关于220kV及以下GIS变电站避雷器正确配置的探讨

王 硕

（自贡华能电器有限公司，四川 自贡 643000）

1.220kV及以下电气设备绝缘配合原则

系统运行中出现于设备绝缘的过电压有3种,即暂时过电压(工频过电压、谐振过电压)、操作过电压和雷电过电压。绝缘击穿是造成电力系统停电的主要原因之一。因此,减少绝缘事故对提高系统运行可靠性有重大意义。绝缘配合就是根据各种电压(工作电压和过电压)和保护装置的特性来确定电网中设备和线路的绝缘水平(耐受电压的能力)。绝缘配合的原则一般是指综合考虑系统中可能出现的各种作用电压、保护装置特性以及设备的绝缘特性来确定设备的绝缘水平,从而使设备绝缘的故障率或停电事故率降低到经济上和运行上可以接受的水平。对于不同电压等级的系统,配合原则上有所区别。220kV及以下系统一般以大气过电压确定设备的绝缘水平,即以避雷器的保护水平为基础来确定设备的绝缘水平。此时,设备在通常情况已能耐受过电压的作用,因此一般不再专门采用限制内过电压(暂时过电压和操作过电压)的措施。

2.雷电过电压的特征

雷电放电是雷云对大地或雷云之间或雷云内部的放电现象。对电力工程而言,雷击输电线路仍然是导致其跳闸的主要原因之一。雷电过电压主要有以下特征:

(1)雷电流是一个波过程。雷电流在导线上的传播是一个波的传播过程。雷电波在传播过程中,遇到不同的介质会有反射和折射现象。其反射系数αu和折射系数βu有以下规律:

αu=2×Z2/(Z1+Z2),(0≤αu≤2)(1)

βu=(Z2-Z1)/(Z1+Z2),(-1≤βu≤1)(2)

式中Z1----波传播介质1的波阻抗;Z2----波传播介质2的波阻。极端情况下,若末端开路(Z2=∞),则ɑu=2,βu=1,线路末端电压U1=2U1+(U1+为入射波电压),电流i1=0,即U1+在开路的末端发生全反射,使末端至反射波波及之处,线路电压上升到入射波的两倍,而电流下降到零。

(2)雷电流产生的过电压相当高。雷直击于输电线路导线时,近似等于沿主放电通道袭来一个电流波I。由于雷击输电线路后,电流波将向线路的两侧流动,导线被击点的过电压为UA=IZ/2,其中Z为导线的波阻抗。如Z=400Ω,则当I=30kA时,过电压可高达6000kV。一般架空线路的波阻抗Z=500Ω,电力电缆的波阻抗介于几欧姆到几十欧姆之间,GIS的实际波阻抗为60～100Ω。

(3)雷云中可能存在几个电荷中心。在第一个电荷中心完成上述放电过程之后,可引起第2、第3个中心向第一个中心放电,因此雷云放电通常是多重性的,每次放电相隔离时间约0.6ms～0.8s(平均为65ms),放电的数目平均为2～3个,最多记录到42个。第2次及以后的放电,由于是沿着每一放电的游离通道进行的,所以能自上向下顺利连续发展,而且放电电流一般较小,不超过50kA,但电流陡度大大增加。

(4)雷云放电时在导线或电气设备上形成过电压。雷电过电压分直击雷过电压和感应雷过电压两类。雷电直击于电网(导线、设备等)时产生的过电压称直击雷过电压。直击雷过电压对任何电压等级的线路和设备都可能产生危险。雷击于大地或其他目的物时,在附近的导线或电气设备上形成的过电压称感应雷过电压。感应雷过电压通常只对35kV及以下电压等级的线路和设备构成威胁。

3.某市220kVGIS变电站避雷器配置现状

目前该市电网已有220kV变电站约60座,根据规划,到2020年,预计电网各种规模的220kV变电站将达到140座。按照变电站规模的划分,该市电网内220kV变电站分为中心变电站、中间变电站和终端变电站。按照配电装置类型分类,可分为装配式变电站和GIS变电站。目前该市GIS变电站中,对GIS设备的过电压保护和装配式设备相同,均采用金属氧化物避雷器(216/562kV)保护。避雷器的配置位置分为2类:

(1)有母线时配置母线避雷器,在主变回路近主变侧配置避雷器,各出线(架空、电缆)回路不再配置避雷器。(2)终端变电站没有220kV母线时,在220kV进线侧配置避雷器。

4.相关规程规定

目前,GIS设备在该市电网中已经有了广泛的使用。但是,由于GIS设备的结构紧凑,价格比较昂贵,且内部一旦发生电晕将立即击穿,其绝缘没有自恢复性,所以在绝缘配合上应留有足够的裕度,以保证包括母线在内的整套GIS装置的过电压保护具有较高的可靠性。

