枕頭壩一級水電站500 kVGIS雷電過電壓的分析研究

陳丹燕，王　勇，劉　濤

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

枕頭壩一級水電站500 kVGIS雷電過電壓的分析研究

陳丹燕，王勇，劉濤

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

摘要：枕頭壩一級水電站高壓配電裝置采用500 kV GIS設(shè)備，其接線方案為四角形接線。為了研究這一接線的防雷保護方案，本文采用PSCAD/EMTDC程序計算分析了該電站500 kV GIS的雷電侵入波保護，考慮了不同運行方式、不同雷擊點的情況，還計算分析了桿塔沖擊接地電阻、避雷器的配置及參數(shù)對保護效果的影響，最后提出了可用于工程的避雷器配置方案。

關(guān)鍵詞：雷電；侵入波；避雷器；沖擊接地電阻

枕頭壩一級水電站位于四川省樂山市金口河區(qū)的大渡河中游干流上。電站總裝機容量為4×180MW，出線電壓等級為500 kV，發(fā)電機電壓側(cè)采用發(fā)電機-變壓器組單元接線方式，高壓側(cè)采用聯(lián)合單元與四角形接線方案。

500 kV開關(guān)站由于其電氣設(shè)備設(shè)置復雜，而且在系統(tǒng)中處于重要位置，從可靠性和技術(shù)經(jīng)濟性出發(fā)，需對本電站的雷電侵入波進行研究，從而確定避雷器的配置方案，以保證電站的安全經(jīng)濟運行。為此我院聯(lián)合清華大學對該電站進行過電壓研究，采用PSCAD/EMTDC程序計算分析了枕頭壩一級水電站500 kVGIS的雷電侵入波保護。計算中考慮了不同運行方式、不同雷擊點的情況，不同桿塔沖擊接地電阻、避雷器的設(shè)置及參數(shù)對保護效果的影響。

1　計算參數(shù)

1.1架空線路參數(shù)

接入開關(guān)站的500 kV線路導線采用LGJ-300 （GB1179）鋼芯鋁絞線，導線計算外徑23.94mm；

按系統(tǒng)額定電壓和泄漏比距選擇絕緣子串片數(shù)，500 kV絕緣子串片數(shù)取31片；

第1級桿塔到站內(nèi)的距離為125m，第2級檔距為100m，而以外檔距為450m，計算中桿塔接地電阻取不同值進行計算。

1.2設(shè)備參數(shù)

計算中，變壓器、電壓電流互感器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電抗器及GIS套管等均采用入口電容來等效，見表1。

表1　設(shè)備入口電容

本工程在500 kV GIS及兩回出線處均配置了避雷器，出線平臺線路入口避雷器采用敞開式無間隙氧化鋅避雷器，額定電壓有效值444 kV，GIS避雷器采用SF6封閉式氧化鋅避雷器，額定電壓有效值420 kV。500 kV避雷器具體參數(shù)見表2。

表2　避雷器參數(shù)

電站內(nèi)主要設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平（BIL）如表3所示。如果考慮出現(xiàn)在設(shè)備上的最大過電壓與保證沖擊耐受電壓的配合裕度大于10%，則可以得到對應(yīng)的各主要設(shè)備處允許出現(xiàn)的最大過電壓值。

表3　主要設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平（典型值）

1.3計算條件

（1）雷電波侵入

采用雷擊線路桿塔發(fā)生反擊，雷擊線路發(fā)生繞擊作為雷電侵入波。

（2）雷電流參數(shù)

采用幅值250 kA，負極性的2.6/50 s雷電流作為雷電反擊侵入波，雷電繞擊電流根據(jù)實際塔形進行計算。

（3）雷擊點

不考慮站內(nèi)桿塔被擊中的狀況，以桿塔1號和2號為近區(qū)雷擊點，以桿塔6號為遠區(qū)雷擊點。

（4）工作電壓

因為所研究的系統(tǒng)是500 kV級別的，其工作電壓對雷電反擊有較為明顯的影響。仿真計算中考慮線路電壓極性與雷電極性相反的最嚴酷情況。

2　計算結(jié)果及分析

2.1主要計算內(nèi)容

雷電侵入波等值計算電路如圖1所示（桿塔沒有畫出）。計算時主要考慮了如下幾方面的內(nèi)容：不同雷擊點的結(jié)果比較；運行方式的比較（考慮了4種運行接線方式，包括單線單變、雙線單變、單線雙變和雙線雙變）；桿塔沖擊接地電阻的影響；避雷器的布置及避雷器參數(shù)的影響等。

