劉守豹，侯俊宏，方 圓，李 欣，楊 劍

(1.大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 廣元 628400)

0 引 言

水力發(fā)電廠多位于高山峽谷地理?xiàng)l件區(qū)域，由于地形地貌復(fù)雜，其送出線路雷擊概率較高[1-2]。

同時(shí)，水力發(fā)電廠因地理位置和空間受限的原因，多采用GIS進(jìn)行全封閉設(shè)計(jì)，在實(shí)際運(yùn)行過程中，GIS熱備斷路器斷口或其他部件因雷擊或多重雷擊發(fā)生損壞的情況時(shí)有發(fā)生[3-6]。

由于GIS管道的波阻抗極小(只有同電壓等級(jí)

架空輸電線路的1/12～1/15)，侵入GIS內(nèi)的雷電波在管道內(nèi)來回反射，會(huì)形成陡度較高的過電壓[7-9]。對(duì)于分?jǐn)酄顟B(tài)的GIS斷路器，雷電侵入波在斷路器斷口處形成的過電壓幅值將因?yàn)榘l(fā)生反射而達(dá)到侵入過電壓的2倍，嚴(yán)重威脅了GIS的安全運(yùn)行[10]。對(duì)于GIS升壓站的雷電侵入波防治，通常的做法是使用在戶外場(chǎng)安裝出線間隔避雷器[11-16]。如果戶外場(chǎng)與GIS斷路器之間的管道過長且中間沒有GIS罐式避雷器，將使升壓站防雷問題復(fù)雜化。

下面從某水電廠發(fā)生的一起GIS雷電擊穿故障入手，設(shè)計(jì)了一種雷電侵入波阻礙電抗器，通過與站用避雷器配合，防止雷電侵入波損壞升壓站設(shè)備。為驗(yàn)證該思路的有效性，基于ATP-EMTP建立了電磁暫態(tài)仿真分析模型，對(duì)不同運(yùn)行方式下雷電侵入波過電壓幅值、各種防雷措施的有效性、阻斷電容器電磁特性等進(jìn)行仿真計(jì)算。研究成果對(duì)于雷擊故障頻發(fā)的發(fā)電廠GIS升壓站的防雷工作具有重要參考價(jià)值。

1 某水力發(fā)電廠GIS雷擊故障情況

水力發(fā)電廠總裝機(jī)為容量1100 MW(4×275 MW)，主接線為三角形接線，單回500 kV出線接入電網(wǎng)變電站。發(fā)電廠升壓站為GIS室內(nèi)站，戶外場(chǎng)以后均采用GIS管道形式布置，水力發(fā)電廠GIS升壓站主接線見圖1。

圖1 GIS升壓站接線

事故發(fā)生時(shí)，發(fā)電廠出現(xiàn)強(qiáng)雷雨天氣，送出線路走廊有大量雷電活動(dòng)。首先出現(xiàn)的是C相高阻接地，接地故障觸發(fā)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，繼而C相斷路器1、斷路器2同時(shí)跳閘，斷路器斷口開斷，C相導(dǎo)線處于電位懸浮狀態(tài)。接著，架空線C相導(dǎo)線遭受雷擊，雷電侵入波通過線路進(jìn)入戶外場(chǎng)，出線間隔避雷器動(dòng)作，電壓互感器記錄到的過電壓幅值為1298 kV，而避雷器20 kA標(biāo)稱放電電流下沖擊殘壓為1065 kV，這表明雷電侵入波電流幅值超過了20 kA，為大幅值雷電流引起的侵入波。最后，C相斷路器1、斷路器2重合閘，合閘瞬間C相金屬性接地，斷路器1、斷路器2三相同時(shí)跳閘，故障錄波情況見圖2。經(jīng)查，GIS出線管道氣室支柱絕緣子發(fā)生擊穿，如圖3所示，該絕緣子位于管道預(yù)留高抗引線位置，此處導(dǎo)體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電場(chǎng)畸變，是GIS絕緣的薄弱點(diǎn)。

圖2 水力發(fā)電廠故障錄波

圖3 故障點(diǎn)放電情況

從上面的分析可知，雷電侵入波是在線路跳閘斷路器斷口分開的情況下侵入的，雖然在電壓互感器處測(cè)得的過電壓幅值為1298 kV，但是在GIS管道內(nèi)斷路器斷口處形成的入射與反射電壓疊加幅值應(yīng)遠(yuǎn)大于該數(shù)字。

