關于220kV及以下GIS變電站避雷器正確配置的探討

王 碩

（自貢華能電器有限公司，四川 自貢 643000）

1.220kV及以下電氣設備絕緣配合原則

系統(tǒng)運行中出現(xiàn)于設備絕緣的過電壓有3種,即暫時過電壓(工頻過電壓、諧振過電壓)、操作過電壓和雷電過電壓。絕緣擊穿是造成電力系統(tǒng)停電的主要原因之一。因此,減少絕緣事故對提高系統(tǒng)運行可靠性有重大意義。絕緣配合就是根據(jù)各種電壓(工作電壓和過電壓)和保護裝置的特性來確定電網(wǎng)中設備和線路的絕緣水平(耐受電壓的能力)。絕緣配合的原則一般是指綜合考慮系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種作用電壓、保護裝置特性以及設備的絕緣特性來確定設備的絕緣水平,從而使設備絕緣的故障率或停電事故率降低到經(jīng)濟上和運行上可以接受的水平。對于不同電壓等級的系統(tǒng),配合原則上有所區(qū)別。220kV及以下系統(tǒng)一般以大氣過電壓確定設備的絕緣水平,即以避雷器的保護水平為基礎來確定設備的絕緣水平。此時,設備在通常情況已能耐受過電壓的作用,因此一般不再專門采用限制內(nèi)過電壓(暫時過電壓和操作過電壓)的措施。

2.雷電過電壓的特征

雷電放電是雷云對大地或雷云之間或雷云內(nèi)部的放電現(xiàn)象。對電力工程而言,雷擊輸電線路仍然是導致其跳閘的主要原因之一。雷電過電壓主要有以下特征:

(1)雷電流是一個波過程。雷電流在導線上的傳播是一個波的傳播過程。雷電波在傳播過程中,遇到不同的介質(zhì)會有反射和折射現(xiàn)象。其反射系數(shù)αu和折射系數(shù)βu有以下規(guī)律:

αu=2×Z2/(Z1+Z2),(0≤αu≤2)(1)

βu=(Z2-Z1)/(Z1+Z2),(-1≤βu≤1)(2)

式中Z1----波傳播介質(zhì)1的波阻抗;Z2----波傳播介質(zhì)2的波阻。極端情況下,若末端開路(Z2=∞),則ɑu=2,βu=1,線路末端電壓U1=2U1+(U1+為入射波電壓),電流i1=0,即U1+在開路的末端發(fā)生全反射,使末端至反射波波及之處,線路電壓上升到入射波的兩倍,而電流下降到零。

(2)雷電流產(chǎn)生的過電壓相當高。雷直擊于輸電線路導線時,近似等于沿主放電通道襲來一個電流波I。由于雷擊輸電線路后,電流波將向線路的兩側流動,導線被擊點的過電壓為UA=IZ/2,其中Z為導線的波阻抗。如Z=400Ω,則當I=30kA時,過電壓可高達6000kV。一般架空線路的波阻抗Z=500Ω,電力電纜的波阻抗介于幾歐姆到幾十歐姆之間,GIS的實際波阻抗為60～100Ω。

(3)雷云中可能存在幾個電荷中心。在第一個電荷中心完成上述放電過程之后,可引起第2、第3個中心向第一個中心放電,因此雷云放電通常是多重性的,每次放電相隔離時間約0.6ms～0.8s(平均為65ms),放電的數(shù)目平均為2～3個,最多記錄到42個。第2次及以后的放電,由于是沿著每一放電的游離通道進行的,所以能自上向下順利連續(xù)發(fā)展,而且放電電流一般較小,不超過50kA,但電流陡度大大增加。

(4)雷云放電時在導線或電氣設備上形成過電壓。雷電過電壓分直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩類。雷電直擊于電網(wǎng)(導線、設備等)時產(chǎn)生的過電壓稱直擊雷過電壓。直擊雷過電壓對任何電壓等級的線路和設備都可能產(chǎn)生危險。雷擊于大地或其他目的物時,在附近的導線或電氣設備上形成的過電壓稱感應雷過電壓。感應雷過電壓通常只對35kV及以下電壓等級的線路和設備構成威脅。

3.某市220kVGIS變電站避雷器配置現(xiàn)狀

目前該市電網(wǎng)已有220kV變電站約60座,根據(jù)規(guī)劃,到2020年,預計電網(wǎng)各種規(guī)模的220kV變電站將達到140座。按照變電站規(guī)模的劃分,該市電網(wǎng)內(nèi)220kV變電站分為中心變電站、中間變電站和終端變電站。按照配電裝置類型分類,可分為裝配式變電站和GIS變電站。目前該市GIS變電站中,對GIS設備的過電壓保護和裝配式設備相同,均采用金屬氧化物避雷器(216/562kV)保護。避雷器的配置位置分為2類:

(1)有母線時配置母線避雷器,在主變回路近主變側配置避雷器,各出線(架空、電纜)回路不再配置避雷器。(2)終端變電站沒有220kV母線時,在220kV進線側配置避雷器。

4.相關規(guī)程規(guī)定

目前,GIS設備在該市電網(wǎng)中已經(jīng)有了廣泛的使用。但是,由于GIS設備的結構緊湊,價格比較昂貴,且內(nèi)部一旦發(fā)生電暈將立即擊穿,其絕緣沒有自恢復性,所以在絕緣配合上應留有足夠的裕度,以保證包括母線在內(nèi)的整套GIS裝置的過電壓保護具有較高的可靠性。

