枕头坝一级水电站500 kVGIS雷电过电压的分析研究

陈丹燕，王　勇，刘　涛

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

枕头坝一级水电站500 kVGIS雷电过电压的分析研究

陈丹燕，王勇，刘涛

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

摘要：枕头坝一级水电站高压配电装置采用500 kV GIS设备，其接线方案为四角形接线。为了研究这一接线的防雷保护方案，本文采用PSCAD/EMTDC程序计算分析了该电站500 kV GIS的雷电侵入波保护，考虑了不同运行方式、不同雷击点的情况，还计算分析了杆塔冲击接地电阻、避雷器的配置及参数对保护效果的影响，最后提出了可用于工程的避雷器配置方案。

关键词：雷电；侵入波；避雷器；冲击接地电阻

枕头坝一级水电站位于四川省乐山市金口河区的大渡河中游干流上。电站总装机容量为4×180MW，出线电压等级为500 kV，发电机电压侧采用发电机-变压器组单元接线方式，高压侧采用联合单元与四角形接线方案。

500 kV开关站由于其电气设备设置复杂，而且在系统中处于重要位置，从可靠性和技术经济性出发，需对本电站的雷电侵入波进行研究，从而确定避雷器的配置方案，以保证电站的安全经济运行。为此我院联合清华大学对该电站进行过电压研究，采用PSCAD/EMTDC程序计算分析了枕头坝一级水电站500 kVGIS的雷电侵入波保护。计算中考虑了不同运行方式、不同雷击点的情况，不同杆塔冲击接地电阻、避雷器的设置及参数对保护效果的影响。

1　计算参数

1.1架空线路参数

接入开关站的500 kV线路导线采用LGJ-300 （GB1179）钢芯铝绞线，导线计算外径23.94mm；

按系统额定电压和泄漏比距选择绝缘子串片数，500 kV绝缘子串片数取31片；

第1级杆塔到站内的距离为125m，第2级档距为100m，而以外档距为450m，计算中杆塔接地电阻取不同值进行计算。

1.2设备参数

计算中，变压器、电压电流互感器、隔离开关、接地开关、电抗器及GIS套管等均采用入口电容来等效，见表1。

表1　设备入口电容

本工程在500 kV GIS及两回出线处均配置了避雷器，出线平台线路入口避雷器采用敞开式无间隙氧化锌避雷器，额定电压有效值444 kV，GIS避雷器采用SF6封闭式氧化锌避雷器，额定电压有效值420 kV。500 kV避雷器具体参数见表2。

表2　避雷器参数

电站内主要设备的雷电冲击绝缘水平（BIL）如表3所示。如果考虑出现在设备上的最大过电压与保证冲击耐受电压的配合裕度大于10%，则可以得到对应的各主要设备处允许出现的最大过电压值。

表3　主要设备的雷电冲击绝缘水平（典型值）

1.3计算条件

（1）雷电波侵入

采用雷击线路杆塔发生反击，雷击线路发生绕击作为雷电侵入波。

（2）雷电流参数

采用幅值250 kA，负极性的2.6/50 s雷电流作为雷电反击侵入波，雷电绕击电流根据实际塔形进行计算。

（3）雷击点

不考虑站内杆塔被击中的状况，以杆塔1号和2号为近区雷击点，以杆塔6号为远区雷击点。

（4）工作电压

因为所研究的系统是500 kV级别的，其工作电压对雷电反击有较为明显的影响。仿真计算中考虑线路电压极性与雷电极性相反的最严酷情况。

2　计算结果及分析

2.1主要计算内容

雷电侵入波等值计算电路如图1所示（杆塔没有画出）。计算时主要考虑了如下几方面的内容：不同雷击点的结果比较；运行方式的比较（考虑了4种运行接线方式，包括单线单变、双线单变、单线双变和双线双变）；杆塔冲击接地电阻的影响；避雷器的布置及避雷器参数的影响等。

图1　计算等值电路

2.2计算结果

2.2.1雷击点的比较

在计算过程中考虑电站外2 km的进线段，即在电站外前6基杆塔。其中第1、2基杆塔为近区雷击，第6基杆塔为远区雷击，计算结果如表4。

表4　不同雷击点的计算结果

由表4可知，雷击在1号杆塔上电站内的各设备雷电过电压最大。因为1号杆塔离电站终端门型架最近，雷电波衰减小。其次是雷击在2号杆塔上，2号杆塔不仅离电站很近，而且受避雷线反射抑制波影响很小。其余杆塔离电站较远，因此，雷电波在传播过程中衰减很大，设备过电压较低。在以后的研究中，主要考虑雷击1号杆塔的情况。

2.2.2运行方式的比较

考虑到有些回路停运检修的严重工况，分析时主要研究以下4种较为严重的运行接线方式：单线单变、双线单变、单线双变和双线双变情况。雷击1号杆塔时，对应4种不同运行方式，电站内部各设备处产生的最大过电压值如表5所示。

表5　不同运行方式的计算结果

计算结果表明，电站内各主要设备由于雷电波侵入而遭受的最大过电压峰值会随着运行方式的改变而改变，由表5可以看出，单线单变，双线单变和单线双变运行方式下，设备的过电压都比双线双变情况下严重得多。其中，单线单变运行时主变、GIS、电压互感器的过电压都最严重。所以，单线单变是最严酷的运行工况。以下计算将以过电压最严重的单线单变来计算。

2.2.3杆塔接地电阻的影响

由于雷击第1级杆塔所引起的雷击过电压最高，所以第1级杆塔的接地电阻对雷电过电压的影响最大。以15Ω为默认值，改变第一级杆塔的接地电阻值，运行方式为单线单变，得到的计算结果如表6。