2 GIS升壓站模型的建立

采用ATP-EMTP建立水力發(fā)電廠雷電侵入波分析模型，如圖4所示，其中戶外場(chǎng)出線間隔避雷器型號(hào)為Y10W-444/1015，戶外場(chǎng)一次設(shè)備二分裂連接線型號(hào)為2×LGJQT-1400/35。架空線1號(hào)桿塔類型為5A-ZM1直線酒杯塔，1號(hào)桿塔距離升壓站戶外場(chǎng)300 m，500 kV導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-400/50，地線型號(hào)為GJ-70，絕緣子串為28片XP-160型絕緣子，線路檔距為500 m，桿塔接地電阻為2 Ω，雷電流波形采用1．2/50 μs單極脈沖波。500 kV GIS額定雷電沖擊耐受電壓(1．2/50 μs)相對(duì)地為1675 kV，斷口為2125 kV，GIS管道由單芯電纜模擬。為了便于分析，在故障點(diǎn)和2號(hào)斷路器分別設(shè)置電壓觀測(cè)點(diǎn)1和觀測(cè)點(diǎn)2。

圖4 GIS升壓站雷電侵入波分析模型

圖5 30 kA雷電流繞擊1號(hào)桿塔A相導(dǎo)線時(shí)觀測(cè)點(diǎn)電壓波形

圖6 30 kA雷電流繞擊1號(hào)桿塔A相導(dǎo)線時(shí)避雷器電流波形

采用30 kA的雷電流繞擊1號(hào)桿塔A相導(dǎo)線，此種情況下由于雷擊點(diǎn)離升壓站出線避雷器較近，不會(huì)發(fā)生線路絕緣子串擊穿。分別對(duì)1、2號(hào)斷路器合閘和分閘兩種情況下的過電壓進(jìn)行計(jì)算，得到電壓波形如圖5所示，避雷器電流情況如圖6所示。

從圖5和圖6可知，1、2號(hào)斷路器合閘時(shí)，在雷電侵入波傳播路徑上，戶外場(chǎng)避雷器、兩組GIS避雷器均動(dòng)作，使得觀測(cè)點(diǎn)電位得到有效限制，未出現(xiàn)超過GIS耐受電壓幅值的過電壓；在1、2號(hào)斷路器分閘情況下，雖然戶外場(chǎng)避雷器動(dòng)作且釋放的雷電流幅值較大，但是由于侵入波在短路斷口的反射，觀測(cè)點(diǎn)處仍然出現(xiàn)了高幅值的過電壓。

3 常規(guī)治理措施有效性分析

以1、2號(hào)斷路器開斷情況為分析對(duì)象，用30 kA雷電流繞擊1號(hào)桿塔A相導(dǎo)線，采用加裝戶外場(chǎng)避雷器和在1號(hào)桿塔加裝線路避雷器兩種常規(guī)治理措施，考察治理措施的有效性。

3.1 加裝戶外場(chǎng)避雷器

在原有戶外場(chǎng)避雷器附近加裝一組同型號(hào)站用避雷器，與原有避雷器一起削弱雷電侵入波能量，兩組避雷器分相并聯(lián)排列，忽略兩組避雷器之間的電氣距離。計(jì)算得到電壓電流波形如圖7所示。

圖7 加裝戶外場(chǎng)避雷器后的電壓電流波形

從圖7可知，采用兩組戶外場(chǎng)避雷器的方式在一定程度上能夠有效削弱GIS管道內(nèi)和斷路器斷口的電壓幅值，但是降低的效果并不明顯，過電壓幅值在GIS耐受電壓附近。從兩組避雷器A相電流波形可知，靠近GIS的避雷器吸收的能量大于靠近線路側(cè)的避雷器吸收的能量，表明大量的雷電流能量進(jìn)入GIS是管道內(nèi)過電壓幅值高的根本原因。

3.2 在1號(hào)桿塔加裝線路避雷器

在1號(hào)桿塔A相安裝型號(hào)為YH20CX1-396/1050的線路避雷器，在30 kA雷電流繞擊1號(hào)桿塔A相導(dǎo)線時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)電壓及避雷器電流情況如圖8所示。

圖8 加裝線路避雷器后的電壓電流波形

從圖8可知，線路避雷器在雷擊后釋放了大量雷電流能量，但仍有較高幅值的雷電流侵入升壓站，導(dǎo)致觀測(cè)點(diǎn)電壓幅值接近其額定耐受值。通過加裝戶外場(chǎng)避雷器和在1號(hào)桿塔加裝線路避雷器都可以在一定程度上降低GIS管道和斷路器斷口的侵入波過電壓幅值，但是效果并不顯著。

4 雷電侵入波阻礙電抗器及其防雷效果

為了徹底解決水力發(fā)電廠GIS升壓站雷電侵入波導(dǎo)致的設(shè)備損壞問題，需要采用更加嚴(yán)格的防雷措施。根據(jù)電抗對(duì)高頻電流的阻礙作用，提出了一種雷電侵入波阻礙電抗器與避雷器配合使用的防雷思路。