圖1　計算等值電路

2.2計算結(jié)果

2.2.1雷擊點的比較

在計算過程中考慮電站外2 km的進線段，即在電站外前6基桿塔。其中第1、2基桿塔為近區(qū)雷擊，第6基桿塔為遠區(qū)雷擊，計算結(jié)果如表4。

表4　不同雷擊點的計算結(jié)果

由表4可知，雷擊在1號桿塔上電站內(nèi)的各設(shè)備雷電過電壓最大。因為1號桿塔離電站終端門型架最近，雷電波衰減小。其次是雷擊在2號桿塔上，2號桿塔不僅離電站很近，而且受避雷線反射抑制波影響很小。其余桿塔離電站較遠，因此，雷電波在傳播過程中衰減很大，設(shè)備過電壓較低。在以后的研究中，主要考慮雷擊1號桿塔的情況。

2.2.2運行方式的比較

考慮到有些回路停運檢修的嚴重工況，分析時主要研究以下4種較為嚴重的運行接線方式：單線單變、雙線單變、單線雙變和雙線雙變情況。雷擊1號桿塔時，對應(yīng)4種不同運行方式，電站內(nèi)部各設(shè)備處產(chǎn)生的最大過電壓值如表5所示。

表5　不同運行方式的計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，電站內(nèi)各主要設(shè)備由于雷電波侵入而遭受的最大過電壓峰值會隨著運行方式的改變而改變，由表5可以看出，單線單變，雙線單變和單線雙變運行方式下，設(shè)備的過電壓都比雙線雙變情況下嚴重得多。其中，單線單變運行時主變、GIS、電壓互感器的過電壓都最嚴重。所以，單線單變是最嚴酷的運行工況。以下計算將以過電壓最嚴重的單線單變來計算。

2.2.3桿塔接地電阻的影響

由于雷擊第1級桿塔所引起的雷擊過電壓最高，所以第1級桿塔的接地電阻對雷電過電壓的影響最大。以15Ω為默認值，改變第一級桿塔的接地電阻值，運行方式為單線單變，得到的計算結(jié)果如表6。

表6　不同接地電阻下雷電過電壓

由表6計算結(jié)果可以看出，雷電過電壓大小與接地電阻大小正相關(guān)，即接地電阻越小，過電壓越小。因此在工程實踐中，盡量降低電站近區(qū)桿塔的接地電阻，這樣可以提高站內(nèi)設(shè)備的絕緣安全裕度。

2.2.4避雷器的配置和參數(shù)的影響

根據(jù)本電站接線情況，避雷器安裝有多種方案可供選擇。在電站內(nèi)出線、GIS以及主變處均安裝避雷器這種配置情況下（方案1），站內(nèi)設(shè)備過電壓水平較低，設(shè)備運行安全水平較高。

為盡可能降低工程投資，以下對僅安裝2組避雷器進行了深入研究。根據(jù)接線情況，2組避雷器的位置可以有以下3種方案：出線+GIS（方案2）、GIS+主變（方案3）、出線+主變（方案4）。4種方案下站內(nèi)雷電過電壓值對比計算結(jié)果如表7所示。

表7　不同方案下站內(nèi)雷電過電壓

如果僅在站內(nèi)安裝1組避雷器，站內(nèi)設(shè)備運行安全性會進一步降低。由于GIS必須安裝避雷器，表8示出了僅安裝GIS避雷器方案與安裝出線+GIS避雷器的方案相比，過電壓幅值明顯加大。

表8　只用1組避雷器與方案2比較的結(jié)果

由前文可知，在安裝3組避雷器時，站內(nèi)過電壓水平較低，設(shè)備工作在相當安全的范圍內(nèi)。而當采用方案2時，由于主變沒有安裝避雷器，相對地主變的過電壓較高，但是仍在主變的最大允許電壓內(nèi)。而如果采用方案3，由于出線沒有加裝避雷器，出線段的過電壓很高。方案4同理，會讓GIS的過電壓過高，由于GIS和主變距離近，關(guān)系密切，連帶著主變的過電壓也很高。但是，無論是方案3還是方案4，所有電壓均在安全耐受范圍內(nèi)。綜合考慮CVT、GIS、主變的過電壓情況，方案4不宜采用。方案2與方案3相較，以方案2為佳。