表6　不同接地电阻下雷电过电压

由表6计算结果可以看出，雷电过电压大小与接地电阻大小正相关，即接地电阻越小，过电压越小。因此在工程实践中，尽量降低电站近区杆塔的接地电阻，这样可以提高站内设备的绝缘安全裕度。

2.2.4避雷器的配置和参数的影响

根据本电站接线情况，避雷器安装有多种方案可供选择。在电站内出线、GIS以及主变处均安装避雷器这种配置情况下（方案1），站内设备过电压水平较低，设备运行安全水平较高。

为尽可能降低工程投资，以下对仅安装2组避雷器进行了深入研究。根据接线情况，2组避雷器的位置可以有以下3种方案：出线+GIS（方案2）、GIS+主变（方案3）、出线+主变（方案4）。4种方案下站内雷电过电压值对比计算结果如表7所示。

表7　不同方案下站内雷电过电压

如果仅在站内安装1组避雷器，站内设备运行安全性会进一步降低。由于GIS必须安装避雷器，表8示出了仅安装GIS避雷器方案与安装出线+GIS避雷器的方案相比，过电压幅值明显加大。

表8　只用1组避雷器与方案2比较的结果

由前文可知，在安装3组避雷器时，站内过电压水平较低，设备工作在相当安全的范围内。而当采用方案2时，由于主变没有安装避雷器，相对地主变的过电压较高，但是仍在主变的最大允许电压内。而如果采用方案3，由于出线没有加装避雷器，出线段的过电压很高。方案4同理，会让GIS的过电压过高，由于GIS和主变距离近，关系密切，连带着主变的过电压也很高。但是，无论是方案3还是方案4，所有电压均在安全耐受范围内。综合考虑CVT、GIS、主变的过电压情况，方案4不宜采用。方案2与方案3相较，以方案2为佳。

由表8可知，只在GIS上加装避雷器，出线上的过电压相比起方案2增幅太大，虽然仍在设备冲击电压耐受范围之内，但是不宜采用。这是因为出线避雷器对抑制整个变电站内的雷电过电压有着重要的作用，雷电波从外界侵入电站时首先施加在出线避雷器上，出线避雷器关系到在其之后的整个电站的设备的过电压水平。不安装出线避雷器则整个系统的过电压都升高了，离设备工作的安全阈值过于接近。只安装1个避雷器保护效果不理想。

2.3绝缘配合裕度

不同避雷器布置方案，站内设备绝缘配合水平如表9。

表9　雷电反击绝缘配合裕度

由表9 计算结果可知，当250 kA 雷击时，如果采用方案5，由于主变、出线没有避雷器保护，过电压水平较高，安全裕度系数小。而方案4由于GIS上没有加避雷器保护，影响了整个系统的过电压值，不仅GIS本身安全裕度较小，连带着主变、出线，一起工作在较不安全的范围内。相比起来，方案3和方案2均是比较理想的方案，所有设备的安全裕度均接近在30%左右，设备工作在安全范围内。方案2更好，没有相对薄弱环节。方案3中GIS出线的过电压较高。如果采用3组避雷器，当然能更好的抑制雷电过电压，设备的安全裕度基本超过了30%，可以说是工作在了更安全的环境下。不过，由于方案2的效果已经较为理想，使电站内的主设备均工作在耐受范围内，没有必要再进一步提高设备的安全性，并且再增设避雷器成本增加。综合成本与安全性考虑，建议在实际工程中采用方案2。

3　结论

根据对枕头坝一级水电站500 kV开关站雷电过电压的仿真分析，得出的结论与建议如下：

（1）根据仿真结果，按照方案2，以比较严酷的250 kA雷电电流反击考核站内设备绝缘，站内各主要设备均工作在其耐受电压下，不会发生设备损坏。

（2）进线段杆塔的接地电阻对雷电过电压有很大影响。接地电阻越小，雷电过电压越小。在工程实施中尽量降低第1、第2级杆塔的接地电阻。

（3）如果采用3个避雷器，虽然可以更进一步抑制过电压。但由于方案2已经将过电压控制在耐受范围内，新增避雷器并不能比原设计对过电压有明显的抑制效果，而且新增避雷器将会加大成本。

（4）综合来看，所有安装2组避雷器的方案。方案2是最优方案，可以有效地将站内所有主设备的过电压抑制在安全范围内，并保有一定的安全裕度。最重要的是，该方案并没有非常薄弱的环节。相比起来，只在主变和出线上安装避雷器的方案会让GIS和主变的安全裕度较低；只在主变和GIS上安装避雷器的方案则出线处过电压较高。

（5）如果只用1组GIS上的避雷器，那么，虽然雷电过电压仍在设备耐受值范围内，但是相对的安全系数较小，而且出线过电压很高，不宜采用。

参考文献：

[1]水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册电气一次[M].北京:水利电力出版社,1982.

[2]DL/T 5090-1999水力发电厂过电压保护和绝缘配合[S].

[3]邵昱,余嘉文.超高压变电站雷电过电压仿真及分析[J].陕西电力,2011（8）.

[4]相龙阳,彭春华,刘刚.500 kV变电站雷电过电压的仿真研究[J].电力科学与工程,2011（2）：30-33.

[5]薛艺为.500 kV变电站雷电过电压仿真计算研究[J].电瓷避雷器,2012（5）.

中图分类号：TM86

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）06-0033-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.009

收稿日期：2015-03-18

作者简介：陈丹燕（1981-），女，工程师，从事水电站工程电气专业设计工作。