水力发电厂GIS升压站雷电侵入波阻碍电抗器研究

刘守豹，侯俊宏，方 圆，李 欣，杨 剑

(1.大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁 530007；2.嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 广元 628400)

0 引 言

水力发电厂多位于高山峡谷地理条件区域，由于地形地貌复杂，其送出线路雷击概率较高[1-2]。

同时，水力发电厂因地理位置和空间受限的原因，多采用GIS进行全封闭设计，在实际运行过程中，GIS热备断路器断口或其他部件因雷击或多重雷击发生损坏的情况时有发生[3-6]。

由于GIS管道的波阻抗极小(只有同电压等级

架空输电线路的1/12～1/15)，侵入GIS内的雷电波在管道内来回反射，会形成陡度较高的过电压[7-9]。对于分断状态的GIS断路器，雷电侵入波在断路器断口处形成的过电压幅值将因为发生反射而达到侵入过电压的2倍，严重威胁了GIS的安全运行[10]。对于GIS升压站的雷电侵入波防治，通常的做法是使用在户外场安装出线间隔避雷器[11-16]。如果户外场与GIS断路器之间的管道过长且中间没有GIS罐式避雷器，将使升压站防雷问题复杂化。

下面从某水电厂发生的一起GIS雷电击穿故障入手，设计了一种雷电侵入波阻碍电抗器，通过与站用避雷器配合，防止雷电侵入波损坏升压站设备。为验证该思路的有效性，基于ATP-EMTP建立了电磁暂态仿真分析模型，对不同运行方式下雷电侵入波过电压幅值、各种防雷措施的有效性、阻断电容器电磁特性等进行仿真计算。研究成果对于雷击故障频发的发电厂GIS升压站的防雷工作具有重要参考价值。

1 某水力发电厂GIS雷击故障情况

水力发电厂总装机为容量1100 MW(4×275 MW)，主接线为三角形接线，单回500 kV出线接入电网变电站。发电厂升压站为GIS室内站，户外场以后均采用GIS管道形式布置，水力发电厂GIS升压站主接线见图1。

图1 GIS升压站接线

事故发生时，发电厂出现强雷雨天气，送出线路走廊有大量雷电活动。首先出现的是C相高阻接地，接地故障触发纵联差动保护，继而C相断路器1、断路器2同时跳闸，断路器断口开断，C相导线处于电位悬浮状态。接着，架空线C相导线遭受雷击，雷电侵入波通过线路进入户外场，出线间隔避雷器动作，电压互感器记录到的过电压幅值为1298 kV，而避雷器20 kA标称放电电流下冲击残压为1065 kV，这表明雷电侵入波电流幅值超过了20 kA，为大幅值雷电流引起的侵入波。最后，C相断路器1、断路器2重合闸，合闸瞬间C相金属性接地，断路器1、断路器2三相同时跳闸，故障录波情况见图2。经查，GIS出线管道气室支柱绝缘子发生击穿，如图3所示，该绝缘子位于管道预留高抗引线位置，此处导体结构比较复杂，电场畸变，是GIS绝缘的薄弱点。

图2 水力发电厂故障录波

图3 故障点放电情况

从上面的分析可知，雷电侵入波是在线路跳闸断路器断口分开的情况下侵入的，虽然在电压互感器处测得的过电压幅值为1298 kV，但是在GIS管道内断路器断口处形成的入射与反射电压叠加幅值应远大于该数字。

2 GIS升压站模型的建立

采用ATP-EMTP建立水力发电厂雷电侵入波分析模型，如图4所示，其中户外场出线间隔避雷器型号为Y10W-444/1015，户外场一次设备二分裂连接线型号为2×LGJQT-1400/35。架空线1号杆塔类型为5A-ZM1直线酒杯塔，1号杆塔距离升压站户外场300 m，500 kV导线型号为4×LGJ-400/50，地线型号为GJ-70，绝缘子串为28片XP-160型绝缘子，线路档距为500 m，杆塔接地电阻为2 Ω，雷电流波形采用1．2/50 μs单极脉冲波。500 kV GIS额定雷电冲击耐受电压(1．2/50 μs)相对地为1675 kV，断口为2125 kV，GIS管道由单芯电缆模拟。为了便于分析，在故障点和2号断路器分别设置电压观测点1和观测点2。

图4 GIS升压站雷电侵入波分析模型

图5 30 kA雷电流绕击1号杆塔A相导线时观测点电压波形

图6 30 kA雷电流绕击1号杆塔A相导线时避雷器电流波形

采用30 kA的雷电流绕击1号杆塔A相导线，此种情况下由于雷击点离升压站出线避雷器较近，不会发生线路绝缘子串击穿。分别对1、2号断路器合闸和分闸两种情况下的过电压进行计算，得到电压波形如图5所示，避雷器电流情况如图6所示。

从图5和图6可知，1、2号断路器合闸时，在雷电侵入波传播路径上，户外场避雷器、两组GIS避雷器均动作，使得观测点电位得到有效限制，未出现超过GIS耐受电压幅值的过电压；在1、2号断路器分闸情况下，虽然户外场避雷器动作且释放的雷电流幅值较大，但是由于侵入波在短路断口的反射，观测点处仍然出现了高幅值的过电压。

3 常规治理措施有效性分析

以1、2号断路器开断情况为分析对象，用30 kA雷电流绕击1号杆塔A相导线，采用加装户外场避雷器和在1号杆塔加装线路避雷器两种常规治理措施，考察治理措施的有效性。

