500 kV 變電站避雷器配置方案研究

丁 鈺 盧甜甜

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100120;2.中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192)

0 引言

在執(zhí)行國家電網(wǎng)有限公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)(簡稱“通用設(shè)計(jì)”)的過程中,設(shè)計(jì)人員對通用設(shè)計(jì)的理解容易產(chǎn)生誤區(qū),雷電侵入波過電壓設(shè)計(jì)經(jīng)常被忽略。500 kV 變電站通用設(shè)計(jì)中避雷器配置原則規(guī)定“500 kV 配電裝置架空出線均裝設(shè)避雷器,母線不裝設(shè)避雷器;高抗回路線路與高抗共用一組避雷器”。通用設(shè)計(jì)導(dǎo)則指出“本方案按以下原則設(shè)置避雷器,實(shí)際工程避雷器設(shè)置根據(jù)雷電侵入波過電壓計(jì)算確定”[1]。

實(shí)際工程中,經(jīng)常直接采用通用設(shè)計(jì)避雷器配置方案,缺少對方案可行性的論證。工程一期建設(shè)規(guī)模遠(yuǎn)小于終期規(guī)模的情況下,終期避雷器配置方案如果滿足不了當(dāng)期配電裝置的布置要求,一旦發(fā)生雷擊,某些電氣設(shè)備絕緣可能受到破壞,因此在工程設(shè)計(jì)中對雷電侵入波過電壓計(jì)算很有必要。目前,對于500 kV 配電裝置的雷電侵入波過電壓保護(hù),尚無統(tǒng)一的公式或曲線供查閱,需要借助仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)。本文以某500 kV 變電站為例,對變電站不同的設(shè)計(jì)方案會有不同的避雷器配置方案進(jìn)行論證,為設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 設(shè)備計(jì)算模型與方法

以某工程方案設(shè)計(jì)為例,建設(shè)規(guī)模一期500 kV 進(jìn)出線1～2回,主變壓器1～2臺,終期按500 k V 進(jìn)出線8～10回,主變壓器4臺考慮。雷電侵入波過電壓仿真計(jì)算采用慣用法,利用電磁暫態(tài)程序(EMTP),考慮變電站N-1運(yùn)行方式,進(jìn)線端遭受雷電反擊和繞擊時(shí),要求變電站設(shè)備雷電過電壓的最大值能夠滿足變電站設(shè)備內(nèi)、外絕緣水平。針對某500 kV 變電站3種具有代表性的接線和布置方案進(jìn)行仿真計(jì)算,確定避雷器不同的配置方案。

1.1 設(shè)備計(jì)算模型及參數(shù)確定

1.1.1 避雷器

500 kV變電站在每回線路的入口、主變壓器回路均安裝金屬氧化物避雷器,母線處是否安裝避雷器以及避雷器距離被保護(hù)設(shè)備距離,視工程建設(shè)規(guī)模和接線情況確定。模型仿真避雷器參數(shù)見表1。

1.1.2 變壓器

主變壓器采用其入口電容來等值[23],500 kV電壓等級的變壓器按式(1)估算。

式中:CT為變壓器入口電容值,p F;S為變壓器三相容量,MVA。

主變壓器三相額定容量為750 MVA,入口電容值為4 919 pF。

1.1.3 電容式電壓互感器

在線路入口處、主變壓器回路、母線上均裝有電容式電壓互感器(CVT),入口電容值采用5 000 pF。

1.1.4 HGIS套筒內(nèi)導(dǎo)體和套管

HGIS套筒內(nèi)導(dǎo)體波阻抗按下式[2]計(jì)算。

式中:R1為HGIS套筒的內(nèi)半徑,mm;r1為HGIS套筒內(nèi)導(dǎo)體的外半徑,mm。經(jīng)計(jì)算,HGIS套筒內(nèi)導(dǎo)體波阻抗約為64Ω。500 kV 套管的入口電容取值為300 pF。

1.1.5 設(shè)備連接線

架空線路、變電站內(nèi)導(dǎo)線和母線波阻抗等值按式(3)[2-3]計(jì)算,計(jì)算值見表2。

表2 設(shè)備連接線的波阻抗

式中:h為導(dǎo)線的平均高度,m;rd為導(dǎo)線等效半徑,m。rd按式(4)計(jì)算

式中:ds為子導(dǎo)線分裂間距,m;N為子導(dǎo)線分裂數(shù);r為子導(dǎo)線半徑,m。

1.1.6 斷路器和隔離開關(guān)

500 kV 斷路器入口電容一般取500 pF,隔離開關(guān)入口電容一般取300 pF。

1.1.7 出線桿塔和線路

架空線路用LCC模塊中多相耦合J.Marti模型模擬,桿塔采用分段多波阻抗模型[4-5]。工程新建雙回500 kV 線路工程,4 分裂導(dǎo)線間距450 mm,進(jìn)線段導(dǎo)線型號為4×JL/G1A-400/35-48/7,導(dǎo)線外徑26.8 mm,鋼芯截面34.36 mm2;避雷線為兩根72芯OPGW-180(72),外徑18.2 mm,直流電阻率≤0.28Ω/km。

