1000kV特高壓變電站防雷保護(hù)和設(shè)備絕緣水平精

1、張翠霞等:1OOOkV特高壓變電站防雷保護(hù)和設(shè)備絕緣水平第1O期輸配電（特高壓輸電技術(shù)專欄lOOOkV特高壓變電站防雷保護(hù)和設(shè)備絕緣水平張翠霞，杜澍春，葛（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100085摘要:結(jié)合我國(guó)lOOOkV晉東南一荊門一南陽(yáng)試驗(yàn)示范工程系統(tǒng)過(guò)電壓的計(jì)算結(jié) 果，論述了絕緣配合方法的原理，推薦了本工程變電站的設(shè)備絕緣水平。同時(shí)對(duì)我國(guó)已運(yùn)行的5OOkV和75OkV變電站的直擊雷設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)分析，并對(duì)lOOOkV特高壓變電站直擊雷防護(hù)中存在的一些特殊設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算研究，推薦了 lOOOkV變電站對(duì)直擊雷的防護(hù)方法。還對(duì)晉東南變電站、南陽(yáng)開關(guān)站和荊門變電站雷電侵入波進(jìn) 行了模

2、擬計(jì)算，計(jì)算出各種運(yùn)行方式下變電站開關(guān)站的安全運(yùn)行指標(biāo)，并根據(jù)計(jì)算推 薦了確保每個(gè)變電站安全運(yùn)行年（15OO2OOOa時(shí)的避雷器保護(hù)方案。關(guān)鍵詞：特高壓;變電站；防雷保護(hù);絕緣水平中圖分類號(hào)：TM863文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1OO4-9649(2OO61O-OO21-O3收稿日期:2OO6-O8-14作者簡(jiǎn)介:張翠霞（1959-,女，北京人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓與絕緣配合 及避雷器等方面的研究。E -mail:zha ngcxe pri.ac.c n0引言lOOOkV特高壓輸電是一個(gè)新的領(lǐng)域，其防雷保護(hù)和絕緣配合都是關(guān)鍵性的技術(shù)問(wèn)題。絕緣配合是否合理將直接影響整個(gè)工 程的布局和工程

3、設(shè)備的造價(jià)，而變電站又是特高壓輸電系統(tǒng)的樞紐，起著輸電和變電 的關(guān)鍵作用，一旦發(fā)生雷擊損壞事故，有可能造成大面積停電，影響十分嚴(yán)重。所以，變 電站要求有可靠的防雷保護(hù)措施。變電站設(shè)備絕緣水平的選取1.1過(guò)電壓水平lOOOkV晉東南一荊門一南陽(yáng)試驗(yàn)示范工程工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓是經(jīng)研究提供。(1工頻過(guò)電壓a線路斷路器的變電站側(cè)：1.3p.u.。b.線路斷路器的線路側(cè)：1.4p.u.,持續(xù)時(shí)間小于0.4s。(2操作過(guò)電壓a.靠近變電站：對(duì)地為1.6p.u.相間為2.6p.u.。b.線路中部:對(duì)地為1.7p.u.相間為2.8p.u.。1.2避雷器站內(nèi)和線路側(cè)均采用額定電壓為 828kV的避雷器。1.

4、3絕緣配合原則對(duì)于電氣設(shè)備絕緣配合方法，電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的耐受電壓是以避雷器的操作沖擊、雷電沖擊保護(hù)水平為基礎(chǔ)，同時(shí)乘以一配合我國(guó)特高壓輸電系統(tǒng)，在選擇電氣設(shè)備的絕緣/特高壓系統(tǒng)的工程經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)，且應(yīng)留有一定系數(shù)（安全裕度，用慣用法加以確定的。 水平時(shí)，應(yīng)充分考慮我國(guó)和國(guó)外超高壓 的裕度。參照IEC和我國(guó)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)1,2,取絕緣配合系數(shù)如下：變壓器、高壓并聯(lián)電抗器、開關(guān)設(shè)備和電壓互感器、電流互感器等內(nèi)絕緣的操作沖擊絕緣配合系數(shù)均取1.15。變壓器內(nèi)絕緣的雷電沖擊絕緣配合系數(shù)取1.15,考慮運(yùn)行老化因素再引入一裕度系數(shù)1.15。高壓并聯(lián)電抗器、開關(guān)設(shè)備和電壓互感器、電流互感器等考慮保護(hù)距離的因素

