多雷地区110kV和220kV敞开式变电所的雷电侵入波保护-中试控股

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多雷地区110kV和220kV敞开式变电所的雷电侵入波保护

时间：2021-06-18

摘要：随着电网的发展，进线断路器出现暂时分闸状态的概率随之增多。近年来南方多雷地区发生多起由雷电侵入波过电压引起的暂时分闸的SF6断路器或电流互感器内部绝缘击穿爆炸的事故。作者提出在多雷地区新设计的110kV 和220kV 敞开式变电所，无间隙金属氧化物避雷器（MOA）宜装设在每回进线的断路器线路侧。文章通过雷电侵入波过电压的计算分析，给出了MOA至变压器之间的最大保护距离，即取标准DL/T620-1997中规定的MOA装在母线上的数值。对已运行的变电所，确需考虑进线路断路器出现暂时性分闸状态又要加以保护时，可视安装位置的方便在进线断路器线路侧附近或进线终端塔上增设一组MOA，MOA至分闸断路器之间的最大保护距离按本文推荐的数据取值。MOA安装在进线终端塔上，杆塔接地装置的冲击接地电阻应小于7W。

    1  引言
    中试控股电力讲解变电所的雷电侵入波保护靠两道防线：一是设置进线保护段，以减少危险雷电侵入波产生的机会；二是在变电所内装设避雷器，以限制雷电侵入波过电压的幅值。对于110kV和220kV敞开式变电所，按照文献[1]的规定，应设置1~2km 的进线保护段，即采用双避雷线，避雷线的保护角宜小于20o ，并尽可能降低杆塔接地电阻，使进线保护段具有较高的耐雷水平；另外应在变电所母线上装设无间隙金属氧化物避雷器（MOA），MOA与电气设备之间的最大距离不超过文献[1]中规定的数值，否则应在变压器回路增设MOA。以往的运行经验表明，110kV和220kV敞开式变电所采用上述保护方式，耐受雷电侵入波过电压的可靠性是相当高的。
    近年来我国电网发展迅速，110kV和220kV输电线路回数、长度和变电所数量急剧增加，在南方多雷地区相继发生了多起雷电侵入波过电压引起SF6断路器或电流互感器（CT）内部绝缘击穿爆炸的事故。多数是在运行方式变化或故障情况下，进线断路器处于暂时分闸状态，断路器和CT等设备脱离母线避雷器的保护时，雷电侵入波沿进线侵入并经分闸的断路器末端反射产生很高的过电压，使断路器或CT内部绝缘击穿，短路电流注入的能量引起断路器爆炸或在断路器合闸时引起CT爆炸。究其深层原因，一是雷电活动强烈，架空线路遭受雷击的概率大；二是电网的发展增加了进线断路器出现暂时分闸状态的机会，两种情况的叠加已使上述事故的发生频度不容忽视。
    基于上述情况，本文提出在多雷地区新设计110kV和220kV 敞开式变电所时MOA宜装设在每回进线的断路器线路侧。并通过对110kV 和220kV 敞开式变电所雷电侵入波过电压的计算分析，给出了MOA的最大保护距离，对已运行的变电所增设MOA的方案也给出了建议。
