尹 宏,張立輝,馬晶晶,孔令號

(國網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司,河北 保定 071000)

核電廠500 kV GIL-GIS系統(tǒng)雷電侵入波過電壓分析

尹 宏,張立輝,馬晶晶,孔令號

(國網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司,河北 保定 071000)

針對GIL-GIS系統(tǒng)在雷擊站外桿塔形成反擊時站內(nèi)設(shè)備的過電壓情況,提出建立基于EMTP程序計算的模型,分析雷電主放電通道波阻、電壓互感器(TV)和電容式電壓互感器(CVT)的入口電容等因素對雷電侵入波過電壓的影響,結(jié)合計算結(jié)果說明雷電侵入波過電壓水平隨雷電主放電通道波阻、TV和CVT入口電容的變化規(guī)律,為核電廠過電壓計算和電磁騷擾源計算提供參考。

氣體絕緣輸電線;氣體絕緣變電站;雷電侵入波;過電壓

0 引言

隨著輸變電工程電壓等級的提高、核電工程的發(fā)展和電氣設(shè)備的不斷更新,大容量和高可靠性的要求日益突出。GIL和GIS以其輸電容量大、可靠性高、占地少和免維護等諸多優(yōu)點越來越受到人們的青睞,目前在建的核電廠就多采用的模式。

從各國的實際運行來看,雷擊是輸電線路安全可靠運行的主要危害之一,電力系統(tǒng)事故中雷害事故占50%以上。對核電廠變電站來說,雷害來源有三:一是雷電直擊變電站;二是沿路傳過來的雷電波;三是變電站落雷時產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓。因為雷擊線路的機會遠比雷電直擊變電站多,所以沿線路侵入變電站的雷電過電壓是常見的,是對變電站電氣設(shè)備構(gòu)成威脅的主要方式之一[1 2]。

雷電波侵入變電站時,由于輸電線的分布參數(shù)和避雷器的非線性伏安特性,同時變電站內(nèi)設(shè)備和回路分支眾多,雷電侵入波將發(fā)生復(fù)雜的折反射[3]。高幅值寬頻帶的雷電侵入波不僅會危及站內(nèi)設(shè)備的絕緣,還可以作為電磁騷擾源,通過互感器傳導(dǎo)耦合對二次系統(tǒng)造成影響。

1 電氣主接線和運行方式

某核電廠該期工程裝機容量5 112 MWA(4 ×1 278 MWA),采用4回500 k V線路向系統(tǒng)送電。4臺發(fā)電機通過IPB采用單元接線方式與主變壓器相連;12臺容量為400 MVA的500 k V主變壓器構(gòu)成4組三相系統(tǒng);主變壓器經(jīng)長約400～600 m的三相分體式GIL連入500 k V變電站。500 k V變電站為戶內(nèi)三相分體式GIS,四回出線的門型構(gòu)架相連成一個整體,線路采用同塔雙回布置。

變電站內(nèi)的雷電侵入波過電壓的大小與其運行方式有關(guān)。由以往的研究及大量計算分析可知,一線一變運行方式下變電站的雷電侵入波過電壓最為嚴重[1,45],由于篇幅所限,其他運行方式的計算結(jié)果未在文中給出。該文的研究基于系統(tǒng)一線一變運行方式。

2 計算模型和計算條件

基于EMTP程序計算變電站的雷電侵入波過電壓時,需要對變電站的各部分進行合理的模擬,下面給出此系統(tǒng)計算模型的建立。

2.1 雷電入侵變電站的方式

變電站的雷電侵入波有兩種方式:繞擊和反擊。反擊又可分為近區(qū)雷擊和遠區(qū)雷擊:離變電站2 km及以外的為遠區(qū)雷擊,2 km以內(nèi)的為近區(qū)雷擊。以往的研究表明,最大繞擊電流較反擊計算電流小的多,產(chǎn)生的過電壓較低[67]。以往運行經(jīng)驗也表明,在500 k V線路上繞擊時形成的電壓波的幅值較低,不是決定500 k V變電站防雷接線的控制條件[8]。對變電所內(nèi)設(shè)備造成威脅的主要是近區(qū)雷擊,大量研究表明,近區(qū)雷擊的侵入波過電壓一般均高于遠區(qū)雷擊的侵入波過電壓[1,9]。

