小浪底水電廠220 kV母線避雷器優(yōu)化研究

陳紅梅，李雅萍，蔣建虎，唐新文

（1.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.小浪底建設(shè)管理局水力發(fā)電廠，河南 洛陽 471003）

0 引言

小浪底水電廠黃河變220 kV開關(guān)站母線為雙母雙分段帶旁路結(jié)構(gòu)，開關(guān)站電氣設(shè)備布置方式為露天布置，母線為雙分裂的軟母線。母線所帶的避雷器為撫順電瓷廠生產(chǎn)的Y10W1—216/562型氧化鋅避雷器，避雷器頂部采用90°線夾與引線相聯(lián)，導(dǎo)線向上延伸大約60 cm然后下降至與避雷器頂部等高，再與鄰近電壓互感器頂部相連。由于受安裝場地的限制，母線與避雷器頂部引線的距離只有2.6 m。根據(jù)DL408—91《電業(yè)安全工作規(guī)程—發(fā)電廠和變電所電氣分部》第12條和第68條規(guī)定，220 kV開關(guān)站工作人員正?；顒臃秶c帶電設(shè)備的安全距離為3 m。為保證檢修時有足夠的安全距離，每次檢修避雷器時需要將母線停電，既增加了由于倒閘操作帶來的安全風(fēng)險，又延長了檢修作業(yè)時間。通過現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，如果將母線避雷器與導(dǎo)線的連接方式改為水平連接，則能有效降低導(dǎo)線的高度，從而增加導(dǎo)線與母線的電氣距離，使檢修避雷器時具有足夠的安全距離，檢修時母線就不再需要停電。這樣不僅能提高檢修工作效率，還將減少事故發(fā)生的概率。

要將母線避雷器與導(dǎo)線連接方式由垂直連接改為水平連接，就必須針對其可行性進(jìn)行研究和分析。接線方式的改變對避雷器的影響主要表現(xiàn)在2個方面：①避雷器周圍，主要是均壓環(huán)周圍電場強度的分布發(fā)生變化，均壓環(huán)表面電場強度可能增加，從而增加均壓環(huán)與避雷器底座部位發(fā)生閃絡(luò)的概率；②改變接線方式會影響避雷器引線的弧垂和應(yīng)力分布。

通過對引線力學(xué)和避雷器周圍電場強度的分析，提出了4種可能的改造方案，為方便分析，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選取了以下假設(shè)條件：避雷器型號參數(shù)不改變；計算引線力學(xué)特性時，忽略引線的剛性和彎曲力矩，將引線視為懸鏈線進(jìn)行計算；在求解場的電勢函數(shù)時采用電場有限元計算方法。

1 原安裝方式電場強度分析

1.1 計算模型

根據(jù)現(xiàn)場測量和廠家提供的數(shù)據(jù)，避雷器的三維模型如圖1所示。該模型沿導(dǎo)線軸線的剖面具有對稱性，其空間電場分布沿剖面也具有對稱性，因而，為減小計算量，在建立有限元計算模型時可只建立該模型的1/2。剖分后的有限元計算模型如圖2所示。

圖1 避雷器三維模型

圖2 有限元計算模型的剖分

1.2 加載與求解

本項目所采用的避雷器型號為Y10W1-216/562 W型，根據(jù)制造廠家提供的參數(shù)，其標(biāo)稱沖擊電流的殘壓為562 kV，陡波沖擊電流殘壓為630 kV。

根據(jù)GB11032—2000《交流無間隙金屬氧化物避雷器》第2.40條的規(guī)定：避雷器的雷電過電壓保護(hù)水平取以下兩項的較大者，①陡波沖擊下的最大殘壓除以1.15；②標(biāo)稱放電電流下的最大殘壓。據(jù)此，Y10W1—216/562W型避雷器的雷電保護(hù)水平應(yīng)為562 kV。根據(jù)GB 311.1—1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》第5條關(guān)于設(shè)備絕緣水平的相關(guān)規(guī)定，220 kV等級電氣設(shè)備的額定沖擊耐受電壓的標(biāo)準(zhǔn)值為950 kV。

