高海拔地区500_kV线路...入波过电压及避雷器优化配置_唐滔.pdf

01高海拔地区 500kV 线路降压运行工况下雷电侵入波过电压及避雷器优化配置http:/ 电网设计 第7期 DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.07.001高海拔地区 500 kV 线路降压运行工况下雷电侵入波过电压及避雷器优化配置唐 滔1，陈小月2，王 羽2，吴华实2(1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021；2.武汉大学，湖北 武汉 430072)摘要：依托吉隆 500kV 变电站新建工程，计算不同运行方式下高海拔地区降压运行的 500kV 线路分别遭受雷电反击和雷电绕击时变电站内的雷电侵入波过电压；计算常规 220kV 线路遭受雷击时变电站内的雷电侵入波过电压并与降压运行的 500kV 线路遭受雷击的情况进行对比，发现两种情况下变电站内的过电压水平存在一定差异，基于本文的计算条件分析造成差异的原因；确定该变电站的避雷器优化配置方案，并对避雷器优化配置方案的保护效果进行了验证。关键词：变电站；降压运行；雷电侵入波；避雷器中图分类号：TM726 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)07-01-06Lightning Intrusive Wave Overvoltage and Optimal Lightning Arrester Arrangement of 500 kV Lines in Step-down Operation at High AltitudeTANGTao1,CHENXiaoyue2,WANGYu2,WUHuanshi2(1.Southwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Chengdu 610021,China;2.Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:RelyingonJilong500kVsubstationproject,thelightningintrusivewaveovervoltageofthesubstationinthehigh-altitudeareawhenthe500kVlinesufferedfromlightningstrikeiscalculatedunderdifferentoperationmodes;Thelightningintrusivewaveovervoltageofthesubstationwhenthe220kVlinesufferedfromlightningstrikeisalsocalculated.Itisnoticedthatthereisacertaindifferenceintheovervoltagelevelinthesubstationunderthetwoconditions,basedonthecalculationconditionsinthisarticle,thereasonsforthedifferenceareanalyzed;theoptimalconfigurationofthearresterofthesubstationisdetermined,andtheprotectioneffectoftheoptimalconfigurationofthearresterisverified.Keywords:substation;step-downoperation;lightningintrusivewave;lightningarrester*收稿日期：2021-06-16 第一作者简介：唐滔(1978)，男，高级工程师，从事火力发电厂、变电站电气一次设计工作。02http:/电 力 勘 测 设 计第7期0 引言为尽快满足负荷中心的电力需求，部分500 kV 变电站在 220 kV 变电部分建成后选择采用 500 kV 线路降压运行接入站内 220 kV 系统。相较于采用常规 220 kV 线路的情况，500 kV 线路降压运行接入站内 220 kV 侧系统时线路绝缘水平更高1，变电站出线段遭受雷击时线路绝缘子串的闪络特性存在一定差异2。此外，海拔高度对线路及站内设备的绝缘水平存在一定影响3-4，因此采用 500 kV 线路降压运行接入站内 220 kV 系统的高海拔变电站内雷电侵入波过电压水平将不同于常规 220 kV 变电站，站内的雷电侵入波过电压还有待进一步研究。本文计算了不同投运工况下采用 500 kV 线路降压运行接入站内 220 kV 系统的高海拔变电站内投运设备上的雷电侵入波过电压；确定了变电站的避雷器优化配置方案，并对避雷器优化配置方案的保护效果进行了验证。1 电气主接线和运行方式吉隆站为 GIS 站，其 220 kV 系统采用双母双分段接线方式，本期共 3 回出线，1#出线采用常规 220 kV 线路，2#和 3#出线采用 500 kV线路降压至 220 kV 运行接入站内 220 kV 设备，2#和 3#出线均配备线路高抗，额定电压550 kV。避雷器配置方案暂定为：1#出线的出线套管处装设 1 组避雷器，2#、3#出线的线路高抗和出线套管处各装设 1 组避雷器，2 台主变的主变进线各装设 1 组避雷器。变电站主接线及避雷器布置示意图如图 1 所示。1#出线2#出线主变1主变23#出线4M3M2MCB9CB4CB2CB8CB6CB5CB1CB3CB7DS8DS7DS1DS2DS6DS5DS12DS11DS3DS41M图1 变电站主接线及避雷器布置示意图吉隆站 220 kV 统主接线为双母线双分段方式。