根據(jù)以上的分析,將變電站外近區(qū)雷擊反擊形成的雷電波作為侵入波來進行計算分析。

2.2 雷擊點的選擇

雷擊第幾基桿塔時站內(nèi)的雷電侵入波過電壓幅值最大并沒有統(tǒng)一的結(jié)論。一般認為雷擊1號塔會在變電站形成最嚴重的侵入波過電壓,文獻[5,10]的計算結(jié)果也得到相同的結(jié)論。但有文獻指出,1號塔和變電站的最終門型構(gòu)架(也稱0號塔)距離一般較近,雷擊1號塔塔頂時,經(jīng)地線由0號塔返回的負反射波很快返回1號塔,降低了1號塔頂電位,使侵入波過電壓減小。而2號、3號塔離0號塔較遠,受負反射波的影響較小,過電壓較高[9]。也有學(xué)者認為,因為GIS線路波阻遠小于站外架空線路,而1號塔距GIS變電站距離短,雷電波迅速在GIS入口處產(chǎn)生負波反射,與入侵波進行疊加,反而降低了過電壓,因此往往是雷擊2號塔時過電壓最為嚴重。

根據(jù)以上的分析,為確定雷擊第幾基桿塔時雷電侵入波過電壓幅值最大,需要針對電站的具體情況進行分析,該文對雷擊1號～6號塔的各種情況均進行計算分析。

2.3 計算模型

計算中取雷電流的幅值為250 k A,大于或等于它的概率為0.14%;按單相負極性雷擊計算,主放電通道波阻抗取為400Ω,雷電流的波頭及波長為2.6/50。

該文采用多段分布參數(shù)導(dǎo)線的同塔雙回緊湊型輸電線路桿塔模型;桿塔沖擊接地電阻為20Ω,門型構(gòu)架的沖擊接地電阻為10Ω。

站內(nèi)都為離相封閉導(dǎo)線,采用單相無損分布參數(shù)導(dǎo)線模擬。站外輸電線路采用JMarti頻率特性架空線模型。計算時把進出線和變電站結(jié)合起來統(tǒng)一考慮,這樣能準確的反映雷電波在進線段中的傳播過程。避雷器采用非線性的MOV模型表示。

由于雷電侵入波傳播速度快,等值頻率高,因此,變電站電氣設(shè)備如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器等用其對地等值入口電容表示。文中采用的氣體絕緣變電站中各種元件和設(shè)備的模型以設(shè)備廠家提供的參數(shù)為準。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 雷擊不同桿塔時的雷電侵入波過電壓

基于該系統(tǒng)一線一變的運行方式下分析,針對變電站采用一線一變的運行方式進行研究,分析雷擊門型構(gòu)架(0號)和1號～6號塔時電壓互感器(CVT、TV)和主變壓器(Tr)處的雷電侵入波過電壓,計算結(jié)果如圖1和表1所示。

圖1 雷擊不同桿塔情況下雷電過電壓峰值曲線示意

表1雷擊不同桿塔情況下雷電過電壓峰值列表

另外,雷擊門型構(gòu)架時雷電侵入波過電壓很小,這是由于門型構(gòu)架的總波阻抗和沖擊接地電阻比較小,負反射波很快返回雷擊點,降低了雷擊點的電位,使侵入波過電壓減小。隨著被擊桿塔距變電站距離的增大,雷電侵入波過電壓總體呈降低趨勢,這是由于各個桿塔均對雷電流有分流作用,并且離變電站越遠,雷電流進入變電站前的衰減就越大,流入變電站的雷電流越小。

該文以雷擊1號塔時雷電波的侵入情況進行計算分析。圖2為雷擊1號塔時電壓互感器和主變壓器處的過電壓曲線。

從圖2可以看出,過電壓波形為震蕩波,這是由于輸電線的分布參數(shù)以及避雷器的非線性伏安特性,加之變電站內(nèi)設(shè)備和回路分支眾多,雷電侵入波發(fā)生復(fù)雜的折反射,另外,變電站內(nèi)的電感和電容在避雷器殘壓作用下產(chǎn)生了電磁震蕩。

圖2 雷擊1號桿塔時電壓互感器和主變壓器壓器處過電壓波形示意

3.2 雷電主放電通道波阻對過電壓的影響

雷電主放電通道波阻抗Z是不確定量,不同文獻給出了不同的計算值,一般認為在300～3 000Ω。為了在工程計算中對雷電主放電通道波阻適當取值,有必要研究其對于雷電侵入波過電壓大小的影響。

