水力發電廠GIS升壓站雷電侵入波阻礙電抗器研究

劉守豹，侯俊宏，方 圓，李 欣，楊 劍

(1.大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 廣元 628400)

0 引 言

水力發電廠多位于高山峽谷地理條件區域，由于地形地貌復雜，其送出線路雷擊概率較高[1-2]。

同時，水力發電廠因地理位置和空間受限的原因，多采用GIS進行全封閉設計，在實際運行過程中，GIS熱備斷路器斷口或其他部件因雷擊或多重雷擊發生損壞的情況時有發生[3-6]。

由于GIS管道的波阻抗極小(只有同電壓等級

架空輸電線路的1/12～1/15)，侵入GIS內的雷電波在管道內來回反射，會形成陡度較高的過電壓[7-9]。對于分斷狀態的GIS斷路器，雷電侵入波在斷路器斷口處形成的過電壓幅值將因為發生反射而達到侵入過電壓的2倍，嚴重威脅了GIS的安全運行[10]。對于GIS升壓站的雷電侵入波防治，通常的做法是使用在戶外場安裝出線間隔避雷器[11-16]。如果戶外場與GIS斷路器之間的管道過長且中間沒有GIS罐式避雷器，將使升壓站防雷問題復雜化。

下面從某水電廠發生的一起GIS雷電擊穿故障入手，設計了一種雷電侵入波阻礙電抗器，通過與站用避雷器配合，防止雷電侵入波損壞升壓站設備。為驗證該思路的有效性，基于ATP-EMTP建立了電磁暫態仿真分析模型，對不同運行方式下雷電侵入波過電壓幅值、各種防雷措施的有效性、阻斷電容器電磁特性等進行仿真計算。研究成果對于雷擊故障頻發的發電廠GIS升壓站的防雷工作具有重要參考價值。

1 某水力發電廠GIS雷擊故障情況

水力發電廠總裝機為容量1100 MW(4×275 MW)，主接線為三角形接線，單回500 kV出線接入電網變電站。發電廠升壓站為GIS室內站，戶外場以后均采用GIS管道形式布置，水力發電廠GIS升壓站主接線見圖1。

圖1 GIS升壓站接線

事故發生時，發電廠出現強雷雨天氣，送出線路走廊有大量雷電活動。首先出現的是C相高阻接地，接地故障觸發縱聯差動保護，繼而C相斷路器1、斷路器2同時跳閘，斷路器斷口開斷，C相導線處于電位懸浮狀態。接著，架空線C相導線遭受雷擊，雷電侵入波通過線路進入戶外場，出線間隔避雷器動作，電壓互感器記錄到的過電壓幅值為1298 kV，而避雷器20 kA標稱放電電流下沖擊殘壓為1065 kV，這表明雷電侵入波電流幅值超過了20 kA，為大幅值雷電流引起的侵入波。最后，C相斷路器1、斷路器2重合閘，合閘瞬間C相金屬性接地，斷路器1、斷路器2三相同時跳閘，故障錄波情況見圖2。經查，GIS出線管道氣室支柱絕緣子發生擊穿，如圖3所示，該絕緣子位于管道預留高抗引線位置，此處導體結構比較復雜，電場畸變，是GIS絕緣的薄弱點。

圖2 水力發電廠故障錄波

圖3 故障點放電情況

從上面的分析可知，雷電侵入波是在線路跳閘斷路器斷口分開的情況下侵入的，雖然在電壓互感器處測得的過電壓幅值為1298 kV，但是在GIS管道內斷路器斷口處形成的入射與反射電壓疊加幅值應遠大于該數字。

2 GIS升壓站模型的建立

采用ATP-EMTP建立水力發電廠雷電侵入波分析模型，如圖4所示，其中戶外場出線間隔避雷器型號為Y10W-444/1015，戶外場一次設備二分裂連接線型號為2×LGJQT-1400/35。架空線1號桿塔類型為5A-ZM1直線酒杯塔，1號桿塔距離升壓站戶外場300 m，500 kV導線型號為4×LGJ-400/50，地線型號為GJ-70，絕緣子串為28片XP-160型絕緣子，線路檔距為500 m，桿塔接地電阻為2 Ω，雷電流波形采用1．2/50 μs單極脈沖波。500 kV GIS額定雷電沖擊耐受電壓(1．2/50 μs)相對地為1675 kV，斷口為2125 kV，GIS管道由單芯電纜模擬。為了便于分析，在故障點和2號斷路器分別設置電壓觀測點1和觀測點2。

圖4 GIS升壓站雷電侵入波分析模型

圖5 30 kA雷電流繞擊1號桿塔A相導線時觀測點電壓波形

圖6 30 kA雷電流繞擊1號桿塔A相導線時避雷器電流波形

采用30 kA的雷電流繞擊1號桿塔A相導線，此種情況下由于雷擊點離升壓站出線避雷器較近，不會發生線路絕緣子串擊穿。分別對1、2號斷路器合閘和分閘兩種情況下的過電壓進行計算，得到電壓波形如圖5所示，避雷器電流情況如圖6所示。

從圖5和圖6可知，1、2號斷路器合閘時，在雷電侵入波傳播路徑上，戶外場避雷器、兩組GIS避雷器均動作，使得觀測點電位得到有效限制，未出現超過GIS耐受電壓幅值的過電壓；在1、2號斷路器分閘情況下，雖然戶外場避雷器動作且釋放的雷電流幅值較大，但是由于侵入波在短路斷口的反射，觀測點處仍然出現了高幅值的過電壓。

3 常規治理措施有效性分析

以1、2號斷路器開斷情況為分析對象，用30 kA雷電流繞擊1號桿塔A相導線，采用加裝戶外場避雷器和在1號桿塔加裝線路避雷器兩種常規治理措施，考察治理措施的有效性。