2  雷击引起分闸断路器闪络的情况分析
    变电所进线断路器处于暂时分闸状态的情况有： ① 因雷击、人为外力破坏、污闪、设备故障或保护误动等原因导致线路断路器跳闸，在重合闸之前断路器处于短时分闸状态； ② 断路器分闸后重合不成功，不能马上恢复送电，又未做好安全措施（即拉开有关隔离开关、将线路两侧接地隔离开关合上），在这段时间内断路器实际上处于分闸状态。对无人职守的变电所，尤其在雷暴天气时后一种情况会经常遇到，且持续时间有时达数小时。以上两种断路器暂时分闸状态的存在，加上多雷地区雷电活动强烈，造成了雷电侵入波事故的频繁发生。
    国际大电网会议第33.11工作组于1998年发表了“雷击引起分闸断路器闪络”的事故调查报告[2]。该报告共收到16个国家的45个电力公司的答复，这些电力公司中有17个曾因雷击引起分闸断路器闪络，共报道了40次闪络，电压等级从72.5kV到765kV。调查结果表明，闪络的断路器既有SF6断路器也有空气断路器和少油断路器，绝大多数闪络发生在户外变电站；影响分闸断路器雷击闪络的最重要因素是过电压保护类型，在运行中未发生这类闪络事故的电力公司，架空线进线上都有有效的过电压保护，如：对线路导线有良好屏蔽、低的杆塔接地电阻和安装了避雷器等，这些线路即使在雷电水平达每年50个雷暴日的地区也没有雷击闪络的报道。中试控股电力讲解但一些忽视防雷保护，雷电水平并未超过每年20个雷暴日的地区，却发生了高达31次的雷击闪络；多数断路器的闪络发生在重合闸的死区时间，这显然是由于多重雷击连续作用引起的。
    综合国内外的运行情况可见，在多雷地区应加强敞开式变电所的雷电侵入波保护，其有效的办法就是改变变电所现有仅在母线上装设MOA的布置方式，而将MOA装设在变电所进线断路器的线路侧。GIS变电所已经如此，文献[1]中也有规定。
3  MOA与设备间的最大保护距离
3.1  新设计的变电所
    对于新设计的变电所宜在每回进线的断路器线路侧装设MOA，MOA至变压器之间的电气距离最远，其值超过最大保护距离时应适当考虑在母线上或变压器支路上增设MOA。本节将通过雷电侵入波过电压的计算分析给出进线MOA对变压器的最大保护距离。
    在文献[1]标准的制订过程中，曾对35~220kV 敞开式变电所采用MOA后的保护距离进行过大量的计算研究[3]，研究中采用“耐雷可靠性相对比较法”确定最大保护距离，即以采用普通阀式避雷器（FZ）保护时变电所的耐雷可靠性指标作为“基准”，以采用MOA保护时变电所的耐雷可靠性指标为“目标”，调整MOA至变压器间的距离，“目标”接近或优于“基准”时的距离为MOA的最大保护距离。研究变电所的耐雷可靠性采用了危险波曲线方法。
    本节旨在求出MOA装在进线断路器线路侧情况下的最大保护距离，仍可采用上述方法，将MOA装在母线上的情况作为“基准”进行比较，以给出结果。

