關(guān)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(shè)備絕緣配合原則

系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)于設(shè)備絕緣的過電壓有3種,即暫時(shí)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(yùn)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(hù)裝置的特性來確定電網(wǎng)中設(shè)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(hù)裝置特性以及設(shè)備的絕緣特性來確定設(shè)備的絕緣水平,從而使設(shè)備絕緣的故障率或停電事故率降低到經(jīng)濟(jì)上和運(yùn)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(shè)備的絕緣水平,即以避雷器的保護(hù)水平為基礎(chǔ)來確定設(shè)備的絕緣水平。此時(shí),設(shè)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(shí)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(dǎo)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(gè)波過程。雷電流在導(dǎo)線上的傳播是一個(gè)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(dāng)高。雷直擊于輸電線路導(dǎo)線時(shí),近似等于沿主放電通道襲來一個(gè)電流波I。由于雷擊輸電線路后,電流波將向線路的兩側(cè)流動,導(dǎo)線被擊點(diǎn)的過電壓為UA=IZ/2,其中Z為導(dǎo)線的波阻抗。如Z=400Ω,則當(dāng)I=30kA時(shí),過電壓可高達(dá)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(shí)際波阻抗為60～100Ω。

(3)雷云中可能存在幾個(gè)電荷中心。在第一個(gè)電荷中心完成上述放電過程之后,可引起第2、第3個(gè)中心向第一個(gè)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(shí)間約0.6ms～0.8s(平均為65ms),放電的數(shù)目平均為2～3個(gè),最多記錄到42個(gè)。第2次及以后的放電,由于是沿著每一放電的游離通道進(jìn)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(shí)在導(dǎo)線或電氣設(shè)備上形成過電壓。雷電過電壓分直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩類。雷電直擊于電網(wǎng)(導(dǎo)線、設(shè)備等)時(shí)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(shè)備都可能產(chǎn)生危險(xiǎn)。雷擊于大地或其他目的物時(shí),在附近的導(dǎo)線或電氣設(shè)備上形成的過電壓稱感應(yīng)雷過電壓。感應(yīng)雷過電壓通常只對35kV及以下電壓等級的線路和設(shè)備構(gòu)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(yù)計(jì)電網(wǎng)各種規(guī)模的220kV變電站將達(dá)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(shè)備的過電壓保護(hù)和裝配式設(shè)備相同,均采用金屬氧化物避雷器(216/562kV)保護(hù)。避雷器的配置位置分為2類:

(1)有母線時(shí)配置母線避雷器,在主變回路近主變側(cè)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(shí),在220kV進(jìn)線側(cè)配置避雷器。

4.相關(guān)規(guī)程規(guī)定

目前,GIS設(shè)備在該市電網(wǎng)中已經(jīng)有了廣泛的使用。但是,由于GIS設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊,價(jià)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(fù)性,所以在絕緣配合上應(yīng)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(hù)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(shè)備的絕緣水平,即以避雷器的保護(hù)水平為基礎(chǔ)來確定設(shè)備的絕緣水平,因此GIS變電站避雷器的位置配置對GIS設(shè)備的保護(hù)至關(guān)重要。關(guān)于GIS變電所的雷電侵入波過電壓的保護(hù)對避雷器位置配置的要求,在《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》(DL/T620-1997)標(biāo)準(zhǔn)中的7.4條有專門論述。按照上述標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定,目前該市220kVGIS變電站的避雷器配置位置必須進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

5.避雷器的位置配置

5.1.架空進(jìn)線

圖1 無電纜段進(jìn)線的GIS變電所保護(hù)接線

DL/T620-1997規(guī)程規(guī)定:66kV及以上進(jìn)線無電纜段的GIS變電所,在GIS管道與架空線路的連接處,應(yīng)裝設(shè)金屬氧化物避雷器(FMO1),其接地端應(yīng)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(yàn),裝一組避雷器即能符合保護(hù)要求,則圖2中可只裝設(shè)FMO1。連接GIS管道的架空線路進(jìn)線保護(hù)段的長度應(yīng)不小于2km。為了能經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shè)計(jì)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(shí),線路還不可避免地受到感應(yīng)雷過電壓。所以變電站電氣設(shè)備需考慮由架空輸電線路傳入的雷電侵入波過電壓保護(hù)。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(guān)系到能否有效地保護(hù)站內(nèi)設(shè)備。

(1)當(dāng)220kV架空進(jìn)線經(jīng)常處于熱備用狀態(tài)時(shí),GIS設(shè)備內(nèi)的隔離開關(guān)均處于閉合狀態(tài),斷路器處于斷開位置。如果此時(shí)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(yùn)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(shí)跳閘。雖然架空線路通常配置有重合閘保護(hù),在0.3s后重合,但是在重合閘之前,線路相當(dāng)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(jìn)線,應(yīng)在線路側(cè)裝設(shè)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(jìn)線有電纜段的GIS變電所,在電纜段與架空線路的連接處應(yīng)裝設(shè)金屬氧化物避雷器(FMO1),其接地端應(yīng)與電纜的金屬外皮連接。對三芯電纜,末端的金屬外皮應(yīng)與GIS管道金屬外殼連接接地,如圖3(a)所示;對單芯電纜,應(yīng)經(jīng)金屬氧化物電纜護(hù)層保護(hù)器(FC)接地,如圖 3(b)所示。

(a)三芯電纜段進(jìn)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(jìn)線

圖3有電纜段進(jìn)線的GIS變電所保護(hù)接線的參考值,或雖超過,但經(jīng)校驗(yàn),裝一組避雷器即能符合保護(hù)要求,圖3中可不裝設(shè)FMO2。對連接電纜段的2km架空線路應(yīng)架設(shè)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(zhuǎn)接處通常配置有避雷器,但是在電纜和GIS的連接處不裝設(shè)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(jìn)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(jìn)線全長為電纜的GIS變電所內(nèi)是否需裝設(shè)金屬氧化物避雷器,應(yīng)視電纜另一端有無雷電過電壓波侵入的可能,經(jīng)校驗(yàn)確定。根據(jù)上述條款,全線電纜進(jìn)線可以不配置進(jìn)線避雷器。

結(jié)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(hù),對于特殊情況下,如超長電纜對操作過電壓和暫時(shí)過電壓的保護(hù),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(jìn)行專門的過電壓計(jì)算后才能確定。

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