5、，其內(nèi)絕緣的雷電沖擊絕緣配合系數(shù)取1.4。參照IEC標(biāo)準(zhǔn)1,對(duì)電氣設(shè)備外絕緣的操作沖擊和雷電沖擊的絕緣配合系數(shù)均 取1.05?？紤]有關(guān)的距離因素和海拔高度引起的氣象條件變化對(duì)于電氣設(shè)備外絕緣 放電電壓的校正之后，對(duì)于1000m及以下地區(qū)特高壓電氣設(shè)備外絕緣的耐受電壓可取該設(shè)備內(nèi)絕緣相應(yīng)耐受電壓 的同一值。1.4設(shè)備絕緣水平綜上所述，我國(guó)擬建的1000kV特高壓工程變電站設(shè)備內(nèi)、外絕緣水平推薦值如表 1所示。以下依據(jù)完成的特高壓輸電操作過(guò)電壓的研究結(jié)果3和特高壓變電所雷電過(guò)電壓的研究結(jié)果4, 中國(guó)電力 ELECTRIC P0WER第 39卷第 10 期 2006年 10 月 Vol.39,No.

6、10Oct.200621第39卷 中國(guó)電力 輸配電（特高壓輸電技術(shù)專欄表1我國(guó)特高壓電氣設(shè)備內(nèi)、外絕緣沖擊耐受電壓Tab.1l nternal and exter nal in sulati on impu Ise withsta nd voltages of Chi na UHV substati on eleme nts設(shè)備 最高電壓/kV 雷電沖擊耐壓/kV操作沖擊耐壓/kV變壓器電抗器其他設(shè)備變壓器電抗器其他設(shè)備11002250240018001800對(duì)表1所示的變壓器等電氣設(shè)備耐受電壓的可行性 作進(jìn)一步的分析。文獻(xiàn)3給出擬議中l(wèi)OOOkV電網(wǎng)的變電所中 出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓為1.56p.

7、u.。其最大過(guò)電壓可估 計(jì)為1.7 p.u.。于是變壓器和其他設(shè)備內(nèi)、外絕緣操作沖擊耐受電壓的裕度分別為17.8%和4.7%。而特 高壓變電所雷電侵入波過(guò)電壓的研究結(jié)果顯示，變 壓器和其他設(shè)備具有如表1所示的雷電沖擊耐受電 壓并配合適當(dāng)安裝氧化鋅避雷器時(shí)，變電所的耐雷 指標(biāo)不低于2000a。可見這是相當(dāng)安全的。2變電站的防雷保護(hù)變電站的雷害來(lái)自2個(gè)方面，一是雷直接擊到變 電站設(shè)備上而造成設(shè)備的損壞，簡(jiǎn)稱直擊雷；二是雷 擊到桿塔和避雷線上，造成絕緣子閃絡(luò)（反擊，或者 直接擊到導(dǎo)線上（繞擊產(chǎn)生的雷電波，波沿輸電線路 傳遞到變電站而在變電站設(shè)備上產(chǎn)生雷電過(guò)電壓引 起設(shè)備絕緣損壞，簡(jiǎn)稱侵入波。所以，變

8、電站設(shè)備的防 雷保護(hù)措施有2個(gè)方面，一個(gè)是直擊雷的防護(hù)；另一 個(gè)是雷電侵入波的防護(hù)。2.1變電站直擊雷的保護(hù)對(duì)于直擊雷的防護(hù)，國(guó)內(nèi)外通用的做法是在變 電站安裝避雷針和避雷線。從我國(guó)多年的 110 500kV變電站直擊雷防護(hù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，按照我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)程規(guī)定方法，正確設(shè)計(jì)和安裝避雷針和避 雷線的變電站，其直擊雷防護(hù)效果是可靠的。我國(guó)目前剛剛建成和正在設(shè)計(jì)的 750kV變電站，對(duì)于直擊雷防護(hù)的方法仍是沿用500kV電壓等級(jí)的方法,即現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定的方法，在變電站安 裝避雷針和避雷線。2.1.1變電站安裝避雷針（線的要求對(duì)于1000kV特高壓變電站，建議采用500kV 變電站直擊雷的防護(hù)辦法。如

