陳紅梅，李雅萍，蔣建虎，唐新文

（1.洛陽(yáng)理工學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.小浪底建設(shè)管理局水力發(fā)電廠，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引言

小浪底水電廠黃河變220 kV開關(guān)站母線為雙母雙分段帶旁路結(jié)構(gòu)，開關(guān)站電氣設(shè)備布置方式為露天布置，母線為雙分裂的軟母線。母線所帶的避雷器為撫順電瓷廠生產(chǎn)的Y10W1—216/562型氧化鋅避雷器，避雷器頂部采用90°線夾與引線相聯(lián)，導(dǎo)線向上延伸大約60 cm然后下降至與避雷器頂部等高，再與鄰近電壓互感器頂部相連。由于受安裝場(chǎng)地的限制，母線與避雷器頂部引線的距離只有2.6 m。根據(jù)DL408—91《電業(yè)安全工作規(guī)程—發(fā)電廠和變電所電氣分部》第12條和第68條規(guī)定，220 kV開關(guān)站工作人員正?；顒?dòng)范圍與帶電設(shè)備的安全距離為3 m。為保證檢修時(shí)有足夠的安全距離，每次檢修避雷器時(shí)需要將母線停電，既增加了由于倒閘操作帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，又延長(zhǎng)了檢修作業(yè)時(shí)間。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，如果將母線避雷器與導(dǎo)線的連接方式改為水平連接，則能有效降低導(dǎo)線的高度，從而增加導(dǎo)線與母線的電氣距離，使檢修避雷器時(shí)具有足夠的安全距離，檢修時(shí)母線就不再需要停電。這樣不僅能提高檢修工作效率，還將減少事故發(fā)生的概率。

要將母線避雷器與導(dǎo)線連接方式由垂直連接改為水平連接，就必須針對(duì)其可行性進(jìn)行研究和分析。接線方式的改變對(duì)避雷器的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：①避雷器周圍，主要是均壓環(huán)周圍電場(chǎng)強(qiáng)度的分布發(fā)生變化，均壓環(huán)表面電場(chǎng)強(qiáng)度可能增加，從而增加均壓環(huán)與避雷器底座部位發(fā)生閃絡(luò)的概率；②改變接線方式會(huì)影響避雷器引線的弧垂和應(yīng)力分布。

通過(guò)對(duì)引線力學(xué)和避雷器周圍電場(chǎng)強(qiáng)度的分析，提出了4種可能的改造方案，為方便分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取了以下假設(shè)條件：避雷器型號(hào)參數(shù)不改變；計(jì)算引線力學(xué)特性時(shí)，忽略引線的剛性和彎曲力矩，將引線視為懸鏈線進(jìn)行計(jì)算；在求解場(chǎng)的電勢(shì)函數(shù)時(shí)采用電場(chǎng)有限元計(jì)算方法。

1 原安裝方式電場(chǎng)強(qiáng)度分析

1.1 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和廠家提供的數(shù)據(jù)，避雷器的三維模型如圖1所示。該模型沿導(dǎo)線軸線的剖面具有對(duì)稱性，其空間電場(chǎng)分布沿剖面也具有對(duì)稱性，因而，為減小計(jì)算量，在建立有限元計(jì)算模型時(shí)可只建立該模型的1/2。剖分后的有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 避雷器三維模型

圖2 有限元計(jì)算模型的剖分

1.2 加載與求解

本項(xiàng)目所采用的避雷器型號(hào)為Y10W1-216/562 W型，根據(jù)制造廠家提供的參數(shù)，其標(biāo)稱沖擊電流的殘壓為562 kV，陡波沖擊電流殘壓為630 kV。

根據(jù)GB11032—2000《交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器》第2.40條的規(guī)定：避雷器的雷電過(guò)電壓保護(hù)水平取以下兩項(xiàng)的較大者，①陡波沖擊下的最大殘壓除以1.15；②標(biāo)稱放電電流下的最大殘壓。據(jù)此，Y10W1—216/562W型避雷器的雷電保護(hù)水平應(yīng)為562 kV。根據(jù)GB 311.1—1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》第5條關(guān)于設(shè)備絕緣水平的相關(guān)規(guī)定，220 kV等級(jí)電氣設(shè)備的額定沖擊耐受電壓的標(biāo)準(zhǔn)值為950 kV。

在計(jì)算避雷器周圍電場(chǎng)分布時(shí)的加載方法為：避雷器、引線及避雷器接線板的電壓等于避雷器的雷電保護(hù)水平，即562 kV；設(shè)兩節(jié)避雷器瓷套間的連接導(dǎo)體為等位體；大地及與大地相連的避雷器金屬支架的電位為0。

