸電線絕緣子正沖擊50%放電電壓U50%。所以計(jì)算絕緣子串的正沖擊50%放電電壓，就可以推算在輸電線上傳播的雷擊過電壓的峰值。計(jì)算絕緣子串的正沖擊50%放電電壓U50%[2]如式（1）所示，其中m為絕緣子個(gè)數(shù)。

（1）雷擊 110kV輸電線時(shí)的絕緣子串的正沖擊50%放電電壓。

因110kV電壓等級(jí)為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，當(dāng)某一相輸電線的絕緣子串承受的雷擊過電壓≥U50%時(shí)，輸電線就會(huì)發(fā)生沿絕緣子串的對(duì)地閃絡(luò)，線路跳閘。

110 kV等級(jí)輸電線普通絕緣子片數(shù)為7片[3]。

（2）雷擊10～35kV輸電線時(shí)的絕緣子串的正沖擊50%放電電壓。

因該電壓等級(jí)一般采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)某一相輸電線的絕緣子承受的雷擊過電壓≥U50%時(shí)，該相輸電線絕緣子就會(huì)發(fā)生對(duì)地閃絡(luò)，但線路不會(huì)跳閘。當(dāng)反擊第二相輸電線，形成相間短路后，才會(huì)引起線路跳閘。

1） 雷擊 35kV 輸電線時(shí)的絕緣子串的正沖擊50%放電電壓。

35kV等級(jí)輸電線普通絕緣子片數(shù)為3片[3]。

2）雷擊 10kV輸電線時(shí)的絕緣子串的正沖擊50%放電電壓。

10kV等級(jí)輸電線普通絕緣子片數(shù)為1片。

從而得到10～110kV電壓等級(jí)輸電線上雷擊過電壓能夠沿輸電線傳播的峰值，見表1。

表110-110kV電壓等級(jí)輸電線上雷擊過電壓能夠沿輸電線傳播的峰值

2.3 雷擊輸電線路附近地面的感應(yīng)

當(dāng)雷擊于輸電線附近的地面時(shí)，會(huì)在輸電線上感應(yīng)過電壓。計(jì)算該過電壓峰值的近似公式如下[2]：

式中，I為雷電流峰值，單位kA。hd為輸電線懸掛的平均高度，單位為 m；S為直接雷擊點(diǎn)距輸電線的距離，單位為m；一般感應(yīng)雷過電壓的峰值可達(dá)300～400kV。

3 雷電過電壓沿輸電線傳播的波過程

當(dāng)輸電線上雷電過電壓時(shí)，雷電波就沿輸電線向兩側(cè)傳播，如圖3。

圖3 雷擊輸電線時(shí)雷擊過電壓向兩側(cè)傳播示意

以圖1為對(duì)象進(jìn)行分析，假設(shè)3、4斷路器之間的輸電線過電壓，且過電壓的峰值又小于絕緣子串的 U50%放電電壓時(shí)，雷電波就會(huì)沿輸電線向 3、4斷路器兩個(gè)方向傳播。當(dāng)雷電波向斷路器3方向傳播時(shí)，就會(huì)沿輸電線傳入乙變電站（略）。當(dāng)雷電波向斷路器4方向傳播時(shí)，因?yàn)?號(hào)斷路器處于斷開位置，此時(shí)就會(huì)發(fā)生波的反射。設(shè)雷電波沿輸電線傳輸?shù)氖键c(diǎn)到斷路器4的距離為L，雷電波波速為v，雷電波過程的傳播時(shí)間為t。當(dāng)雷電波在到達(dá)斷路器 4之前，即 0＜t＜L/v時(shí)段，波的傳播如圖4（a）所示。當(dāng)雷電波在到達(dá)斷路器4之后，由于開環(huán)點(diǎn)處是開路的，產(chǎn)生反射，即L/v＜t＜2L/v時(shí)段。此時(shí)反射波的大小和入射波相等，且沿輸電線向相反的方向傳播，波的傳播如圖4（b）所示。反射波和入射波相互疊加，將使輸電線上的過電壓變?yōu)樵瓉淼膬杀?，?U。

圖4 雷擊過電壓波沿輸電線的傳播和反射

在 L/v＜t＜2L/v時(shí)段，開環(huán)點(diǎn)承受的電壓除雷擊電壓波外，還要承受工頻的運(yùn)行電壓。此時(shí) U＜U50%，計(jì)算2倍U50%，就可知2U的最大值。計(jì)算各電壓等級(jí)開環(huán)點(diǎn)承受的雷擊過電壓峰值如表2所示。其中，因?yàn)?0kV輸電線絕緣子的U50%峰值為269kV，所以在輸電線上傳播的感應(yīng)過電壓在等于U50%時(shí)，就已經(jīng)發(fā)生對(duì)地閃絡(luò)。

表2 各電壓等級(jí)開環(huán)點(diǎn)承受的雷擊過電壓峰值

4 雷擊過電壓時(shí)開環(huán)點(diǎn)的運(yùn)行情況分析及防范措施

按照 GB11022-89《高壓開關(guān)設(shè)備通用 技術(shù)條件》，高壓開關(guān)設(shè)備的額定絕緣水平如表3。

表3 高壓開關(guān)設(shè)備的額定絕緣水平

由表3可知，高壓開關(guān)設(shè)備的隔離斷口額定絕緣水平，大于對(duì)地、相間及普通斷口。當(dāng)沿輸電線進(jìn)入變電站開環(huán)點(diǎn)的雷擊過電壓，大于高壓開關(guān)設(shè)備的對(duì)地、相間額定絕緣水平時(shí)，就發(fā)生閃絡(luò)，從而造成設(shè)備事故。