在計算避雷器周圍電場分布時的加載方法為：避雷器、引線及避雷器接線板的電壓等于避雷器的雷電保護(hù)水平，即562 kV；設(shè)兩節(jié)避雷器瓷套間的連接導(dǎo)體為等位體；大地及與大地相連的避雷器金屬支架的電位為0。

1.3 計算結(jié)果

采用電磁場有限元法進(jìn)行計算，計算結(jié)果表明，電場強度最大值分布在均壓環(huán)表面遠(yuǎn)離導(dǎo)線的位置，其最大電場強度約為2 745 kV/m；電場強度最小值分布在正對導(dǎo)線的位置，其值約為2 195 kV/m。則沿均壓環(huán)表面電場強度分布的不平衡度約為11.1%。

2 不同改造方案電場強度計算分析

分別采用0°接線夾 （方案一）、30°接線夾 （方案二）、豎直接線板和0°接線夾 （方案三）方式計算避雷器周圍電位及電場強度分布、沿均壓環(huán)下表面圓周方向電場強度分布曲線。同時，對增加均壓導(dǎo)體半徑 （方案四）分析計算，即設(shè)避雷器引線的接線方式與改造方案一的接線方式相同，改變均壓導(dǎo)體的半徑，分別計算避雷器周圍電場強度分布，找出改造后均壓環(huán)表面電場強度小于或等于改造前均壓環(huán)表面電場強度的半徑值。

2.1 改造可行性的理論分析

從改造前后避雷器周圍電場分布的計算結(jié)果可知，對于空間任一點，改造前后電場強度值不同，但空間電場強度的大小分布規(guī)律并沒有改變，電場強度最大值均出現(xiàn)在均壓環(huán)表面遠(yuǎn)引線的位置，即圖3中的A點，又由于該點距避雷器底座B點最近，因而，如果母線遭受雷擊，發(fā)生空氣擊穿概率最高的點為A、B兩點。

圖3 易發(fā)生擊穿部位示意 （電場強度單位：kV/m）

表1為雷電沖擊下的電壓下的均壓環(huán)表面最大電壓值，其中最大值約為2 824 kV/m，小于雷電沖擊預(yù)放電電壓值。根據(jù)電場的線性關(guān)系，工頻電壓下均壓環(huán)表面的最大場強 （有效值）約為1 105kV/m；取操作過電壓倍數(shù)為1.8，操作過電壓時均壓環(huán)的最大表面電場強度約為1 625 kV/m。

由表1中的計算結(jié)果可知，改造前后均壓環(huán)表面電場強度最大值不超過3 000 kV/m，在避雷器的保護(hù)水平內(nèi)，均壓環(huán)表面的最大電場強度小于臨界電暈電場強度值，不會發(fā)生電暈現(xiàn)象，更不會發(fā)生空氣擊穿的現(xiàn)象。

表1 改造前后均壓環(huán)表面電場強度最大值對比

由以上分析可知，從理論上分析避雷器接線方式的幾種改造方案均不會發(fā)生空氣擊穿現(xiàn)象。

2.2 相關(guān)實驗數(shù)據(jù)分析

氣體放電實驗研究一般選用幾種有代表性的實驗，如棒—棒、棒—板、環(huán)—環(huán)等，實際工程應(yīng)用中往往采取比擬的方法確定安全間隔。由長氣隙和絕緣子的工頻50%擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系曲線和氣隙的沖擊擊穿電壓與距離的關(guān)系曲線可知，氣隙間隔為2.4 m時，無論是工頻還是沖擊電壓，氣隙的擊穿電壓均大于1 000 kV，而本改造項目的最大陡波沖擊殘壓為630 kV。由此，在避雷器正常工作的情況下不會發(fā)生空氣擊穿現(xiàn)象。

2.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

GBJ149—1990《電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗收規(guī)范》第2.1.13條中關(guān)于220 kV室外配電裝置的安全凈距離規(guī)定為：帶電部分至接地部分間距＞1.8 m；不同相帶電部分之間的距離＞2 m；交叉的不同時停電檢修的無遮欄帶電部分之間的距離＞2.55 m；無遮欄裸導(dǎo)體至地面之間的距離＞4.3 m。