9、特高壓變電站采用敝 開式高壓配電裝置（AIS時(shí)，可直接在特高壓變電站 構(gòu)架上安裝避雷針或避雷線作為直擊雷保護(hù)裝置。如特高壓變電站采用半封閉組合電器（HGIS或全 封閉組合電器（GIS時(shí)，則其GIS部分的引入、引出 套管尚需有避雷針（線的直擊雷保護(hù)裝置保護(hù)，而GIS本身僅將其外殼接至變電站接地網(wǎng)即可。在設(shè)計(jì)安裝避雷針或（和避雷線時(shí)，要使被保 護(hù)的設(shè)備在避雷針或避雷線的有效保護(hù)范圍之內(nèi) 以確保變電站設(shè)備免遭直擊雷。2.1.2變電站避雷針（線對(duì)反擊雷電過(guò)電壓保護(hù)的要求 特高壓變電站采用構(gòu)架上避雷針和（或避雷線 作為高壓配電裝置的直擊雷保護(hù)裝置時(shí)，在保證特 高壓變電站設(shè)備在避雷針或避雷線的有效保護(hù)范圍

10、 之內(nèi)的同時(shí)，還要求避雷針或避雷線與被保護(hù)設(shè)備 之間有足夠的距離。并且，避雷針或避雷線的接地裝 置的電阻盡可能小。這樣，才能保證當(dāng)雷擊避雷針或 避雷線時(shí)，不會(huì)發(fā)生對(duì)被保護(hù)設(shè)備的反擊。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2要求對(duì)于110500kV變電 站，相應(yīng)構(gòu)架與導(dǎo)線之間的空氣間隙應(yīng)與構(gòu)架上懸 掛的絕緣子串的長(zhǎng)度相當(dāng)。但對(duì)于特高壓變電站，由于耐污閃的要求，絕緣 子串長(zhǎng)度可達(dá)10m或更長(zhǎng)，如果構(gòu)架與導(dǎo)線之間的 空氣間隙也要求這樣的長(zhǎng)度，會(huì)使對(duì)構(gòu)架高度的要 求過(guò)高，給設(shè)計(jì)和建設(shè)帶來(lái)困難，并且使工程造價(jià)增加。因此對(duì)lOOOkV特高壓變電站工程，研究具有 相當(dāng)可靠的耐受反擊雷電過(guò)電壓要求的構(gòu)架與導(dǎo)線 之間的空氣間隙的距離，具

11、有實(shí)際和重要意義。以荊 門特高壓變電站設(shè)計(jì)為例，對(duì)構(gòu)架避雷線進(jìn)行反擊 雷電過(guò)電壓計(jì)算。計(jì)算中構(gòu)架支柱的沖擊接地電阻 可按4.5 Q土壤電阻率100Q? m和7.9 Q土壤電阻率500Q? m2考慮。，海拔高度按1000m時(shí)氣象條件對(duì)間隙放電電壓進(jìn)行修正。經(jīng)計(jì)算得出空氣間 隙長(zhǎng)度為7.0m較為合理。2.2變電站雷電侵入波的保護(hù)變電站設(shè)備的雷電過(guò)電壓是通過(guò)高性能的避雷 器進(jìn)行限制的。對(duì)于不同的變電站型式：敞開式、GIS 和HGIS，以及不同的變電站接線方式，應(yīng)通過(guò)計(jì)算 研究確定避雷器的安裝位置和數(shù)量，同時(shí)確定變電 站設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平。避雷器的雷電沖擊保護(hù)水平、安裝位置和數(shù)量 決定了該變電站的

12、雷電沖擊絕緣水平。因此，合理的 避雷器的安裝位置和數(shù)量便顯得尤為重要。對(duì)于特高壓變電站，應(yīng)根據(jù)變電站具體的接線情況，進(jìn)行計(jì)算研究以確定避雷器的安裝位置、數(shù)量和變電站設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平。在晉東南 一南陽(yáng)一荊門lOOOkV特高壓輸電系統(tǒng)示范試驗(yàn)工程中，晉東南為GIS變電站、南陽(yáng)為HGIS開關(guān)站、荊門為HGIS變電站。2.2.1計(jì)算方法運(yùn)用EM TP/ATP程序?qū)?個(gè)站進(jìn)行雷電侵入波計(jì)算，僅考慮變電站進(jìn)線段近區(qū)雷擊。根據(jù)變電站耐雷指標(biāo)（變電站？年，雷電過(guò)電壓故障次數(shù)的倒數(shù)來(lái)確定保護(hù)方案。前蘇聯(lián)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，特高壓變電站侵入波的耐雷指標(biāo)應(yīng)為12001500a5。鑒于晉東南一南陽(yáng)特高壓工程的重要性，

13、我國(guó)特高壓變電站22張翠霞等：1000kV特高壓變電站防雷保護(hù)和設(shè)備絕緣水平第10期輸配電（特高壓輸電技術(shù)專欄Light ning p rotect ion and in sulati on level of1000kV UHV substati onZHANG Cui-xia,DU Shu-chu n,GE Dong(Chi na Electric Power Research In stitute,Beiji ng100085,Chi naAbstract:Combi ned with the calculati on results of overvoltage on the1000kV