110kV和220kV敞开式变电所在单进线、两种布置方式下的等值计算接线如图1所示，图中数据为电气距离，括号外、内的数据分别对应110kV和220kV变电所。接线中的各元件参数见表1。将MOA装在进线和母线上两种位置进行比较，MOA至变压器间的最大保护距离均取文献[1]中规定的数值，对于110kV变电所进线保护段长度为1km时为55m，进线保护段长度为2km时为125m；对于220kV变电站，进线保护段长度为2km时为125/90m，斜线两侧的数据分别为BIL为950kV和850kV时的最大保护距离。

    110kV变电所单进线情况下的危险波曲线计算结果见图2。220kV变电所单进线情况下的危险波曲线计算结果见图3。比较图中的危险波曲线可以看出，无论是110kV变电所还是220kV变电所，在单进线、两种布置方式下，MOA装在进线上陡波头雷电侵入波引起的危险波曲线点均略低于MOA装在母线上的情况，而缓波头雷电侵入波引起的危险波曲线点则略高于MOA装在母线上的情况。从总体可靠性角度来看，MOA采用两种不同的安装位置但保护距离相同时保护效果相当。因此对于新设计的变电所，将MOA装在进线上，单进线情况下MOA至变压器间的最大保护距离可取文献[1]中规定的MOA装在母线上的数值。
     110kV和220kV敞开式变电所在两回进线、两种布置方式下的等值计算接线如图4所示，图中数据为电气距离，括号外、内的数据分别对应110kV和220kV变电所，接线中的各元件参数见表1。将MOA装在进线和母线两种位置时进行比较，MOA至变压器间的最大保护距离暂取文献[1]中规定的数值，对于110kV变电所，进线保护段长度为1km时为85m，进线保护段长度为2km时为170m；对于220kV变电所，进线保护段长度为2km时为195/140m，斜线两侧的数据分别为BIL为950kV和850kV时的最大保护距离。
    通过计算110kV和220kV变电所两回进线情况下的危险波曲线（曲线图省略）并比较其结果可知，无论是110kV变电所还是220kV变电所，在两回进线情况下，MOA装在进线上所有危险波曲线点均高于MOA装在母线上的情况，保护效果更好，这是因为两回进线装设两组MOA的结果。
    显而易见，在3回、4回进线情况下，装在进线上MOA的数量随之增加，与MOA装在母线上相比，保护效果将更加优越。从理论上讲，2回及以上进线情况下，MOA装在进线上与MOA装在母线上相比较，MOA至变压器间的最大保护距离会逐渐扩大，但考虑到实际变电所中MOA至变压器间的距离不会太长，现行过电压标准[1]规定的数值已经较大，因此未进行扩大距离的详细计算，可取现行过电压标准中规定的数值。中试控股电力讲解当有超过最大保护距离规定值的情况时，可按照本节采用的方法进行校核计算，一般不必再增设MOA。
3.2  已运行的变电所
    已运行的变电所母线上都装有避雷器（FZ或MOA），在正常运行方式下能可靠地保护所有电气设备，但在进线断路器处于暂时分闸状态时，进线断路器和进线CT等设备脱离了母线避雷器的保护，在多雷地区确需考虑此种情况，可视安装位置的方便在进线断路器线路侧附近或进线终端塔上增设一组MOA。本节将通过计算分析给出安装在进线终端塔上的MOA至分闸断路器间的最大保护距离。
    计算用等值接线如图5所示，计算方法和基本数据与3.1 节相同，但MOA低压端通过杆塔和接地装置接地，计算中考虑了杆塔电感和接地装置的电阻，数值为：110kV杆塔电感7.5μH，冲击接地电阻7Ω；220kV杆塔电感12.5μH，冲击接地电阻7Ω。
     分别对110kV、220kV变电所的MOA至分闸断路器间不同保护距离下的危险波曲线进行了计算，并与单进线、正常运行方式下的变电所危险波曲线进行比较，可获得各种情况下 MOA至分闸断路器间的最大保护距离如表2所示，表中的距离留有一定的裕度。
    以上的计算对来自进线终端塔以外的雷电侵入波有效。当终端塔本身遭受直击雷时塔顶电位升高，通过MOA释放于导线上，产生侵入波过电压，MOA的保护效果如何还需要计算分析。作为比较考虑了两种情况：无MOA和MOA低压端与杆塔直接连接。对110kV变电所雷击电流幅值取80kA和120kA；对220kV变电所雷击电流幅值取110kA和150kA。计算结果列于表3。可见装设MOA是有效的。
4  结论
     中试控股电力讲解多雷地区雷电活动强烈，架空线路遭受雷击的概率大，电网的发展增加了进线断路器出现暂时性分闸状态的机会，两种情况的叠加使得雷电侵入波引起110kV和220kV敞开式变电所进线断路器及CT等设备事故的发生频度不容忽视。
    在多雷地区新设计110kV和220kV敞开式变电所时，宜在每回进线的断路器线路侧装设MOA，MOA至变压器之间的最大保护距离取文献[1]中规定的MOA装在母线上的数据。
    已运行的110kV和220kV敞开式变电所，确需考虑进线断路器的暂时性分闸状态又要加以保护时，可视安装位置的方便在进线断路器线路侧附近或进线终端塔上增设一组MOA。MOA至分闸断路器之间的最大保护距离按本文推荐的数据取值。MOA安装在进线终端塔上，杆塔接地装置的冲击接地电阻应小于7W