500 kV 变电站避雷器配置方案研究

时间：2024-07-28

丁钰卢甜甜

(1.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司,北京 100120;2.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192)

0 引言

在执行国家电网有限公司输变电工程通用设计(简称“通用设计”)的过程中,设计人员对通用设计的理解容易产生误区,雷电侵入波过电压设计经常被忽略。500 kV 变电站通用设计中避雷器配置原则规定“500 kV 配电装置架空出线均装设避雷器,母线不装设避雷器;高抗回路线路与高抗共用一组避雷器”。通用设计导则指出“本方案按以下原则设置避雷器,实际工程避雷器设置根据雷电侵入波过电压计算确定”[1]。

实际工程中,经常直接采用通用设计避雷器配置方案,缺少对方案可行性的论证。工程一期建设规模远小于终期规模的情况下,终期避雷器配置方案如果满足不了当期配电装置的布置要求,一旦发生雷击,某些电气设备绝缘可能受到破坏,因此在工程设计中对雷电侵入波过电压计算很有必要。目前,对于500 kV 配电装置的雷电侵入波过电压保护,尚无统一的公式或曲线供查阅,需要借助仿真计算实现。本文以某500 kV 变电站为例,对变电站不同的设计方案会有不同的避雷器配置方案进行论证,为设计人员提供参考。

1 设备计算模型与方法

以某工程方案设计为例,建设规模一期500 kV 进出线1～2回,主变压器1～2台,终期按500 k V 进出线8～10回,主变压器4台考虑。雷电侵入波过电压仿真计算采用惯用法,利用电磁暂态程序(EMTP),考虑变电站N-1运行方式,进线端遭受雷电反击和绕击时,要求变电站设备雷电过电压的最大值能够满足变电站设备内、外绝缘水平。针对某500 kV 变电站3种具有代表性的接线和布置方案进行仿真计算,确定避雷器不同的配置方案。

1.1 设备计算模型及参数确定

1.1.1 避雷器

500 kV变电站在每回线路的入口、主变压器回路均安装金属氧化物避雷器,母线处是否安装避雷器以及避雷器距离被保护设备距离,视工程建设规模和接线情况确定。模型仿真避雷器参数见表1。

1.1.2 变压器

主变压器采用其入口电容来等值[23],500 kV电压等级的变压器按式(1)估算。

式中:CT为变压器入口电容值,p F;S为变压器三相容量,MVA。

主变压器三相额定容量为750 MVA,入口电容值为4 919 pF。

1.1.3 电容式电压互感器

在线路入口处、主变压器回路、母线上均装有电容式电压互感器(CVT),入口电容值采用5 000 pF。

1.1.4 HGIS套筒内导体和套管

HGIS套筒内导体波阻抗按下式[2]计算。

式中:R1为HGIS套筒的内半径,mm;r1为HGIS套筒内导体的外半径,mm。经计算,HGIS套筒内导体波阻抗约为64Ω。500 kV 套管的入口电容取值为300 pF。

1.1.5 设备连接线

架空线路、变电站内导线和母线波阻抗等值按式(3)[2-3]计算,计算值见表2。

表2 设备连接线的波阻抗

式中:h为导线的平均高度,m;rd为导线等效半径,m。rd按式(4)计算

式中:ds为子导线分裂间距,m;N为子导线分裂数;r为子导线半径,m。

1.1.6 断路器和隔离开关

500 kV 断路器入口电容一般取500 pF,隔离开关入口电容一般取300 pF。

1.1.7 出线杆塔和线路

架空线路用LCC模块中多相耦合J.Marti模型模拟,杆塔采用分段多波阻抗模型[4-5]。工程新建双回500 kV 线路工程,4 分裂导线间距450 mm,进线段导线型号为4×JL/G1A-400/35-48/7,导线外径26.8 mm,钢芯截面34.36 mm2;避雷线为两根72芯OPGW-180(72),外径18.2 mm,直流电阻率≤0.28Ω/km。

采用下列这组原始数据作为计算条件:

土壤电阻率取值按1 000Ω·m;导线排列方式考虑垂直排列情况;导线平均高度(每相):上相为51.3 m、中相为38.6 m、下相为27 m;导体在塔身的对地高度:上相为60.3 m、中相为47.6 m、下相为36 m;导体在档距中央的高度:上相为47.3 m、中相为44.6 m、下相为23 m;地线平均高度为55.3 m;线间水平距离为19.4 m;地线间距离为23 m。

1.2 变电站雷电侵入波过电压计算方法

仿真计算中,雷电侵入波采用波头时间2.6μs,波尾时间50μs的波形,计算波速采用300 m/μs。模型见图1。

图1 雷电侵入波模型

雷电流幅值为200 k A 的概率是0.53%,250 k A 的概率为0.14%。根据500 kV 变电站的运行经验,并考虑研究结论适用范围的广泛性,反击雷电侵入波过电压计算时的最大雷电流幅值取为250 k A。