4.1 設(shè)計(jì)思路及分布參數(shù)模型

雷電侵入波阻礙電抗器不是阻波器，阻波器是為電力載波通信提供信號(hào)通道的電抗器，其結(jié)構(gòu)高度較低且首尾兩端并聯(lián)了保護(hù)避雷器以便在雷電沖擊下及時(shí)釋放雷電侵入波能量[17]。因此，常規(guī)電力通信領(lǐng)域使用的阻波器不能直接用于阻礙雷電侵入波。

為了能夠有效防止雷電侵入波，需要在阻波器的基礎(chǔ)上做兩點(diǎn)改造：一是增加電抗器的結(jié)構(gòu)高度；二是減小線圈匝數(shù)以降低電抗器重量。所設(shè)計(jì)的電抗器結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，電抗器分內(nèi)外兩層，其中每匝導(dǎo)線由兩個(gè)銅排并聯(lián)，每層線圈有28匝導(dǎo)線。銅排尺寸為40 mm×10 mm，每匝線圈中兩個(gè)銅排的間隙距離為10 mm，上下兩匝線圈之間的間隙距離為40 mm，內(nèi)層線圈的內(nèi)徑為360 mm，內(nèi)外層線圈之間的間距為30 mm，電抗器結(jié)構(gòu)高度為2200 mm。

圖9 電抗器尺寸參數(shù)(單位：mm)

將電抗器等分為7個(gè)單元，在ATP-EMTP中建立電抗器分布參數(shù)模型，如圖10所示，其中各單元的對(duì)地電容和自感、相鄰單元互容以及跨越一個(gè)單元的兩單元間的互容通過有限元計(jì)算方式提取，跨越多個(gè)單元的兩單元間的互容由于數(shù)量急劇下降而忽略。

在有限元軟件中建立仿真模型對(duì)分布參數(shù)進(jìn)行提取，如圖11所示；計(jì)算得到相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖10 電抗器的分布參數(shù)模型

圖11 電抗器參數(shù)提取有限元計(jì)算模型

表1 各單元的電容、電感參數(shù)(僅列出單元1-單元7)

如圖12所示，在實(shí)際使用過程中，電抗器安裝在門型架上(與載波通信電抗器類似)，在阻波器線路側(cè)、站內(nèi)側(cè)各安裝一組避雷器。

圖12 雷電侵入波阻礙電抗器安裝示意

4.2 雷電侵入波阻礙電抗器效果分析

采用30 kA雷電流繞擊1號(hào)桿塔A相導(dǎo)線，桿塔未安裝線路避雷器，此種情況下A相絕緣子串未擊穿，電壓電流波形如圖13所示。

圖13 采用侵入波阻礙電抗器后的電壓電流波形

圖14 侵入波阻礙電抗器工作時(shí)電位分布

從圖13可知，在加裝阻礙電抗器后，GIS管道內(nèi)和斷路器斷口處的雷電侵入波過電壓幅值大幅降低，實(shí)現(xiàn)了過電壓安全防護(hù)；從避雷器電流波形可知，阻礙電抗器的使用讓靠近線路側(cè)的避雷器能夠更多地釋放來自線路側(cè)的雷電能量，使侵入升壓站的能量大幅降低，減輕了靠近站內(nèi)的戶外場(chǎng)避雷器的能量釋放負(fù)擔(dān)。

阻礙電抗器自身的電位分布情況見圖14，在所述雷電流作用下，其兩個(gè)引線端電位差最大值為1150 kV，在雷電流沖擊下不會(huì)發(fā)生電抗器首尾或內(nèi)部放電的問題。

5 結(jié) 語

1)水力發(fā)電廠GIS升壓站因戶外場(chǎng)到開關(guān)站的管道過長，在斷路器處于開斷狀態(tài)下遭受雷擊，容易發(fā)生雷電侵入波在斷路器斷口處發(fā)生反射，使戶外場(chǎng)避雷器無法及時(shí)吸收雷電能量的情況，在侵入波雷電流過大時(shí)，易發(fā)生設(shè)備擊穿故障。

2)簡(jiǎn)單采用加裝戶外場(chǎng)避雷器或在1號(hào)桿塔安裝線路避雷器的方式，難以大幅削減進(jìn)入GIS的雷電流能量，對(duì)侵入波過電壓的防治效果有限，無法滿足GIS斷路器開斷情況下的防雷要求。

3)通過采用雷電侵入波阻礙電抗器和站用避雷器配合，利用雷電流侵入升壓站時(shí)在電抗器首端形成的高電位，強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)線路側(cè)避雷器對(duì)雷電流能量的大量釋放，使得進(jìn)入升壓站的雷電能量大幅減小，達(dá)到了防止GIS管道和斷路器斷口擊穿的目的。