圖3 過電壓峰值隨雷電主放電通道波阻變化曲線

從圖4可以看出,雷電主放電通道波阻的變化對于雷電侵入波過電壓整體來說影響不大,波阻在600Ω及以下時,主變壓器和互感器處的雷電侵入波過電壓隨主放電通道波阻的增大而增大,當波阻超過600Ω后其對過電壓的影響很小。以往計算同等級的雷電流幅值下雷電反擊產(chǎn)生的侵入波過電壓時主放電通道波阻經(jīng)常取300Ω[3]。在工程中,為計算結(jié)果的包絡(luò)性考慮,建議同等級的雷電流幅值反擊時主放電通道波阻取600Ω。

3.3 電壓互感器入口電容對過電壓的影響

電壓互感器的入口電容一般基于實測或經(jīng)驗取值。為在研究過電壓和電磁騷擾源計算中更好地進行取值,有必要研究電壓互感器入口電容對于雷電侵入波過電壓的影響規(guī)律。

圖4 過電壓峰值隨CVT入口電容變化曲線

圖5 過電壓峰值隨TV入口電容變化曲線

從圖4和圖5可以看出,隨TV和CVT入口電容的逐漸增大,CVT和主變壓器處的過電壓變化很小,這是因為CVT和主變壓器附近都裝有避雷器,過電壓水平主要受避雷器殘壓的影響;TV處的過電壓可以明顯反映變化趨勢,隨TV和 CVT入口電容的增大都表現(xiàn)為先增大后減小。對于500 k V系統(tǒng),在計算中CVT的入口電容一般取3 000～5 000 p F,TV的入口電容一般取100～1 000 p F[8],因此,在工程計算中為了考慮包絡(luò)性,建議CVT的入口電容取3 000 p F,PT的入口電容取1 000 p F。

4 結(jié)論

[1] 李 飛.500 k V GIS變電站雷電過電壓保護研究[D].湖南:長沙理工大學(xué),2009.

[2] 劉 平,吳廣寧,隋 彬,等.雷電流波形參數(shù)估計仿真研究[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(34):

[3] 袁兆祥,周洪偉.500 k V HGIS變電站雷電侵入波的計算分析[J].高電壓技術(shù),2007,33(6):

[4] 陳家宏,呂 軍,錢之銀,等.輸電線路差異化防雷技術(shù)與策略[J].高電壓技術(shù),2009,35(12):

[5] 束洪春,曹璞璘,楊競及,等.考慮互感器傳變特性的輸電線路暫態(tài)保護雷擊干擾與線路故障識別方法[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(3):112.

[6] 彭 勇,王志新,陳 軍,等.輸電線路雷擊故障定位與識別[J].高電壓技術(shù),2010,36(2):

[7] 梁澤慧.輸電線路雷擊仿真與識別方法研究[D].保定:華北電力大學(xué),2014.

[8] 孟 毅.500 k V超高壓變電站過電壓計算與絕緣配合研究[D].湖北:華中科技大學(xué),2007.

[9] 丁 晨,鄭建勇,項 玲,等.110 k V GIS變電所進線電纜末端雷電過電壓研究[J].電力自動化設(shè)備,2007,27(2): 5558.

[10] 莊秋月.1 000 k V變電站雷電侵入波的分析研究[D].北京:北京交通大學(xué),2010.

本文責任編輯:王麗斌

Analysis of Lightning Intruding Over-voltage in Nuclear Power Plant 500 k V GIL-GIS System

Yin Hong,Zhang Lihui,Ma Jingjing,Kong Linghao
(State Grid Hebei Electric Power Corperation Baoding Power Supply Branch,Baoding 071000,China)

The operation mode which is studied in the present is one transformer bank and one transmission line.The lightning intruding over-voltage generated by counter-flashover is analyzed and the model based on EMTP program is established.Then, the effects of lightning main discharge channel wave impedance and entrance capacitance on lightning over-voltage are analyzed. The calculation results show the varying over-voltage level effected by lightning main discharge channel wave impedance and entrance capacitance.The results of the present puts forward some proposals in over-voltage calculations or in calculations on electromagnetic disturbance sources for reference.

gas insulated transmission line;gas insulated substation;lightning intruding;over-voltage

TM86

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尹 宏(1987-),男,工程師,主要從事電力系統(tǒng)繼電保護方面工作。