采用下列這組原始數(shù)據(jù)作為計(jì)算條件:

土壤電阻率取值按1 000Ω·m;導(dǎo)線排列方式考慮垂直排列情況;導(dǎo)線平均高度(每相):上相為51.3 m、中相為38.6 m、下相為27 m;導(dǎo)體在塔身的對地高度:上相為60.3 m、中相為47.6 m、下相為36 m;導(dǎo)體在檔距中央的高度:上相為47.3 m、中相為44.6 m、下相為23 m;地線平均高度為55.3 m;線間水平距離為19.4 m;地線間距離為23 m。

1.2 變電站雷電侵入波過電壓計(jì)算方法

仿真計(jì)算中,雷電侵入波采用波頭時(shí)間2.6μs,波尾時(shí)間50μs的波形,計(jì)算波速采用300 m/μs。模型見圖1。

圖1 雷電侵入波模型

雷電流幅值為200 k A 的概率是0.53%,250 k A 的概率為0.14%。根據(jù)500 kV 變電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),并考慮研究結(jié)論適用范圍的廣泛性,反擊雷電侵入波過電壓計(jì)算時(shí)的最大雷電流幅值取為250 k A。

根據(jù)電氣幾何模型[67]求出變電站出線的最大的繞擊電流Im,根據(jù)計(jì)算結(jié)果取標(biāo)準(zhǔn)值為25 k A。雷電通道的波阻抗在反擊時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果取標(biāo)準(zhǔn)值為300Ω,繞擊時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果取標(biāo)準(zhǔn)值為800Ω。

2 基于變電站不同設(shè)計(jì)方案的避雷器配置

2.1 設(shè)計(jì)方案1

終期8線4變,一個(gè)半斷路器接線,組成6個(gè)完整串(有一空串間隔);本期2線2變,一個(gè)半斷路器接線,組成一個(gè)完整串,兩個(gè)半串,出線2利用一個(gè)空串間隔作為出線通道,在國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)500-B-5-D1-02a方案(簡稱“B5(a)方案”)基礎(chǔ)上改進(jìn)。500 kV 電氣主接線見圖2。

圖2 方案1接線示意

反/繞擊侵入波過電壓計(jì)算條件:

(1)雷擊時(shí)刻的系統(tǒng)工作電壓處于峰值且與雷電流反極性;

(2)反擊雷電流的幅值為250 k A;

(3)雷電反擊點(diǎn)在終端塔處;

(4)繞擊雷電流的幅值為25 k A;

(5)雷電繞擊到終端塔導(dǎo)線處。

進(jìn)行雷電侵入波過電壓計(jì)算。首先按母線不安裝避雷器布置方式試算,在發(fā)生雷電繞擊時(shí)所有設(shè)備過電壓均大于1 400 kV,計(jì)算結(jié)果不能滿足規(guī)程安全裕度要求。在出線1和出線2之間的空串間隔兩段母線處安裝避雷器,計(jì)算結(jié)果見表3。根據(jù)計(jì)算,該方案500 kV 配電裝置避雷器配置方案:

表3 設(shè)備上的最大雷電反/繞擊過電壓

(1)在每回線路的入口、主變壓器回路、母線處均安裝金屬氧化物避雷器;

(2)對B5(a)方案主變壓器回路避雷器和電壓互感器位置進(jìn)行修正,避雷器和電壓互感器向主變壓器運(yùn)輸?shù)缆穫?cè)平移,保證避雷器和主變壓器之間電氣距離不大于33 m。

2.2 設(shè)計(jì)方案2

終期10 線4變,一個(gè)半斷路器接線,組成7個(gè)完整串;本期2線2變,一個(gè)半斷路器接線,組成一個(gè)完整串,兩個(gè)半串,在國家電網(wǎng)有限公司通用設(shè)計(jì)500-B-5-D1-02b方案(簡稱“B5(b)方案”)基礎(chǔ)上改進(jìn)。500 kV 電氣主接線見圖3。

圖3 方案2接線示意

B5(b)方案中采用半C型HGIS設(shè)備,能夠使間隔內(nèi)主變壓器側(cè)出線實(shí)現(xiàn)反向出線,減少空串間隔。該方案每個(gè)進(jìn)出線間隔的縱向尺寸只有27 m,受距離所限,不具備安裝母線避雷器的條件。

對本期工程進(jìn)行雷電侵入波過電壓計(jì)算,計(jì)算條件同2.1,計(jì)算結(jié)果見表4。根據(jù)計(jì)算,該方案500 kV 配電裝置避雷器配置方案:

表4 設(shè)備上的最大雷電反/繞擊過電壓

(1)在每回線路的入口、主變壓器回路安裝金屬氧化物避雷器,母線處不安裝避雷器;

(2)對B5(b)方案主變壓器回路避雷器和電壓互感器位置進(jìn)行調(diào)整,避雷器和電壓互感器向主變壓器運(yùn)輸?shù)缆穫?cè)平移,保證避雷器和主變壓器之間電氣距離不大于33 m。