本改造項目中，距接地部分 （避雷器底座）最近的帶電導(dǎo)體為均壓環(huán)，其間距約為2.4 m；不同相的帶電部分為兩相避雷器，其間距大于4 m；交叉的不同時停電檢修的無遮欄帶電部分主要為避雷器引線與上空的母線，其間距在改造前大約為2.6 m，改造后大約為3 m；距地面最近的無遮欄的祼導(dǎo)體指均壓環(huán)，其距地面的距離約為4.96 m。據(jù)此，本項目改造后的各項安全距離均符合GBJ149—1990的規(guī)定。

2.4 避雷器沿面放電分析

避雷器改造后，瓷套表面有些部位的電場強度有所增加，有些部位的電場強度有所減小，其綜合效果并不會增加沿面閃絡(luò)的可能性。

根據(jù)沿面閃絡(luò)的長度與電壓關(guān)系的實驗結(jié)果，在工頻、高頻或沖擊電壓下，隨著閃絡(luò)長度的增加，閃絡(luò)電壓具有飽和趨勢。本避雷器的爬距為6 m，其閃絡(luò)電壓具有明顯的飽和現(xiàn)象，其表面電場強度的改變對其閃絡(luò)電壓的影響很小。本避雷器的干弧距離大約為2 m，爬距為6 m，沿面平均電場強度遠(yuǎn)小于干弧間隙的平均電場強度值，根據(jù)實際運行和實驗結(jié)果，對于干凈的絕緣子，干弧閃絡(luò)發(fā)生的概率總是高于沿面閃絡(luò)。

3 不同改造方案引線力學(xué)計算分析

綜合小浪底水力發(fā)電廠黃河變220 kV開關(guān)站所處位置多年氣候條件，按照溫度-25℃、風(fēng)速25 m/s、覆冰厚度為10 mm的最惡劣氣象條件 (如溫度、刮風(fēng)、覆冰等)，計算不同條件下放線時的弧垂度。 分別采用0°接線夾 （方案一）、30°接線夾 （方案二）、豎直接線板和0°接線夾 （方案三）方式計算不同氣象條件下最大弧垂度和應(yīng)力 （由于方案四通過增加均壓導(dǎo)體半徑，有利于保證導(dǎo)線在一定的弧垂度和應(yīng)力要求范圍內(nèi)，故不作另外計算），確保在最惡劣氣象條件下，導(dǎo)線所產(chǎn)生的水平拉力不超過其機械強度限值。本改造項目中所使用的避雷器型號為Y10W1—216型，根據(jù)GB11032—2000《交流無間隙金屬氧化物避雷器》第6.16.1條的規(guī)定，該型號避雷器頂端所承受的導(dǎo)線最大允許水平拉力為980 N。避雷器聯(lián)接導(dǎo)線在放線時必須確保在最惡劣氣象條件下，導(dǎo)線所產(chǎn)生的水平拉力小于980 N。設(shè)本項目中最惡劣下氣象條件為：最低溫度-25℃，風(fēng)速25 m/s，覆冰厚度為10 mm， 以此為基礎(chǔ)，計算不同條件下放線時的弧垂度和應(yīng)力大小。由此計算不同溫度時的水平拉力值，水平拉力值隨溫度升高而減小。本項目結(jié)合3種改造方案分別分析了不同溫度的水平拉力。見表2所示。

表2 不同溫度下導(dǎo)線水平拉力

由計算結(jié)果可知，方案一、二、三中導(dǎo)線在最惡劣氣象條件下所產(chǎn)生的水平拉力為980 N，其他氣象條件下對避雷器頂部的水平拉力均小于980 N，這樣可確保避雷器機械性能的安全。

4 結(jié)語

從理論、國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、實際設(shè)計及高壓實驗等方面綜合分析，本文所提出的幾種避雷器引線改造方案均在安全范圍內(nèi)，改造方案均是可行的，各方案的優(yōu)選順序為：方案四～方案三～方案二～方案一。其中，方案四的接線方式與方案一相同 （采用0°線夾），同時須增加均壓環(huán)導(dǎo)體的半徑 （半徑須大于4.3 cm）。其屏蔽效果優(yōu)于改造前，但避雷器與均壓環(huán)是成套生產(chǎn)的，所需均壓環(huán)必須訂制，增加了改造的成本。