由表8可知，只在GIS上加裝避雷器，出線上的過電壓相比起方案2增幅太大，雖然仍在設(shè)備沖擊電壓耐受范圍之內(nèi)，但是不宜采用。這是因為出線避雷器對抑制整個變電站內(nèi)的雷電過電壓有著重要的作用，雷電波從外界侵入電站時首先施加在出線避雷器上，出線避雷器關(guān)系到在其之后的整個電站的設(shè)備的過電壓水平。不安裝出線避雷器則整個系統(tǒng)的過電壓都升高了，離設(shè)備工作的安全閾值過于接近。只安裝1個避雷器保護效果不理想。

2.3絕緣配合裕度

不同避雷器布置方案，站內(nèi)設(shè)備絕緣配合水平如表9。

表9　雷電反擊絕緣配合裕度

由表9 計算結(jié)果可知，當250 kA 雷擊時，如果采用方案5，由于主變、出線沒有避雷器保護，過電壓水平較高，安全裕度系數(shù)小。而方案4由于GIS上沒有加避雷器保護，影響了整個系統(tǒng)的過電壓值，不僅GIS本身安全裕度較小，連帶著主變、出線，一起工作在較不安全的范圍內(nèi)。相比起來，方案3和方案2均是比較理想的方案，所有設(shè)備的安全裕度均接近在30%左右，設(shè)備工作在安全范圍內(nèi)。方案2更好，沒有相對薄弱環(huán)節(jié)。方案3中GIS出線的過電壓較高。如果采用3組避雷器，當然能更好的抑制雷電過電壓，設(shè)備的安全裕度基本超過了30%，可以說是工作在了更安全的環(huán)境下。不過，由于方案2的效果已經(jīng)較為理想，使電站內(nèi)的主設(shè)備均工作在耐受范圍內(nèi)，沒有必要再進一步提高設(shè)備的安全性，并且再增設(shè)避雷器成本增加。綜合成本與安全性考慮，建議在實際工程中采用方案2。

3　結(jié)論

根據(jù)對枕頭壩一級水電站500 kV開關(guān)站雷電過電壓的仿真分析，得出的結(jié)論與建議如下：

（1）根據(jù)仿真結(jié)果，按照方案2，以比較嚴酷的250 kA雷電電流反擊考核站內(nèi)設(shè)備絕緣，站內(nèi)各主要設(shè)備均工作在其耐受電壓下，不會發(fā)生設(shè)備損壞。

（2）進線段桿塔的接地電阻對雷電過電壓有很大影響。接地電阻越小，雷電過電壓越小。在工程實施中盡量降低第1、第2級桿塔的接地電阻。

（3）如果采用3個避雷器，雖然可以更進一步抑制過電壓。但由于方案2已經(jīng)將過電壓控制在耐受范圍內(nèi)，新增避雷器并不能比原設(shè)計對過電壓有明顯的抑制效果，而且新增避雷器將會加大成本。

（4）綜合來看，所有安裝2組避雷器的方案。方案2是最優(yōu)方案，可以有效地將站內(nèi)所有主設(shè)備的過電壓抑制在安全范圍內(nèi)，并保有一定的安全裕度。最重要的是，該方案并沒有非常薄弱的環(huán)節(jié)。相比起來，只在主變和出線上安裝避雷器的方案會讓GIS和主變的安全裕度較低；只在主變和GIS上安裝避雷器的方案則出線處過電壓較高。

（5）如果只用1組GIS上的避雷器，那么，雖然雷電過電壓仍在設(shè)備耐受值范圍內(nèi)，但是相對的安全系數(shù)較小，而且出線過電壓很高，不宜采用。

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中圖分類號：TM86

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）06-0033-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.009

收稿日期：2015-03-18

作者簡介：陳丹燕（1981-），女，工程師，從事水電站工程電氣專業(yè)設(shè)計工作。