在常规 220 kV 线路投运的情况下，主要考虑以下 5 种投运工况：1)单段母线 1 台主变投运(1-1)；2)2 段母线 1 台主变投运(1-2)；3)2 段母线 2 台主变投运(1-3)；4)4 段母线 1 台主变投运(1-4)；5)4 段母线 2 台主变投运(1-5)。在降压运行的 500 kV 线路投运的情况下，主要考虑以下 9 种投运工况：1)投运单回线路 1 段母线 1 台主变(2-1)；2)投运单回线路 2 段母线 1 台主变(2-2)；3)投运单回线路 2 段母线 2 台主变(2-3)；4)投运单回线路 4 段母线 1 台主变(2-4)；5)投运单回线路 4 段母线 2 台主变(2-5)；6)投运双回线路 2 段母线 1 台主变(2-6)；03高海拔地区 500kV 线路降压运行工况下雷电侵入波过电压及避雷器优化配置http:/ 电网设计 第7期 7)投运双回线路 2 段母线 2 台主变(2-7)；8)投运双回线路 4 段母线 1 台主变(2-8)；9)投运双回线路 4 段母线 2 台主变(2-9)。括号内为各投运工况对应的序号。2 计算模型2.1 雷电流的选取根据相关规程5，雷电流波形采用 2.6/50 s的双指数波，雷电流极性为负极性，线路反击雷电流幅值取 216 kA，绕击雷电流幅值取各基杆塔处的最大绕击雷电流。2.2 出线段模型吉隆 500 kV 线路按两个单回路进行架设，采用 4JL/G1A-500/45 钢芯铝绞线，每回架设地线和光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead gnoud wire，OPGW)光缆各 1 根，耐张串构架和终端塔的一档采用双联 42 片盘式绝缘子。采用多波阻抗模型对杆塔进行模拟6-9，杆塔的冲击接地电阻取 7。220 kV 线路绝缘子串采用悬垂盘型瓷绝缘子，双联串每联 23 片，500 kV 线路采用双联 42 片。绝缘子串伏秒特性采用规程17推荐的公式。()()0.75400710u ttW-=+(1)式中：u(t)为绝缘子串的闪络电压，kV；t 为时间，s；W 为绝缘子串长，m。变电站所处海拔高度为 4 100 m，需要对绝缘子串的伏秒特性进行海拔修正，海拔修正采用式(2)。10008150-()mHaKe=(2)式中：H 为海拔高度；K为海拔修正系数；对于雷电冲击电压，m=1.0。计算得到变电站站址海拔高度对应的海拔修正系数为 1.46。绝缘子串闪络特性模型如图 2 所示。模拟Vcr(t)+Vpf(t)-Vco(t)部分 模拟感应过电压部分 模拟绝缘子串上的过电压 模拟绝缘子串伏秒特性 模拟判据部分 模拟绝缘子串的状态图2 TACS(transient analysis of control systems)组合 控制模型模拟绝缘子串闪络特性采用 J.Marti 模型对输电线路进行模拟10-13。杆塔计算模型采用分段波阻抗模型，如图 3 所示。ZA1ZL1ZT1ZT2ZL2ZA2ZL3ZT3RG图3 杆塔分段波阻抗模型2.3 站内各设备模型采用无损波阻抗对变电站内连接线进行模拟，如图 4、图 5 所示，站内主要设备均用等值入口电容进行等效14-16。在计算雷电过电压的绝缘配合裕度时，需要考虑老化等因素对设备耐压的影响，按照规程推荐，外绝缘安全系数取 1.05，内绝缘为 1.15，计算结果见表 1 所列。图4 变电站内连接线模型T1图5 变压器等值模型表1 站内设备雷电冲击耐受电压和绝缘保证强度项目220 kV变压器500 kV高压并联电抗器220 kV GIS设备外绝缘雷电冲击绝缘水平/kV1 5502 4751 550绝缘配合系数1.051.051.05海拔修正系数1.461.461.46总系数1.531.531.53保证耐压/kV1 0131 6171 01304http:/电 力 勘 测 设 计第7期项目220 kV变压器500 kV高压并联电抗器220 kV GIS设备内绝缘雷电冲击绝缘水平/kV9501 550950绝缘配合系数1.151.151.15保证耐压/kV8261 3478263 雷电侵入波过电压计算3.1 雷电反击侵入波过电压雷电波沿输电线路传播时，由于线路上存在一定的电晕损耗，雷电波将会不断衰减，雷击点距离变电站较远时雷电波侵入变电站内的过程中衰减程度较大，雷电侵入波在站内各设备上不会引起太高的过电压。因此，本次计算主要考虑雷击变电站出线第一基杆塔和第二基杆塔的情况。本文依据变电站的主接线和设备布置建立了电磁暂态仿真模型，利用 EMTP-ATP 软件进行仿真，计算了不同投运工况下站内各设备上的雷电反击侵入波过电压。常规 220 kV 线路投入运行对应的各类投运工况下站内设备上的雷电反击侵入波过电压最大值见表2所列。投运工况1-2即 2 段母线 1 台主变投运的情况下，主变进线沿线各设备上的过电压最大，如图 6 所示。经分析，该投运工况下所带母线较长，且投运设备较少，雷电流对地泄放的途径较少，因此站内投运设备上可能出现较为严重的过电压。降压运行的 500 kV 线路投入运行时对应的各类投运工况下站内投运设备上的雷电反击侵入波过电压计算结果见表 3 所列。在投运工况2-2即单回线路2段母线1台主变投运的情况下，站内投运设备上出现了较为严重的过电压，其中线路高抗上的过电压最为严重，如图 7 所示。高抗安装在变电站进线入口处且高抗的等值入口电容较大，有较大的雷电流流过，故相较于其他设备，高抗上出现的过电压可能更为严重。01020304050时间/s-700-550-400-250-10050200(file CHLDT_03.pl4;x-var t)v:T1A 电压/kV图6 变压器雷电反击过电压2010304050-800-600-400-2000200400(file CHLDT_03.pl4;x-var t)v:SR1A 010时间/s电压/kV图7 高抗雷电反击过电压续表表2 常规220 kV线路投运时站内设备上的雷电反击侵入波过电压投运工况设备过电压/kV避雷器电流/kA套管电容式电压互感器CVT断路器CB母线PT主变出线处避雷器 主变处避雷器1-1606.3613.86