3.1 加裝戶外場避雷器

在原有戶外場避雷器附近加裝一組同型號站用避雷器，與原有避雷器一起削弱雷電侵入波能量，兩組避雷器分相并聯排列，忽略兩組避雷器之間的電氣距離。計算得到電壓電流波形如圖7所示。

圖7 加裝戶外場避雷器后的電壓電流波形

從圖7可知，采用兩組戶外場避雷器的方式在一定程度上能夠有效削弱GIS管道內和斷路器斷口的電壓幅值，但是降低的效果并不明顯，過電壓幅值在GIS耐受電壓附近。從兩組避雷器A相電流波形可知，靠近GIS的避雷器吸收的能量大于靠近線路側的避雷器吸收的能量，表明大量的雷電流能量進入GIS是管道內過電壓幅值高的根本原因。

3.2 在1號桿塔加裝線路避雷器

在1號桿塔A相安裝型號為YH20CX1-396/1050的線路避雷器，在30 kA雷電流繞擊1號桿塔A相導線時，觀測點電壓及避雷器電流情況如圖8所示。

圖8 加裝線路避雷器后的電壓電流波形

從圖8可知，線路避雷器在雷擊后釋放了大量雷電流能量，但仍有較高幅值的雷電流侵入升壓站，導致觀測點電壓幅值接近其額定耐受值。通過加裝戶外場避雷器和在1號桿塔加裝線路避雷器都可以在一定程度上降低GIS管道和斷路器斷口的侵入波過電壓幅值，但是效果并不顯著。

4 雷電侵入波阻礙電抗器及其防雷效果

為了徹底解決水力發電廠GIS升壓站雷電侵入波導致的設備損壞問題，需要采用更加嚴格的防雷措施。根據電抗對高頻電流的阻礙作用，提出了一種雷電侵入波阻礙電抗器與避雷器配合使用的防雷思路。

4.1 設計思路及分布參數模型

雷電侵入波阻礙電抗器不是阻波器，阻波器是為電力載波通信提供信號通道的電抗器，其結構高度較低且首尾兩端并聯了保護避雷器以便在雷電沖擊下及時釋放雷電侵入波能量[17]。因此，常規電力通信領域使用的阻波器不能直接用于阻礙雷電侵入波。

為了能夠有效防止雷電侵入波，需要在阻波器的基礎上做兩點改造：一是增加電抗器的結構高度；二是減小線圈匝數以降低電抗器重量。所設計的電抗器結構圖如圖9所示，電抗器分內外兩層，其中每匝導線由兩個銅排并聯，每層線圈有28匝導線。銅排尺寸為40 mm×10 mm，每匝線圈中兩個銅排的間隙距離為10 mm，上下兩匝線圈之間的間隙距離為40 mm，內層線圈的內徑為360 mm，內外層線圈之間的間距為30 mm，電抗器結構高度為2200 mm。

圖9 電抗器尺寸參數(單位：mm)

將電抗器等分為7個單元，在ATP-EMTP中建立電抗器分布參數模型，如圖10所示，其中各單元的對地電容和自感、相鄰單元互容以及跨越一個單元的兩單元間的互容通過有限元計算方式提取，跨越多個單元的兩單元間的互容由于數量急劇下降而忽略。

在有限元軟件中建立仿真模型對分布參數進行提取，如圖11所示；計算得到相關參數如表1所示。

圖10 電抗器的分布參數模型

圖11 電抗器參數提取有限元計算模型

表1 各單元的電容、電感參數(僅列出單元1-單元7)

如圖12所示，在實際使用過程中，電抗器安裝在門型架上(與載波通信電抗器類似)，在阻波器線路側、站內側各安裝一組避雷器。

圖12 雷電侵入波阻礙電抗器安裝示意

4.2 雷電侵入波阻礙電抗器效果分析

采用30 kA雷電流繞擊1號桿塔A相導線，桿塔未安裝線路避雷器，此種情況下A相絕緣子串未擊穿，電壓電流波形如圖13所示。

圖13 采用侵入波阻礙電抗器后的電壓電流波形

圖14 侵入波阻礙電抗器工作時電位分布

從圖13可知，在加裝阻礙電抗器后，GIS管道內和斷路器斷口處的雷電侵入波過電壓幅值大幅降低，實現了過電壓安全防護；從避雷器電流波形可知，阻礙電抗器的使用讓靠近線路側的避雷器能夠更多地釋放來自線路側的雷電能量，使侵入升壓站的能量大幅降低，減輕了靠近站內的戶外場避雷器的能量釋放負擔。

阻礙電抗器自身的電位分布情況見圖14，在所述雷電流作用下，其兩個引線端電位差最大值為1150 kV，在雷電流沖擊下不會發生電抗器首尾或內部放電的問題。

5 結 語

1)水力發電廠GIS升壓站因戶外場到開關站的管道過長，在斷路器處于開斷狀態下遭受雷擊，容易發生雷電侵入波在斷路器斷口處發生反射，使戶外場避雷器無法及時吸收雷電能量的情況，在侵入波雷電流過大時，易發生設備擊穿故障。

2)簡單采用加裝戶外場避雷器或在1號桿塔安裝線路避雷器的方式，難以大幅削減進入GIS的雷電流能量，對侵入波過電壓的防治效果有限，無法滿足GIS斷路器開斷情況下的防雷要求。

3)通過采用雷電侵入波阻礙電抗器和站用避雷器配合，利用雷電流侵入升壓站時在電抗器首端形成的高電位，強制實現線路側避雷器對雷電流能量的大量釋放，使得進入升壓站的雷電能量大幅減小，達到了防止GIS管道和斷路器斷口擊穿的目的。