核电厂500 kV GIL-GIS系统雷电侵入波过电压分析

尹 宏,张立辉,马晶晶,孔令号

(国网河北省电力公司保定供电分公司,河北 保定 071000)

核电厂500 kV GIL-GIS系统雷电侵入波过电压分析

尹 宏,张立辉,马晶晶,孔令号

(国网河北省电力公司保定供电分公司,河北 保定 071000)

针对GIL-GIS系统在雷击站外杆塔形成反击时站内设备的过电压情况,提出建立基于EMTP程序计算的模型,分析雷电主放电通道波阻、电压互感器(TV)和电容式电压互感器(CVT)的入口电容等因素对雷电侵入波过电压的影响,结合计算结果说明雷电侵入波过电压水平随雷电主放电通道波阻、TV和CVT入口电容的变化规律,为核电厂过电压计算和电磁骚扰源计算提供参考。

气体绝缘输电线;气体绝缘变电站;雷电侵入波;过电压

0 引言

随着输变电工程电压等级的提高、核电工程的发展和电气设备的不断更新,大容量和高可靠性的要求日益突出。GIL和GIS以其输电容量大、可靠性高、占地少和免维护等诸多优点越来越受到人们的青睐,目前在建的核电厂就多采用的模式。

从各国的实际运行来看,雷击是输电线路安全可靠运行的主要危害之一,电力系统事故中雷害事故占50%以上。对核电厂变电站来说,雷害来源有三:一是雷电直击变电站;二是沿路传过来的雷电波;三是变电站落雷时产生的感应过电压。因为雷击线路的机会远比雷电直击变电站多,所以沿线路侵入变电站的雷电过电压是常见的,是对变电站电气设备构成威胁的主要方式之一[1 2]。

雷电波侵入变电站时,由于输电线的分布参数和避雷器的非线性伏安特性,同时变电站内设备和回路分支众多,雷电侵入波将发生复杂的折反射[3]。高幅值宽频带的雷电侵入波不仅会危及站内设备的绝缘,还可以作为电磁骚扰源,通过互感器传导耦合对二次系统造成影响。

1 电气主接线和运行方式

某核电厂该期工程装机容量5 112 MWA(4 ×1 278 MWA),采用4回500 k V线路向系统送电。4台发电机通过IPB采用单元接线方式与主变压器相连;12台容量为400 MVA的500 k V主变压器构成4组三相系统;主变压器经长约400～600 m的三相分体式GIL连入500 k V变电站。500 k V变电站为户内三相分体式GIS,四回出线的门型构架相连成一个整体,线路采用同塔双回布置。

变电站内的雷电侵入波过电压的大小与其运行方式有关。由以往的研究及大量计算分析可知,一线一变运行方式下变电站的雷电侵入波过电压最为严重[1,45],由于篇幅所限,其他运行方式的计算结果未在文中给出。该文的研究基于系统一线一变运行方式。

2 计算模型和计算条件

基于EMTP程序计算变电站的雷电侵入波过电压时,需要对变电站的各部分进行合理的模拟,下面给出此系统计算模型的建立。

2.1 雷电入侵变电站的方式

变电站的雷电侵入波有两种方式:绕击和反击。反击又可分为近区雷击和远区雷击:离变电站2 km及以外的为远区雷击,2 km以内的为近区雷击。以往的研究表明,最大绕击电流较反击计算电流小的多,产生的过电压较低[67]。以往运行经验也表明,在500 k V线路上绕击时形成的电压波的幅值较低,不是决定500 k V变电站防雷接线的控制条件[8]。对变电所内设备造成威胁的主要是近区雷击,大量研究表明,近区雷击的侵入波过电压一般均高于远区雷击的侵入波过电压[1,9]。

根据以上的分析,将变电站外近区雷击反击形成的雷电波作为侵入波来进行计算分析。

2.2 雷击点的选择

雷击第几基杆塔时站内的雷电侵入波过电压幅值最大并没有统一的结论。一般认为雷击1号塔会在变电站形成最严重的侵入波过电压,文献[5,10]的计算结果也得到相同的结论。但有文献指出,1号塔和变电站的最终门型构架(也称0号塔)距离一般较近,雷击1号塔塔顶时,经地线由0号塔返回的负反射波很快返回1号塔,降低了1号塔顶电位,使侵入波过电压减小。而2号、3号塔离0号塔较远,受负反射波的影响较小,过电压较高[9]。也有学者认为,因为GIS线路波阻远小于站外架空线路,而1号塔距GIS变电站距离短,雷电波迅速在GIS入口处产生负波反射,与入侵波进行叠加,反而降低了过电压,因此往往是雷击2号塔时过电压最为严重。

根据以上的分析,为确定雷击第几基杆塔时雷电侵入波过电压幅值最大,需要针对电站的具体情况进行分析,该文对雷击1号～6号塔的各种情况均进行计算分析。

2.3 计算模型

计算中取雷电流的幅值为250 k A,大于或等于它的概率为0.14%;按单相负极性雷击计算,主放电通道波阻抗取为400Ω,雷电流的波头及波长为2.6/50。

该文采用多段分布参数导线的同塔双回紧凑型输电线路杆塔模型;杆塔冲击接地电阻为20Ω,门型构架的冲击接地电阻为10Ω。

站内都为离相封闭导线,采用单相无损分布参数导线模拟。站外输电线路采用JMarti频率特性架空线模型。计算时把进出线和变电站结合起来统一考虑,这样能准确的反映雷电波在进线段中的传播过程。避雷器采用非线性的MOV模型表示。