2.3 設(shè)計(jì)方案3

終期10 線4變,一個(gè)半斷路器接線,組成7個(gè)完整串;本期1線1變,雙斷路器線變組接線,在B5(b)方案基礎(chǔ)上改進(jìn)。500 kV 電氣主接線見圖4。

圖4 方案3接線示意

進(jìn)行雷電侵入波過電壓計(jì)算,計(jì)算條件同2.1。首先按主變壓器回路避雷器和電壓互感器均布置在500 kV 配電裝置區(qū)試算,在發(fā)生雷電繞擊時(shí)主變壓器過電壓大于1 400 kV,計(jì)算結(jié)果不能滿足規(guī)程要求。將避雷器移至主變壓器運(yùn)輸?shù)缆穼?cè)主變壓器附近,再次計(jì)算,在發(fā)生雷電繞擊時(shí)電壓互感器過電壓大于1 400 kV,不滿足要求。將避雷器和電壓互感器位置多次調(diào)整后,計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 設(shè)備上的最大雷電反/繞擊過電壓

根據(jù)計(jì)算,該方案500 kV 配電裝置避雷器配置方案:

(1)在每回線路的入口、主變壓器回路安裝金屬氧化物避雷器,母線處不安裝避雷器;

(2)對B5(b)方案主變壓器回路避雷器位置進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法1:避雷器調(diào)整至主變壓器運(yùn)輸?shù)缆穼γ嬷髯儔浩髋?和電壓互感器通過管母線跨道路連接,保證避雷器至主變壓器和電壓互感器電氣距離均不大于18 m,調(diào)整方法1 見圖5(a)。調(diào)整方法2:在B5(b)方案500 kV 配電裝置不變的基礎(chǔ)上,在主變壓器側(cè)增加一組過渡避雷器,待工程擴(kuò)建時(shí),經(jīng)計(jì)算可將此避雷器拆除。方法2能夠保證500 kV 配電裝置區(qū)布置整齊劃一,在達(dá)到一定規(guī)模后,主變壓器側(cè)無避雷器,保證主變壓器運(yùn)輸通道無障礙,同時(shí)方便主變壓器附近油道和水管敷設(shè)。調(diào)整方法見圖5(b)。

圖5 主變壓器回路避雷器調(diào)整斷面

2.4 設(shè)備絕緣水平校核

2.4.1 內(nèi)絕緣水平

安全裕度取1.15,設(shè)備絕緣保證強(qiáng)度的判據(jù)為1 348 kV。經(jīng)過多次計(jì)算調(diào)整電氣設(shè)備距離,3個(gè)設(shè)計(jì)方案中變壓器、電壓互感器、HGIS設(shè)備和HGIS套管上的最大雷電過電壓計(jì)算值見表6,均滿足內(nèi)絕緣要求。

表6 雷電過電壓內(nèi)絕緣計(jì)算值

2.4.2 外絕緣水平

某500 kV 變電站的海拔高度為1 370 m,按照公式(5)海拔校正后的絕緣裕度系數(shù)為1.1,設(shè)備絕緣保證強(qiáng)度的判據(jù)為1 409 kV。

式中:kn為海拔校正因數(shù);H為海拔高度,m。

3個(gè)設(shè)計(jì)方案中變壓器、CVT、HGIS設(shè)備和HGIS套管上的最大雷電過電壓計(jì)算值見表7,均滿足外絕緣要求。

表7 雷電過電壓外絕緣計(jì)算值

針對3種不同設(shè)計(jì)方案提出相應(yīng)的避雷器配置方案。其中,500 kV 主接線涉及雙斷路器線變組和1個(gè)半斷路器2種接線形式;配電裝置分別采用一字型和半C 型HGIS設(shè)備布置型式;變電站站址區(qū)域海拔高度超過1 000 m。

3 結(jié)論

以實(shí)際工程為例,對500 kV 變電站進(jìn)行雷電侵入波過電壓仿真計(jì)算,結(jié)果顯示500 kV 配電裝置布置型式和接線方式的變化對500 kV 避雷器配置方案有很大影響。通過3種方案對比,得出如下結(jié)論。

(1)國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)方案中主變壓器回路避雷器位置需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整,1線1變雙斷路器線變組接線時(shí),避雷器至主變壓器和電壓互感器的電氣距離均不大于18 m;2線2變一個(gè)半斷路器接線時(shí),避雷器至主變壓器電氣距離不大于33 m。

(2)出線規(guī)模增加導(dǎo)致利用空串間隔作為出線路徑,需要計(jì)算確定母線是否加裝避雷器。

(3)雷電流水平對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響,其幅值應(yīng)根據(jù)工程具體情況確定。

另外,實(shí)例涵蓋內(nèi)容較廣,計(jì)算條件較為嚴(yán)苛,對一般變電站的設(shè)計(jì)能夠起到參考和借鑒作用。在500 kV變電站設(shè)計(jì)中是否需要進(jìn)行雷電過電壓計(jì)算,設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況合理決策。