1.3 計(jì)算結(jié)果

采用電磁場(chǎng)有限元法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值分布在均壓環(huán)表面遠(yuǎn)離導(dǎo)線的位置，其最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為2 745 kV/m；電場(chǎng)強(qiáng)度最小值分布在正對(duì)導(dǎo)線的位置，其值約為2 195 kV/m。則沿均壓環(huán)表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布的不平衡度約為11.1%。

2 不同改造方案電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算分析

分別采用0°接線夾 （方案一）、30°接線夾 （方案二）、豎直接線板和0°接線夾 （方案三）方式計(jì)算避雷器周圍電位及電場(chǎng)強(qiáng)度分布、沿均壓環(huán)下表面圓周方向電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線。同時(shí)，對(duì)增加均壓導(dǎo)體半徑 （方案四）分析計(jì)算，即設(shè)避雷器引線的接線方式與改造方案一的接線方式相同，改變均壓導(dǎo)體的半徑，分別計(jì)算避雷器周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布，找出改造后均壓環(huán)表面電場(chǎng)強(qiáng)度小于或等于改造前均壓環(huán)表面電場(chǎng)強(qiáng)度的半徑值。

2.1 改造可行性的理論分析

從改造前后避雷器周圍電場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于空間任一點(diǎn)，改造前后電場(chǎng)強(qiáng)度值不同，但空間電場(chǎng)強(qiáng)度的大小分布規(guī)律并沒(méi)有改變，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在均壓環(huán)表面遠(yuǎn)引線的位置，即圖3中的A點(diǎn)，又由于該點(diǎn)距避雷器底座B點(diǎn)最近，因而，如果母線遭受雷擊，發(fā)生空氣擊穿概率最高的點(diǎn)為A、B兩點(diǎn)。

圖3 易發(fā)生擊穿部位示意 （電場(chǎng)強(qiáng)度單位：kV/m）

表1為雷電沖擊下的電壓下的均壓環(huán)表面最大電壓值，其中最大值約為2 824 kV/m，小于雷電沖擊預(yù)放電電壓值。根據(jù)電場(chǎng)的線性關(guān)系，工頻電壓下均壓環(huán)表面的最大場(chǎng)強(qiáng) （有效值）約為1 105kV/m；取操作過(guò)電壓倍數(shù)為1.8，操作過(guò)電壓時(shí)均壓環(huán)的最大表面電場(chǎng)強(qiáng)度約為1 625 kV/m。

由表1中的計(jì)算結(jié)果可知，改造前后均壓環(huán)表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值不超過(guò)3 000 kV/m，在避雷器的保護(hù)水平內(nèi)，均壓環(huán)表面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于臨界電暈電場(chǎng)強(qiáng)度值，不會(huì)發(fā)生電暈現(xiàn)象，更不會(huì)發(fā)生空氣擊穿的現(xiàn)象。

表1 改造前后均壓環(huán)表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值對(duì)比

由以上分析可知，從理論上分析避雷器接線方式的幾種改造方案均不會(huì)發(fā)生空氣擊穿現(xiàn)象。

2.2 相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

氣體放電實(shí)驗(yàn)研究一般選用幾種有代表性的實(shí)驗(yàn)，如棒—棒、棒—板、環(huán)—環(huán)等，實(shí)際工程應(yīng)用中往往采取比擬的方法確定安全間隔。由長(zhǎng)氣隙和絕緣子的工頻50%擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系曲線和氣隙的沖擊擊穿電壓與距離的關(guān)系曲線可知，氣隙間隔為2.4 m時(shí)，無(wú)論是工頻還是沖擊電壓，氣隙的擊穿電壓均大于1 000 kV，而本改造項(xiàng)目的最大陡波沖擊殘壓為630 kV。由此，在避雷器正常工作的情況下不會(huì)發(fā)生空氣擊穿現(xiàn)象。

2.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

GBJ149—1990《電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》第2.1.13條中關(guān)于220 kV室外配電裝置的安全凈距離規(guī)定為：帶電部分至接地部分間距＞1.8 m；不同相帶電部分之間的距離＞2 m；交叉的不同時(shí)停電檢修的無(wú)遮欄帶電部分之間的距離＞2.55 m；無(wú)遮欄裸導(dǎo)體至地面之間的距離＞4.3 m。

