小浪底水电厂220 kV母线避雷器优化研究

陈红梅，李雅萍，蒋建虎，唐新文

（1.洛阳理工学院，河南 洛阳 471003；2.小浪底建设管理局水力发电厂，河南 洛阳 471003）

0 引言

小浪底水电厂黄河变220 kV开关站母线为双母双分段带旁路结构，开关站电气设备布置方式为露天布置，母线为双分裂的软母线。母线所带的避雷器为抚顺电瓷厂生产的Y10W1—216/562型氧化锌避雷器，避雷器顶部采用90°线夹与引线相联，导线向上延伸大约60 cm然后下降至与避雷器顶部等高，再与邻近电压互感器顶部相连。由于受安装场地的限制，母线与避雷器顶部引线的距离只有2.6 m。根据DL408—91《电业安全工作规程—发电厂和变电所电气分部》第12条和第68条规定，220 kV开关站工作人员正常活动范围与带电设备的安全距离为3 m。为保证检修时有足够的安全距离，每次检修避雷器时需要将母线停电，既增加了由于倒闸操作带来的安全风险，又延长了检修作业时间。通过现场勘察发现，如果将母线避雷器与导线的连接方式改为水平连接，则能有效降低导线的高度，从而增加导线与母线的电气距离，使检修避雷器时具有足够的安全距离，检修时母线就不再需要停电。这样不仅能提高检修工作效率，还将减少事故发生的概率。

要将母线避雷器与导线连接方式由垂直连接改为水平连接，就必须针对其可行性进行研究和分析。接线方式的改变对避雷器的影响主要表现在2个方面：①避雷器周围，主要是均压环周围电场强度的分布发生变化，均压环表面电场强度可能增加，从而增加均压环与避雷器底座部位发生闪络的概率；②改变接线方式会影响避雷器引线的弧垂和应力分布。

通过对引线力学和避雷器周围电场强度的分析，提出了4种可能的改造方案，为方便分析，结合现场实际情况，选取了以下假设条件：避雷器型号参数不改变；计算引线力学特性时，忽略引线的刚性和弯曲力矩，将引线视为悬链线进行计算；在求解场的电势函数时采用电场有限元计算方法。

1 原安装方式电场强度分析

1.1 计算模型

根据现场测量和厂家提供的数据，避雷器的三维模型如图1所示。该模型沿导线轴线的剖面具有对称性，其空间电场分布沿剖面也具有对称性，因而，为减小计算量，在建立有限元计算模型时可只建立该模型的1/2。剖分后的有限元计算模型如图2所示。

图1 避雷器三维模型

图2 有限元计算模型的剖分

1.2 加载与求解

本项目所采用的避雷器型号为Y10W1-216/562 W型，根据制造厂家提供的参数，其标称冲击电流的残压为562 kV，陡波冲击电流残压为630 kV。

根据GB11032—2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》第2.40条的规定：避雷器的雷电过电压保护水平取以下两项的较大者，①陡波冲击下的最大残压除以1.15；②标称放电电流下的最大残压。据此，Y10W1—216/562W型避雷器的雷电保护水平应为562 kV。根据GB 311.1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》第5条关于设备绝缘水平的相关规定，220 kV等级电气设备的额定冲击耐受电压的标准值为950 kV。

在计算避雷器周围电场分布时的加载方法为：避雷器、引线及避雷器接线板的电压等于避雷器的雷电保护水平，即562 kV；设两节避雷器瓷套间的连接导体为等位体；大地及与大地相连的避雷器金属支架的电位为0。

1.3 计算结果

采用电磁场有限元法进行计算，计算结果表明，电场强度最大值分布在均压环表面远离导线的位置，其最大电场强度约为2 745 kV/m；电场强度最小值分布在正对导线的位置，其值约为2 195 kV/m。则沿均压环表面电场强度分布的不平衡度约为11.1%。

2 不同改造方案电场强度计算分析

分别采用0°接线夹 （方案一）、30°接线夹 （方案二）、竖直接线板和0°接线夹 （方案三）方式计算避雷器周围电位及电场强度分布、沿均压环下表面圆周方向电场强度分布曲线。同时，对增加均压导体半径 （方案四）分析计算，即设避雷器引线的接线方式与改造方案一的接线方式相同，改变均压导体的半径，分别计算避雷器周围电场强度分布，找出改造后均压环表面电场强度小于或等于改造前均压环表面电场强度的半径值。

2.1 改造可行性的理论分析

从改造前后避雷器周围电场分布的计算结果可知，对于空间任一点，改造前后电场强度值不同，但空间电场强度的大小分布规律并没有改变，电场强度最大值均出现在均压环表面远引线的位置，即图3中的A点，又由于该点距避雷器底座B点最近，因而，如果母线遭受雷击，发生空气击穿概率最高的点为A、B两点。