根据电气几何模型[67]求出变电站出线的最大的绕击电流Im,根据计算结果取标准值为25 k A。雷电通道的波阻抗在反击时根据计算结果取标准值为300Ω,绕击时根据计算结果取标准值为800Ω。

2 基于变电站不同设计方案的避雷器配置

2.1 设计方案1

终期8线4变,一个半断路器接线,组成6个完整串(有一空串间隔);本期2线2变,一个半断路器接线,组成一个完整串,两个半串,出线2利用一个空串间隔作为出线通道,在国网通用设计500-B-5-D1-02a方案(简称“B5(a)方案”)基础上改进。500 kV 电气主接线见图2。

图2 方案1接线示意

反/绕击侵入波过电压计算条件:

(1)雷击时刻的系统工作电压处于峰值且与雷电流反极性;

(2)反击雷电流的幅值为250 k A;

(3)雷电反击点在终端塔处;

(4)绕击雷电流的幅值为25 k A;

(5)雷电绕击到终端塔导线处。

进行雷电侵入波过电压计算。首先按母线不安装避雷器布置方式试算,在发生雷电绕击时所有设备过电压均大于1 400 kV,计算结果不能满足规程安全裕度要求。在出线1和出线2之间的空串间隔两段母线处安装避雷器,计算结果见表3。根据计算,该方案500 kV 配电装置避雷器配置方案:

表3 设备上的最大雷电反/绕击过电压

(1)在每回线路的入口、主变压器回路、母线处均安装金属氧化物避雷器;

(2)对B5(a)方案主变压器回路避雷器和电压互感器位置进行修正,避雷器和电压互感器向主变压器运输道路侧平移,保证避雷器和主变压器之间电气距离不大于33 m。

2.2 设计方案2

终期10 线4变,一个半断路器接线,组成7个完整串;本期2线2变,一个半断路器接线,组成一个完整串,两个半串,在国家电网有限公司通用设计500-B-5-D1-02b方案(简称“B5(b)方案”)基础上改进。500 kV 电气主接线见图3。

图3 方案2接线示意

B5(b)方案中采用半C型HGIS设备,能够使间隔内主变压器侧出线实现反向出线,减少空串间隔。该方案每个进出线间隔的纵向尺寸只有27 m,受距离所限,不具备安装母线避雷器的条件。

对本期工程进行雷电侵入波过电压计算,计算条件同2.1,计算结果见表4。根据计算,该方案500 kV 配电装置避雷器配置方案:

表4 设备上的最大雷电反/绕击过电压

(1)在每回线路的入口、主变压器回路安装金属氧化物避雷器,母线处不安装避雷器;

(2)对B5(b)方案主变压器回路避雷器和电压互感器位置进行调整,避雷器和电压互感器向主变压器运输道路侧平移,保证避雷器和主变压器之间电气距离不大于33 m。

2.3 设计方案3

终期10 线4变,一个半断路器接线,组成7个完整串;本期1线1变,双断路器线变组接线,在B5(b)方案基础上改进。500 kV 电气主接线见图4。

图4 方案3接线示意

进行雷电侵入波过电压计算,计算条件同2.1。首先按主变压器回路避雷器和电压互感器均布置在500 kV 配电装置区试算,在发生雷电绕击时主变压器过电压大于1 400 kV,计算结果不能满足规程要求。将避雷器移至主变压器运输道路对侧主变压器附近,再次计算,在发生雷电绕击时电压互感器过电压大于1 400 kV,不满足要求。将避雷器和电压互感器位置多次调整后,计算结果见表5。

表5 设备上的最大雷电反/绕击过电压

根据计算,该方案500 kV 配电装置避雷器配置方案:

(1)在每回线路的入口、主变压器回路安装金属氧化物避雷器,母线处不安装避雷器;

(2)对B5(b)方案主变压器回路避雷器位置进行调整。调整方法1:避雷器调整至主变压器运输道路对面主变压器旁,和电压互感器通过管母线跨道路连接,保证避雷器至主变压器和电压互感器电气距离均不大于18 m,调整方法1 见图5(a)。调整方法2:在B5(b)方案500 kV 配电装置不变的基础上,在主变压器侧增加一组过渡避雷器,待工程扩建时,经计算可将此避雷器拆除。方法2能够保证500 kV 配电装置区布置整齐划一,在达到一定规模后,主变压器侧无避雷器,保证主变压器运输通道无障碍,同时方便主变压器附近油道和水管敷设。调整方法见图5(b)。

图5 主变压器回路避雷器调整断面