本改造項(xiàng)目中，距接地部分 （避雷器底座）最近的帶電導(dǎo)體為均壓環(huán)，其間距約為2.4 m；不同相的帶電部分為兩相避雷器，其間距大于4 m；交叉的不同時(shí)停電檢修的無(wú)遮欄帶電部分主要為避雷器引線與上空的母線，其間距在改造前大約為2.6 m，改造后大約為3 m；距地面最近的無(wú)遮欄的祼導(dǎo)體指均壓環(huán)，其距地面的距離約為4.96 m。據(jù)此，本項(xiàng)目改造后的各項(xiàng)安全距離均符合GBJ149—1990的規(guī)定。

2.4 避雷器沿面放電分析

避雷器改造后，瓷套表面有些部位的電場(chǎng)強(qiáng)度有所增加，有些部位的電場(chǎng)強(qiáng)度有所減小，其綜合效果并不會(huì)增加沿面閃絡(luò)的可能性。

根據(jù)沿面閃絡(luò)的長(zhǎng)度與電壓關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在工頻、高頻或沖擊電壓下，隨著閃絡(luò)長(zhǎng)度的增加，閃絡(luò)電壓具有飽和趨勢(shì)。本避雷器的爬距為6 m，其閃絡(luò)電壓具有明顯的飽和現(xiàn)象，其表面電場(chǎng)強(qiáng)度的改變對(duì)其閃絡(luò)電壓的影響很小。本避雷器的干弧距離大約為2 m，爬距為6 m，沿面平均電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于干弧間隙的平均電場(chǎng)強(qiáng)度值，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于干凈的絕緣子，干弧閃絡(luò)發(fā)生的概率總是高于沿面閃絡(luò)。

3 不同改造方案引線力學(xué)計(jì)算分析

綜合小浪底水力發(fā)電廠黃河變220 kV開關(guān)站所處位置多年氣候條件，按照溫度-25℃、風(fēng)速25 m/s、覆冰厚度為10 mm的最惡劣氣象條件 (如溫度、刮風(fēng)、覆冰等)，計(jì)算不同條件下放線時(shí)的弧垂度。 分別采用0°接線夾 （方案一）、30°接線夾 （方案二）、豎直接線板和0°接線夾 （方案三）方式計(jì)算不同氣象條件下最大弧垂度和應(yīng)力 （由于方案四通過(guò)增加均壓導(dǎo)體半徑，有利于保證導(dǎo)線在一定的弧垂度和應(yīng)力要求范圍內(nèi)，故不作另外計(jì)算），確保在最惡劣氣象條件下，導(dǎo)線所產(chǎn)生的水平拉力不超過(guò)其機(jī)械強(qiáng)度限值。本改造項(xiàng)目中所使用的避雷器型號(hào)為Y10W1—216型，根據(jù)GB11032—2000《交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器》第6.16.1條的規(guī)定，該型號(hào)避雷器頂端所承受的導(dǎo)線最大允許水平拉力為980 N。避雷器聯(lián)接導(dǎo)線在放線時(shí)必須確保在最惡劣氣象條件下，導(dǎo)線所產(chǎn)生的水平拉力小于980 N。設(shè)本項(xiàng)目中最惡劣下氣象條件為：最低溫度-25℃，風(fēng)速25 m/s，覆冰厚度為10 mm， 以此為基礎(chǔ)，計(jì)算不同條件下放線時(shí)的弧垂度和應(yīng)力大小。由此計(jì)算不同溫度時(shí)的水平拉力值，水平拉力值隨溫度升高而減小。本項(xiàng)目結(jié)合3種改造方案分別分析了不同溫度的水平拉力。見表2所示。

表2 不同溫度下導(dǎo)線水平拉力

由計(jì)算結(jié)果可知，方案一、二、三中導(dǎo)線在最惡劣氣象條件下所產(chǎn)生的水平拉力為980 N，其他氣象條件下對(duì)避雷器頂部的水平拉力均小于980 N，這樣可確保避雷器機(jī)械性能的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

從理論、國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、實(shí)際設(shè)計(jì)及高壓實(shí)驗(yàn)等方面綜合分析，本文所提出的幾種避雷器引線改造方案均在安全范圍內(nèi)，改造方案均是可行的，各方案的優(yōu)選順序?yàn)椋悍桨杆摹桨溉桨付桨敢弧Ｆ渲?，方案四的接線方式與方案一相同 （采用0°線夾），同時(shí)須增加均壓環(huán)導(dǎo)體的半徑 （半徑須大于4.3 cm）。其屏蔽效果優(yōu)于改造前，但避雷器與均壓環(huán)是成套生產(chǎn)的，所需均壓環(huán)必須訂制，增加了改造的成本。