鑒于220kV及以下系統(tǒng)一般以大氣過電壓確定設備的絕緣水平,即以避雷器的保護水平為基礎來確定設備的絕緣水平,因此GIS變電站避雷器的位置配置對GIS設備的保護至關重要。關于GIS變電所的雷電侵入波過電壓的保護對避雷器位置配置的要求,在《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》(DL/T620-1997)標準中的7.4條有專門論述。按照上述標準中的規(guī)定,目前該市220kVGIS變電站的避雷器配置位置必須進行適當調(diào)整。

5.避雷器的位置配置

5.1.架空進線

圖1 無電纜段進線的GIS變電所保護接線

DL/T620-1997規(guī)程規(guī)定:66kV及以上進線無電纜段的GIS變電所,在GIS管道與架空線路的連接處,應裝設金屬氧化物避雷器(FMO1),其接地端應與管道金屬外殼連接,如圖1所示。若變壓器或GIS一次回路的任何電氣部分至FMO1間的最大電氣距離不超過規(guī)定參考值(66kV,50m;110 及 220kV,130m),或雖超過,但經(jīng)校驗,裝一組避雷器即能符合保護要求,則圖2中可只裝設FMO1。連接GIS管道的架空線路進線保護段的長度應不小于2km。為了能經(jīng)濟地輸送大容量電能,目前該市的220kV采用GIS的中心變電站和中間變電站通常有多回架空進線,按照前文所述避雷器的配置位置,顯然不符合上述規(guī)程的規(guī)定。是否在今后的GIS變電站設計中按照該規(guī)定執(zhí)行,有必要分析該規(guī)程規(guī)定的初衷。目前220kV架空線路通常配置避雷線,但還是存在一定的雷電繞擊率,造成線路的直擊雷過電壓。同時,線路還不可避免地受到感應雷過電壓。所以變電站電氣設備需考慮由架空輸電線路傳入的雷電侵入波過電壓保護。限制侵入雷電過電壓的手段就是配置避雷器,所以避雷器配置位置是否正確,關系到能否有效地保護站內(nèi)設備。

(1)當220kV架空進線經(jīng)常處于熱備用狀態(tài)時,GIS設備內(nèi)的隔離開關均處于閉合狀態(tài),斷路器處于斷開位置。如果此時GIS受到線路侵入雷電過電壓影響,由于雷電流的波特性,侵入的雷電波在斷路器的端口發(fā)生全反射,斷路器斷口的電壓上升到入射雷電波電壓的2倍,如此高的電壓可以造成斷路器的絕緣擊穿乃至爆炸。

(2)運行的220kV架空線路如果受到首次雷擊,通常會造成斷路器瞬時跳閘。雖然架空線路通常配置有重合閘保護,在0.3s后重合,但是在重合閘之前,線路相當于處于熱備用狀態(tài),若發(fā)生二次雷云放電再次侵入GIS的現(xiàn)象,也會造成(1)中的情況。上述情況在國內(nèi)其他地區(qū)電網(wǎng)中已有發(fā)生。所以對于220kVGIS變電所的架空進線,應在線路側裝設避雷器。

5.2.電纜架空混合出線

DL/T620-1997規(guī)程規(guī)定:66kV及以上進線有電纜段的GIS變電所,在電纜段與架空線路的連接處應裝設金屬氧化物避雷器(FMO1),其接地端應與電纜的金屬外皮連接。對三芯電纜,末端的金屬外皮應與GIS管道金屬外殼連接接地,如圖3(a)所示;對單芯電纜,應經(jīng)金屬氧化物電纜護層保護器(FC)接地,如圖 3(b)所示。

(a)三芯電纜段進線

電纜末端至變壓器或GIS一次回路的任何電氣部分間的最大電氣距離不超過前文5.1中

(b)單芯電纜段進線

圖3有電纜段進線的GIS變電所保護接線的參考值,或雖超過,但經(jīng)校驗,裝一組避雷器即能符合保護要求,圖3中可不裝設FMO2。對連接電纜段的2km架空線路應架設避雷線。220kV電纜為單芯式。目前的220kV架空電纜混合線路,在架空線和電纜線的轉接處通常配置有避雷器,但是在電纜和GIS的連接處不裝設避雷器。鑒于GIS仍舊有可能受到雷電波過電壓的侵入,所以在進線端仍有必要配置避雷器。

6.全電纜出線

DL/T620-1997規(guī)程規(guī)定:進線全長為電纜的GIS變電所內(nèi)是否需裝設金屬氧化物避雷器,應視電纜另一端有無雷電過電壓波侵入的可能,經(jīng)校驗確定。根據(jù)上述條款,全線電纜進線可以不配置進線避雷器。

結語。本文對避雷器配置的分析主要考慮了220kVGIS變電站對線路侵入雷電過電壓的保護,對于特殊情況下,如超長電纜對操作過電壓和暫時過電壓的保護,還必須考慮其他措施,如配置并聯(lián)高抗等。在特殊工程中需進行專門的過電壓計算后才能確定。

[1]《DL/T596-1996電力設備預防性試驗規(guī)程》〔M〕中國電力出版社,1997.