侯俊宏

(嘉陵江亭子口水利水電開(kāi)發(fā)有限公司,四川 蒼溪 628400)

0 引言

GIS設(shè)備由于結(jié)構(gòu)緊湊、占地空間小、維護(hù)工作少等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用,是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一,實(shí)際運(yùn)行過(guò)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[1-3]。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)[2],侵入GIS內(nèi)的雷電波在管道內(nèi)來(lái)回反射,會(huì)形成陡度較高的過(guò)電壓。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(guò)電壓幅值將因?yàn)榘l(fā)生反射而得到侵入過(guò)電壓的2倍,嚴(yán)重威脅了GIS設(shè)備的安全運(yùn)行[4]。

本文以某水電站500 kV線路遭受多重雷擊引起GIS設(shè)備故障為例,通過(guò)ATP-EMTP建立電磁暫態(tài)仿真分析模型,對(duì)雷電侵入波過(guò)電壓幅值進(jìn)行仿真計(jì)算,分析了雷擊過(guò)程原因,并提出了相應(yīng)的防雷措施。該500 kV線路跨越了四川盆地北部、大巴山南緣等兩個(gè)大的地貌單元和嘉陵江、東河、恩陽(yáng)河、巴河、州河等五大水系,地勢(shì)上總體北高南低。區(qū)內(nèi)主要地貌類(lèi)型可分為侵蝕堆積地貌,侵蝕、剝蝕構(gòu)造低山丘陵區(qū),侵蝕、剝蝕構(gòu)造中低山區(qū),分為丘陵、一般山地、高山大嶺三種地形地貌單元,區(qū)域內(nèi)多為雷雨大風(fēng)和寒潮大風(fēng)等復(fù)雜的氣象環(huán)境。本文對(duì)于雷擊頻發(fā)地區(qū)的發(fā)電廠GIS開(kāi)關(guān)站和線路防雷工作具有重要參考和借鑒意義。

1 事故簡(jiǎn)介

某水電站總裝機(jī)容量1100 MW(4臺(tái)275 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組),前期主接線為三角形接線方式,預(yù)留一回出線間隔,現(xiàn)單回出線接入川東北電網(wǎng)500 kV變電站。500 kV開(kāi)關(guān)站為室內(nèi)GIS布置,出線場(chǎng)和主變壓器均采用GIS管道形式布置,主接線如圖1所示。

圖1 電氣主接線示意

1.1 事件前運(yùn)行方式

2019年10月3日9時(shí),某水電站500 kV線路走廊天氣情況為強(qiáng)降雨,伴隨大風(fēng)并有雷電。500 kV線路運(yùn)行,母線電壓524 kV,系統(tǒng)頻率50 Hz,5001、5002、5003開(kāi)關(guān)合環(huán)運(yùn)行,1、2、3、4號(hào)主變運(yùn)行,1號(hào)機(jī)組負(fù)荷34.4 MW,3號(hào)機(jī)組負(fù)荷196.4 MW,4號(hào)機(jī)組32.8 MW,2號(hào)機(jī)組停機(jī)備用,全廠總負(fù)荷263 MW。

1.2 故障經(jīng)過(guò)

2019年10月3日09時(shí)55分21秒,500 kV線路1號(hào)保護(hù)裝置光纖差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、線路2號(hào)保護(hù)裝置光纖距離保護(hù)動(dòng)作;5001、5002開(kāi)關(guān)C相跳閘,重合閘動(dòng)作后勾通三跳,5001、5002開(kāi)關(guān)三相跳閘。

檢查線路1號(hào)保護(hù)裝置保護(hù)C相跳閘出口、線路2號(hào)保護(hù)裝置保護(hù)C相跳閘出口,重合閘動(dòng)作后三相跳閘出口。

通過(guò)向電網(wǎng)申請(qǐng)線路轉(zhuǎn)檢修,檢查發(fā)現(xiàn)500 kV GIS線路側(cè)C相氣室SF6氣體分解,出現(xiàn)了SO2、H2S等特征氣體,顯示氣室內(nèi)部出現(xiàn)了大幅值故障電流。對(duì)故障氣室進(jìn)行開(kāi)蓋檢查,發(fā)現(xiàn)C相氣室原預(yù)留高抗引出線蓋板支撐絕緣子放電,如圖2所示。

圖2 故障放電點(diǎn)

從圖2可知,電弧從均壓球下側(cè)開(kāi)始,沿著支柱絕緣子表面向下發(fā)展,在GIS管道內(nèi)壁處彌撒式灼燒,造成均壓球下部金屬鋁部分熔化熔液飛濺,支柱絕緣子及金屬外殼內(nèi)壁大面積灼燒。

該絕緣子位于GIS出線管道預(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)[2]。

2 雷擊過(guò)電壓仿真分析

采用ATP-EMTP建立水電廠升壓站雷電侵入波分析模型如圖3所示,其中出線平臺(tái)線路間隔避雷器型號(hào)為Y20W5-444/1065,戶(hù)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(lèi)型為5A-ZM1直線酒杯塔,1號(hào)桿塔距離升壓站戶(hù)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1 675 kV,斷口為2 125 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[2]。