图3 易发生击穿部位示意 （电场强度单位：kV/m）

表1为雷电冲击下的电压下的均压环表面最大电压值，其中最大值约为2 824 kV/m，小于雷电冲击预放电电压值。根据电场的线性关系，工频电压下均压环表面的最大场强 （有效值）约为1 105kV/m；取操作过电压倍数为1.8，操作过电压时均压环的最大表面电场强度约为1 625 kV/m。

由表1中的计算结果可知，改造前后均压环表面电场强度最大值不超过3 000 kV/m，在避雷器的保护水平内，均压环表面的最大电场强度小于临界电晕电场强度值，不会发生电晕现象，更不会发生空气击穿的现象。

表1 改造前后均压环表面电场强度最大值对比

由以上分析可知，从理论上分析避雷器接线方式的几种改造方案均不会发生空气击穿现象。

2.2 相关实验数据分析

气体放电实验研究一般选用几种有代表性的实验，如棒—棒、棒—板、环—环等，实际工程应用中往往采取比拟的方法确定安全间隔。由长气隙和绝缘子的工频50%击穿电压与气隙距离的关系曲线和气隙的冲击击穿电压与距离的关系曲线可知，气隙间隔为2.4 m时，无论是工频还是冲击电压，气隙的击穿电压均大于1 000 kV，而本改造项目的最大陡波冲击残压为630 kV。由此，在避雷器正常工作的情况下不会发生空气击穿现象。

2.3 相关标准分析

GBJ149—1990《电气装置安装工程母线装置施工及验收规范》第2.1.13条中关于220 kV室外配电装置的安全净距离规定为：带电部分至接地部分间距＞1.8 m；不同相带电部分之间的距离＞2 m；交叉的不同时停电检修的无遮栏带电部分之间的距离＞2.55 m；无遮栏裸导体至地面之间的距离＞4.3 m。

本改造项目中，距接地部分 （避雷器底座）最近的带电导体为均压环，其间距约为2.4 m；不同相的带电部分为两相避雷器，其间距大于4 m；交叉的不同时停电检修的无遮栏带电部分主要为避雷器引线与上空的母线，其间距在改造前大约为2.6 m，改造后大约为3 m；距地面最近的无遮栏的祼导体指均压环，其距地面的距离约为4.96 m。据此，本项目改造后的各项安全距离均符合GBJ149—1990的规定。

2.4 避雷器沿面放电分析

避雷器改造后，瓷套表面有些部位的电场强度有所增加，有些部位的电场强度有所减小，其综合效果并不会增加沿面闪络的可能性。

根据沿面闪络的长度与电压关系的实验结果，在工频、高频或冲击电压下，随着闪络长度的增加，闪络电压具有饱和趋势。本避雷器的爬距为6 m，其闪络电压具有明显的饱和现象，其表面电场强度的改变对其闪络电压的影响很小。本避雷器的干弧距离大约为2 m，爬距为6 m，沿面平均电场强度远小于干弧间隙的平均电场强度值，根据实际运行和实验结果，对于干净的绝缘子，干弧闪络发生的概率总是高于沿面闪络。

3 不同改造方案引线力学计算分析

综合小浪底水力发电厂黄河变220 kV开关站所处位置多年气候条件，按照温度-25℃、风速25 m/s、覆冰厚度为10 mm的最恶劣气象条件 (如温度、刮风、覆冰等)，计算不同条件下放线时的弧垂度。 分别采用0°接线夹 （方案一）、30°接线夹 （方案二）、竖直接线板和0°接线夹 （方案三）方式计算不同气象条件下最大弧垂度和应力 （由于方案四通过增加均压导体半径，有利于保证导线在一定的弧垂度和应力要求范围内，故不作另外计算），确保在最恶劣气象条件下，导线所产生的水平拉力不超过其机械强度限值。本改造项目中所使用的避雷器型号为Y10W1—216型，根据GB11032—2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》第6.16.1条的规定，该型号避雷器顶端所承受的导线最大允许水平拉力为980 N。避雷器联接导线在放线时必须确保在最恶劣气象条件下，导线所产生的水平拉力小于980 N。设本项目中最恶劣下气象条件为：最低温度-25℃，风速25 m/s，覆冰厚度为10 mm， 以此为基础，计算不同条件下放线时的弧垂度和应力大小。由此计算不同温度时的水平拉力值，水平拉力值随温度升高而减小。本项目结合3种改造方案分别分析了不同温度的水平拉力。见表2所示。

表2 不同温度下导线水平拉力

由计算结果可知，方案一、二、三中导线在最恶劣气象条件下所产生的水平拉力为980 N，其他气象条件下对避雷器顶部的水平拉力均小于980 N，这样可确保避雷器机械性能的安全。

4 结语

从理论、国家相关标准规范、实际设计及高压实验等方面综合分析，本文所提出的几种避雷器引线改造方案均在安全范围内，改造方案均是可行的，各方案的优选顺序为：方案四～方案三～方案二～方案一。其中，方案四的接线方式与方案一相同 （采用0°线夹），同时须增加均压环导体的半径 （半径须大于4.3 cm）。其屏蔽效果优于改造前，但避雷器与均压环是成套生产的，所需均压环必须订制，增加了改造的成本。