3.1 加装户外场避雷器

在原有户外场避雷器附近加装一组同型号站用避雷器，与原有避雷器一起削弱雷电侵入波能量，两组避雷器分相并联排列，忽略两组避雷器之间的电气距离。计算得到电压电流波形如图7所示。

图7 加装户外场避雷器后的电压电流波形

从图7可知，采用两组户外场避雷器的方式在一定程度上能够有效削弱GIS管道内和断路器断口的电压幅值，但是降低的效果并不明显，过电压幅值在GIS耐受电压附近。从两组避雷器A相电流波形可知，靠近GIS的避雷器吸收的能量大于靠近线路侧的避雷器吸收的能量，表明大量的雷电流能量进入GIS是管道内过电压幅值高的根本原因。

3.2 在1号杆塔加装线路避雷器

在1号杆塔A相安装型号为YH20CX1-396/1050的线路避雷器，在30 kA雷电流绕击1号杆塔A相导线时，观测点电压及避雷器电流情况如图8所示。

图8 加装线路避雷器后的电压电流波形

从图8可知，线路避雷器在雷击后释放了大量雷电流能量，但仍有较高幅值的雷电流侵入升压站，导致观测点电压幅值接近其额定耐受值。通过加装户外场避雷器和在1号杆塔加装线路避雷器都可以在一定程度上降低GIS管道和断路器断口的侵入波过电压幅值，但是效果并不显著。

4 雷电侵入波阻碍电抗器及其防雷效果

为了彻底解决水力发电厂GIS升压站雷电侵入波导致的设备损坏问题，需要采用更加严格的防雷措施。根据电抗对高频电流的阻碍作用，提出了一种雷电侵入波阻碍电抗器与避雷器配合使用的防雷思路。

4.1 设计思路及分布参数模型

雷电侵入波阻碍电抗器不是阻波器，阻波器是为电力载波通信提供信号通道的电抗器，其结构高度较低且首尾两端并联了保护避雷器以便在雷电冲击下及时释放雷电侵入波能量[17]。因此，常规电力通信领域使用的阻波器不能直接用于阻碍雷电侵入波。

为了能够有效防止雷电侵入波，需要在阻波器的基础上做两点改造：一是增加电抗器的结构高度；二是减小线圈匝数以降低电抗器重量。所设计的电抗器结构图如图9所示，电抗器分内外两层，其中每匝导线由两个铜排并联，每层线圈有28匝导线。铜排尺寸为40 mm×10 mm，每匝线圈中两个铜排的间隙距离为10 mm，上下两匝线圈之间的间隙距离为40 mm，内层线圈的内径为360 mm，内外层线圈之间的间距为30 mm，电抗器结构高度为2200 mm。

图9 电抗器尺寸参数(单位：mm)

将电抗器等分为7个单元，在ATP-EMTP中建立电抗器分布参数模型，如图10所示，其中各单元的对地电容和自感、相邻单元互容以及跨越一个单元的两单元间的互容通过有限元计算方式提取，跨越多个单元的两单元间的互容由于数量急剧下降而忽略。

在有限元软件中建立仿真模型对分布参数进行提取，如图11所示；计算得到相关参数如表1所示。

图10 电抗器的分布参数模型

图11 电抗器参数提取有限元计算模型

表1 各单元的电容、电感参数(仅列出单元1-单元7)

如图12所示，在实际使用过程中，电抗器安装在门型架上(与载波通信电抗器类似)，在阻波器线路侧、站内侧各安装一组避雷器。

图12 雷电侵入波阻碍电抗器安装示意

4.2 雷电侵入波阻碍电抗器效果分析

采用30 kA雷电流绕击1号杆塔A相导线，杆塔未安装线路避雷器，此种情况下A相绝缘子串未击穿，电压电流波形如图13所示。

图13 采用侵入波阻碍电抗器后的电压电流波形

图14 侵入波阻碍电抗器工作时电位分布

从图13可知，在加装阻碍电抗器后，GIS管道内和断路器断口处的雷电侵入波过电压幅值大幅降低，实现了过电压安全防护；从避雷器电流波形可知，阻碍电抗器的使用让靠近线路侧的避雷器能够更多地释放来自线路侧的雷电能量，使侵入升压站的能量大幅降低，减轻了靠近站内的户外场避雷器的能量释放负担。

阻碍电抗器自身的电位分布情况见图14，在所述雷电流作用下，其两个引线端电位差最大值为1150 kV，在雷电流冲击下不会发生电抗器首尾或内部放电的问题。

5 结 语

1)水力发电厂GIS升压站因户外场到开关站的管道过长，在断路器处于开断状态下遭受雷击，容易发生雷电侵入波在断路器断口处发生反射，使户外场避雷器无法及时吸收雷电能量的情况，在侵入波雷电流过大时，易发生设备击穿故障。

2)简单采用加装户外场避雷器或在1号杆塔安装线路避雷器的方式，难以大幅削减进入GIS的雷电流能量，对侵入波过电压的防治效果有限，无法满足GIS断路器开断情况下的防雷要求。

3)通过采用雷电侵入波阻碍电抗器和站用避雷器配合，利用雷电流侵入升压站时在电抗器首端形成的高电位，强制实现线路侧避雷器对雷电流能量的大量释放，使得进入升压站的雷电能量大幅减小，达到了防止GIS管道和断路器断口击穿的目的。