圖3 GIS升壓站雷電侵入波分析模型

2.1 雷擊過(guò)程仿真計(jì)算

2.1.1 第一次雷擊時(shí)過(guò)電壓

500 kV線路遭受第一次雷擊時(shí),兩端變電站均處于正常運(yùn)行方式,升壓站設(shè)備耐雷電沖擊過(guò)電壓的水平較高[1],且雷擊點(diǎn)距升壓站較遠(yuǎn)(約76 km處),在升壓站1、2號(hào)斷路器合閘時(shí),在雷電侵入波傳播路徑上,線路避雷器、兩組GIS母線避雷器均動(dòng)作,致使雷電流的陡度和幅值均降低,雷電侵入波得到有效限制,未出現(xiàn)超過(guò)GIS耐受電壓幅值的過(guò)電壓,兩側(cè)縱聯(lián)距離啟動(dòng)后均未動(dòng)作,縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。通過(guò)仿真計(jì)算在斷路器合閘時(shí)電壓波形和避雷器電流波形如圖4所示。

2.1.2 第二次雷擊時(shí)過(guò)電壓

500 kV線路遭受第二次雷擊時(shí),升壓站1、2號(hào)斷路器處于熱備用狀態(tài),升壓站的耐雷電沖擊過(guò)電壓的水平較正常情況低,雖然戶(hù)外場(chǎng)避雷器動(dòng)作且釋放的雷電流幅值較大,但是由于雷電侵入波在斷路器斷口的反射,觀測(cè)點(diǎn)處仍然出現(xiàn)了高幅值的過(guò)電壓[2],超過(guò)了GIS設(shè)備耐雷水平,設(shè)備絕緣薄弱點(diǎn)將首先擊穿。通過(guò)仿真計(jì)算在斷路器分閘時(shí)電壓波形和避雷器電流波形如圖5所示。

圖5 斷路器分閘狀態(tài)電壓波形和避雷器電流波形

3 原因分析

基于仿真計(jì)算與故障錄波及保護(hù)裝置的錄波綜合分析故障原因如下:500 kV線路C相在09時(shí)55分21秒178毫秒至22秒365毫秒,在1068毫秒內(nèi)連續(xù)發(fā)生兩次故障。線路第一次雷擊時(shí),兩套保護(hù)均動(dòng)作,行波測(cè)距顯示約76 km,1、2號(hào)斷路器C相跳閘,在斷路器重合閘動(dòng)作時(shí)間內(nèi),線路遭受第二次雷擊,雷電侵入波達(dá)到斷路器斷口處發(fā)生反射,過(guò)電壓大幅度提高,此次故障中電壓峰值1 236 kV,波頭時(shí)間600 μs,為緩波頭過(guò)電壓,已超過(guò)GIS的理論過(guò)電壓耐受值。此時(shí)1、2號(hào)斷路器C相重合閘動(dòng)作,C相重合在永久故障點(diǎn)上,縱聯(lián)差動(dòng)、縱聯(lián)距離、距離I段等保護(hù)動(dòng)作,線路重合閘不成功,斷路器三相跳閘,行波測(cè)距顯示為0.1 km和72.2 km,上述表明,保護(hù)動(dòng)作正確,存在兩個(gè)故障點(diǎn)。近端故障點(diǎn)位于管道預(yù)留高抗位置,此處導(dǎo)體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且安裝了支柱絕緣子,電場(chǎng)在此處出現(xiàn)畸變,是GIS絕緣的薄弱點(diǎn)[2],因此,在大幅值過(guò)電壓作用下?lián)舸?/p>

4 防雷措施

(1)通過(guò)在復(fù)雜地形多雷地區(qū)的線路安裝線路避雷器、改造桿塔接地電阻,在升壓站出線場(chǎng)加裝避雷器,實(shí)現(xiàn)雷電能量沿傳播路徑逐步釋放,可采用輸電線路防雷與升壓站防雷相結(jié)合的升壓站防雷治理策略。

(2)采用增強(qiáng)絕緣的技術(shù)手段,通過(guò)使用高絕緣強(qiáng)度的絕緣材料、合理設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格控制工藝等方式,以提高電氣設(shè)備的絕緣性能和耐壓水平,降低絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)提出升壓站安裝雷電侵入波阻礙電抗器的設(shè)想,利用電抗器對(duì)陡波頭雷電流的阻礙作用,將雷電侵入波能量阻止在升壓站外并通過(guò)站用避雷器釋放,解決大幅值雷電侵入波進(jìn)入升壓站的問(wèn)題,可有效避免升壓站雷擊事故。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)上述500 kV線路遭受多重雷擊發(fā)生的設(shè)備事故案列,可知在線路遭受雷擊,同時(shí),升壓站斷路器處于熱備用狀態(tài),雷電侵入波過(guò)電壓會(huì)在開(kāi)路末端發(fā)生電壓全反射,造成過(guò)電壓水平大幅度提高,可能大大超過(guò)設(shè)備耐受過(guò)電壓能力,對(duì)電氣設(shè)備造成威脅或損壞。建議在設(shè)計(jì)、采購(gòu)時(shí)要充分考慮設(shè)備本身的耐受過(guò)電壓能力,在日常運(yùn)維中采取相應(yīng)的過(guò)電壓保護(hù)防范措施,確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。