14、 ACUHV test and dem on strati on p roject from southeaster nShanxi province via Nanyang in Henan province to Jin gme n in Hubei province ofChin a,the method and theory of in sulati on coordi nati onwas discussed,a nd in sulati on level of the substati on equipments for this p roject was recomme nded

15、.The desig n and op erati on exp erie nces ofdirect light ning stroke shieldi ng of500kV an d750kV substatio n were an alyzed and summarized.Some sp ecial desig n p roblems on directlight ning stoke shieldi ng of1000kV AC UHV substation were calculated.The n the p rotectio n method for direct light

16、ning stroke shieldi ng of1000kV substati on was give n.Light ing incoming wave p rotect ion of Jindongnan substati on,Nanyang switch ing stati on and Jin gme n substati on were also be simulated to suggest the nu mber and locati on of MOA in substati on.For differe nt stati on op erat ing con diti o

17、n s,thesafety op eratio n guideli ne was calculated.Accord ing to the calculati on results,theMOA in stallati on schemes are put forward for en suri ngsafety op eratio n of every stati on in 1500-2000years.Key words:UHV;substati on ;light ning p rotecti on ;i nsulati on level侵入波的耐雷指標(biāo)取為15002000a=2.2.

18、2計(jì)算結(jié)果針對(duì)設(shè)計(jì)單位提供的3個(gè)變電站的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了防雷保護(hù)的模擬計(jì)算。計(jì)算包括 3個(gè)變電站在工程本期單線-單變運(yùn)行方式下、斷路器檢修運(yùn)行方式下以及出線間隔斷路器開斷的起動(dòng)方式下，雷擊線路時(shí)變電站的防雷保護(hù)情況。并根據(jù)計(jì)算推薦了確保3個(gè)變電站安全運(yùn)行年為15002000a時(shí)的避雷器保護(hù)方案。晉東南站,本期主接線采用雙斷路器雙母線接線。本期有一回出線和一組主變壓器運(yùn)行，出線連接在雙斷路器間隔上，主變壓器通過(guò)跨條連接雙母線。避雷器配置方案是在出線、主變壓器回路、高抗回路及雙母線上均安裝一組避雷器，其中出線CVT、出線避雷器、高抗和高抗避雷器在同一間隔內(nèi)。計(jì)算結(jié)果表明:原避雷器配置方案下，可滿足防雷

19、保護(hù)要求。南陽(yáng)HGIS開關(guān)站本期主接線采用雙斷路器雙母線接線，南陽(yáng)站本期僅有兩回出線運(yùn)行，晉東南1出線連接在雙斷路器間隔上，荊門2出線通過(guò)跨條連接兩母線。原避雷器配置方案是在斷路器間隔中部、高抗回路和兩母線上各安裝一組避雷器。計(jì)算結(jié)果表明:僅需將晉東南1線進(jìn)線段保護(hù)角降為5°,南陽(yáng)開關(guān)站可以滿足防雷保護(hù)要求。荊門HGIS變電站，本期主接線采用雙斷路器雙母線接線，荊門站本期有一回出線和一組主變壓器運(yùn)行，出線連接在雙斷路器間隔上，主變壓器通過(guò)跨條連接雙母線。原避雷器配置方案是主變壓器回路、高抗回路、出線CVT處以及雙母線上各安裝一組避雷器。計(jì)算結(jié)果表明：荊門變?cè)谶M(jìn)線段保護(hù)角降為3°時(shí)，可滿足防雷保護(hù)要求。3結(jié)語(yǔ)(llOOOkV特高壓電氣設(shè)備內(nèi)、外絕緣沖擊絕緣水平推薦值見表1 0(2對(duì)于lOOOkV特高壓變電站直擊雷的防護(hù)，建議仍采用5OOkV變電站直擊雷的防護(hù)辦法，即按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定的辦法，在變電站安裝避雷針和避雷線。(3對(duì)于特高壓變電站避雷針(線對(duì)反擊雷電過(guò)電壓保護(hù)的要求，通過(guò)對(duì)荊門特高壓變電站構(gòu)架反擊雷電過(guò)電壓的計(jì)算研究，構(gòu)架與導(dǎo)線之間的空氣間隙取7m為宜。(4對(duì)于lOOOkV特高壓變電站雷電侵入波的防護(hù),通過(guò)安裝高性能的避雷器進(jìn)行限制。應(yīng)針對(duì)具體的