鉴于220kV及以下系统一般以大气过电压确定设备的绝缘水平,即以避雷器的保护水平为基础来确定设备的绝缘水平,因此GIS变电站避雷器的位置配置对GIS设备的保护至关重要。关于GIS变电所的雷电侵入波过电压的保护对避雷器位置配置的要求,在《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)标准中的7.4条有专门论述。按照上述标准中的规定,目前该市220kVGIS变电站的避雷器配置位置必须进行适当调整。

5.避雷器的位置配置

5.1.架空进线

图1 无电缆段进线的GIS变电所保护接线

DL/T620-1997规程规定:66kV及以上进线无电缆段的GIS变电所,在GIS管道与架空线路的连接处,应装设金属氧化物避雷器(FMO1),其接地端应与管道金属外壳连接,如图1所示。若变压器或GIS一次回路的任何电气部分至FMO1间的最大电气距离不超过规定参考值(66kV,50m;110 及 220kV,130m),或虽超过,但经校验,装一组避雷器即能符合保护要求,则图2中可只装设FMO1。连接GIS管道的架空线路进线保护段的长度应不小于2km。为了能经济地输送大容量电能,目前该市的220kV采用GIS的中心变电站和中间变电站通常有多回架空进线,按照前文所述避雷器的配置位置,显然不符合上述规程的规定。是否在今后的GIS变电站设计中按照该规定执行,有必要分析该规程规定的初衷。目前220kV架空线路通常配置避雷线,但还是存在一定的雷电绕击率,造成线路的直击雷过电压。同时,线路还不可避免地受到感应雷过电压。所以变电站电气设备需考虑由架空输电线路传入的雷电侵入波过电压保护。限制侵入雷电过电压的手段就是配置避雷器,所以避雷器配置位置是否正确,关系到能否有效地保护站内设备。

(1)当220kV架空进线经常处于热备用状态时,GIS设备内的隔离开关均处于闭合状态,断路器处于断开位置。如果此时GIS受到线路侵入雷电过电压影响,由于雷电流的波特性,侵入的雷电波在断路器的端口发生全反射,断路器断口的电压上升到入射雷电波电压的2倍,如此高的电压可以造成断路器的绝缘击穿乃至爆炸。

(2)运行的220kV架空线路如果受到首次雷击,通常会造成断路器瞬时跳闸。虽然架空线路通常配置有重合闸保护,在0.3s后重合,但是在重合闸之前,线路相当于处于热备用状态,若发生二次雷云放电再次侵入GIS的现象,也会造成(1)中的情况。上述情况在国内其他地区电网中已有发生。所以对于220kVGIS变电所的架空进线,应在线路侧装设避雷器。

5.2.电缆架空混合出线

DL/T620-1997规程规定:66kV及以上进线有电缆段的GIS变电所,在电缆段与架空线路的连接处应装设金属氧化物避雷器(FMO1),其接地端应与电缆的金属外皮连接。对三芯电缆,末端的金属外皮应与GIS管道金属外壳连接接地,如图3(a)所示;对单芯电缆,应经金属氧化物电缆护层保护器(FC)接地,如图 3(b)所示。

(a)三芯电缆段进线

电缆末端至变压器或GIS一次回路的任何电气部分间的最大电气距离不超过前文5.1中

(b)单芯电缆段进线

图3有电缆段进线的GIS变电所保护接线的参考值,或虽超过,但经校验,装一组避雷器即能符合保护要求,图3中可不装设FMO2。对连接电缆段的2km架空线路应架设避雷线。220kV电缆为单芯式。目前的220kV架空电缆混合线路,在架空线和电缆线的转接处通常配置有避雷器,但是在电缆和GIS的连接处不装设避雷器。鉴于GIS仍旧有可能受到雷电波过电压的侵入,所以在进线端仍有必要配置避雷器。

6.全电缆出线

DL/T620-1997规程规定:进线全长为电缆的GIS变电所内是否需装设金属氧化物避雷器,应视电缆另一端有无雷电过电压波侵入的可能,经校验确定。根据上述条款,全线电缆进线可以不配置进线避雷器。

结语。本文对避雷器配置的分析主要考虑了220kVGIS变电站对线路侵入雷电过电压的保护,对于特殊情况下,如超长电缆对操作过电压和暂时过电压的保护,还必须考虑其他措施,如配置并联高抗等。在特殊工程中需进行专门的过电压计算后才能确定。

[1]《DL/T596-1996电力设备预防性试验规程》〔M〕中国电力出版社,1997.