在實(shí)際運(yùn)行中，開環(huán)點(diǎn)的設(shè)備遭受雷擊過電壓損壞的情況時(shí)有發(fā)生。為降低雷害造成的損失，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，必須從多方面入手，制定防范措施。

4.1 加裝開環(huán)點(diǎn)避雷器

加裝開環(huán)點(diǎn)避雷器是提高開環(huán)點(diǎn)運(yùn)行水平的有效方法。金屬氧化物避雷器的電氣特性如表4[6]。

當(dāng)雷擊過電壓沿輸電線傳播到達(dá)避雷器，并達(dá)到避雷器的放電電壓時(shí)，雷電流通過避雷器入地。而此時(shí)避雷器對(duì)地的最大電壓峰值，即避雷器上的殘壓，就是加在開環(huán)點(diǎn)高壓開關(guān)設(shè)備承受的過電壓峰值。對(duì)比表2、3、4，加裝開環(huán)點(diǎn)避雷器后，開環(huán)點(diǎn)的承受的雷擊過電壓峰值大大降低，從而提高了開環(huán)點(diǎn)的運(yùn)行可靠性。對(duì)于運(yùn)行變電站的未加裝避雷器的開環(huán)點(diǎn)，要及時(shí)加裝。對(duì)于新建變電站，從設(shè)計(jì)之初就應(yīng)考慮建成后的系統(tǒng)運(yùn)行方式，在開環(huán)點(diǎn)加裝避雷器。

表4 典型的變電站用避雷器參數(shù)

4.2 通過提高線路的防雷水平，來降低傳播到開環(huán)點(diǎn)的雷電過電壓概率

（1）在絕緣子上裝設(shè)保護(hù)間隙

保護(hù)間隙與絕緣子串并聯(lián)，保護(hù)間隙的伏秒特性的上限，低于被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性的下限。當(dāng)雷電波通過保護(hù)間隙與絕緣子串構(gòu)成的并聯(lián)回路時(shí)，保護(hù)間隙首先擊穿放電，從而避免絕緣子串承受過高的電壓。

（2）裝設(shè)線路避雷器

對(duì)于重要線路，并在投資允許的情況下，在輸電線上裝設(shè)避雷器，甚至沿全線每基桿塔裝設(shè)，能大幅度提高輸電線的防雷水平。

（3）降低桿塔接地電阻

按照線路防雷的要求，桿塔的接地必須符合要求，這包括工頻接地電阻和沖擊接地電阻兩部分。通過降低桿塔接地電阻，降低雷擊桿塔的閃絡(luò)率。

（4）避雷線采用較小的保護(hù)角

當(dāng)采用較小的保護(hù)角時(shí)，能降低輸電線受到雷擊的概率，也就降低了雷擊過電壓在輸電線上傳播的概率。

4.3 采用合上開環(huán)點(diǎn)斷路器的運(yùn)行方式

當(dāng)采用避雷器作為開環(huán)點(diǎn)保護(hù)時(shí)，不能排除小于避雷器動(dòng)作值時(shí)，雷電波到達(dá)開環(huán)點(diǎn)后發(fā)生波的反射，疊加后的雷電過電壓大于開環(huán)點(diǎn)的絕緣水平的情況。因此可以建議采用合上開環(huán)點(diǎn)斷路器的運(yùn)行方式。特別是針對(duì)雷害比較嚴(yán)重的氣象條件，可以采用這種特殊的運(yùn)行方式，這樣系統(tǒng)運(yùn)行就沒有開環(huán)點(diǎn)。當(dāng)雷害嚴(yán)重的氣象條件過去后，再恢復(fù)開環(huán)點(diǎn)的運(yùn)行。

4.4 采用電纜供電

對(duì)于重要線路，采用電纜供電，降低遭受雷害的概率，提高運(yùn)行可靠性。

5 結(jié)論

針對(duì)采用環(huán)網(wǎng)布置、開環(huán)運(yùn)行的方式，分析了開環(huán)點(diǎn)在雷擊過電壓下的運(yùn)行情況。為確保開環(huán)點(diǎn)設(shè)備在雷擊過電壓時(shí)的安全運(yùn)行，本文從設(shè)備和運(yùn)行兩個(gè)角度，提出相應(yīng)的防范措施。對(duì)于提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，具有一定的參考價(jià)值。

[1] DL/T584-1995.3-110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程.

[2] 過電壓及保護(hù).武漢水利電力學(xué)院.北京:水利電力出版社,1977.8.

Research on the Annulus-open Point Function in Transformer Substation when Thunder Overvoltage

Ding Jian
（Guiyang South Power Supply Bureau, Guiyang 550002）

Aim the way of power supply, that round arrange and annulus-open function. Analyze the condition of annulus-open point function in transformer substation, when thunder overvoltage. In order to ensure safe function, bring forward the forefend measures, by equipment and function。

thunder overvoltage；annulus-open point；function

丁 健，貴陽供電局電網(wǎng)建設(shè)中心，高級(jí)工程師，工程碩士。