由于雷电侵入波传播速度快,等值频率高,因此,变电站电气设备如变压器、隔离开关、断路器、互感器等用其对地等值入口电容表示。文中采用的气体绝缘变电站中各种元件和设备的模型以设备厂家提供的参数为准。

3 计算结果及分析

3.1 雷击不同杆塔时的雷电侵入波过电压

基于该系统一线一变的运行方式下分析,针对变电站采用一线一变的运行方式进行研究,分析雷击门型构架(0号)和1号～6号塔时电压互感器(CVT、TV)和主变压器(Tr)处的雷电侵入波过电压,计算结果如图1和表1所示。

图1 雷击不同杆塔情况下雷电过电压峰值曲线示意

表1雷击不同杆塔情况下雷电过电压峰值列表

另外,雷击门型构架时雷电侵入波过电压很小,这是由于门型构架的总波阻抗和冲击接地电阻比较小,负反射波很快返回雷击点,降低了雷击点的电位,使侵入波过电压减小。随着被击杆塔距变电站距离的增大,雷电侵入波过电压总体呈降低趋势,这是由于各个杆塔均对雷电流有分流作用,并且离变电站越远,雷电流进入变电站前的衰减就越大,流入变电站的雷电流越小。

该文以雷击1号塔时雷电波的侵入情况进行计算分析。图2为雷击1号塔时电压互感器和主变压器处的过电压曲线。

从图2可以看出,过电压波形为震荡波,这是由于输电线的分布参数以及避雷器的非线性伏安特性,加之变电站内设备和回路分支众多,雷电侵入波发生复杂的折反射,另外,变电站内的电感和电容在避雷器残压作用下产生了电磁震荡。

图2 雷击1号杆塔时电压互感器和主变压器压器处过电压波形示意

3.2 雷电主放电通道波阻对过电压的影响

雷电主放电通道波阻抗Z是不确定量,不同文献给出了不同的计算值,一般认为在300～3 000Ω。为了在工程计算中对雷电主放电通道波阻适当取值,有必要研究其对于雷电侵入波过电压大小的影响。

图3 过电压峰值随雷电主放电通道波阻变化曲线

从图4可以看出,雷电主放电通道波阻的变化对于雷电侵入波过电压整体来说影响不大,波阻在600Ω及以下时,主变压器和互感器处的雷电侵入波过电压随主放电通道波阻的增大而增大,当波阻超过600Ω后其对过电压的影响很小。以往计算同等级的雷电流幅值下雷电反击产生的侵入波过电压时主放电通道波阻经常取300Ω[3]。在工程中,为计算结果的包络性考虑,建议同等级的雷电流幅值反击时主放电通道波阻取600Ω。

3.3 电压互感器入口电容对过电压的影响

电压互感器的入口电容一般基于实测或经验取值。为在研究过电压和电磁骚扰源计算中更好地进行取值,有必要研究电压互感器入口电容对于雷电侵入波过电压的影响规律。

图4 过电压峰值随CVT入口电容变化曲线

图5 过电压峰值随TV入口电容变化曲线

从图4和图5可以看出,随TV和CVT入口电容的逐渐增大,CVT和主变压器处的过电压变化很小,这是因为CVT和主变压器附近都装有避雷器,过电压水平主要受避雷器残压的影响;TV处的过电压可以明显反映变化趋势,随TV和 CVT入口电容的增大都表现为先增大后减小。对于500 k V系统,在计算中CVT的入口电容一般取3 000～5 000 p F,TV的入口电容一般取100～1 000 p F[8],因此,在工程计算中为了考虑包络性,建议CVT的入口电容取3 000 p F,PT的入口电容取1 000 p F。

4 结论

[1] 李 飞.500 k V GIS变电站雷电过电压保护研究[D].湖南:长沙理工大学,2009.

[2] 刘 平,吴广宁,隋 彬,等.雷电流波形参数估计仿真研究[J].中国电机工程学报,2009,29(34):

[3] 袁兆祥,周洪伟.500 k V HGIS变电站雷电侵入波的计算分析[J].高电压技术,2007,33(6):

[4] 陈家宏,吕 军,钱之银,等.输电线路差异化防雷技术与策略[J].高电压技术,2009,35(12):

[5] 束洪春,曹璞璘,杨竞及,等.考虑互感器传变特性的输电线路暂态保护雷击干扰与线路故障识别方法[J].电工技术学报,2015,30(3):112.

[6] 彭 勇,王志新,陈 军,等.输电线路雷击故障定位与识别[J].高电压技术,2010,36(2):

[7] 梁泽慧.输电线路雷击仿真与识别方法研究[D].保定:华北电力大学,2014.

[8] 孟 毅.500 k V超高压变电站过电压计算与绝缘配合研究[D].湖北:华中科技大学,2007.

[9] 丁 晨,郑建勇,项 玲,等.110 k V GIS变电所进线电缆末端雷电过电压研究[J].电力自动化设备,2007,27(2): 5558.

[10] 庄秋月.1 000 k V变电站雷电侵入波的分析研究[D].北京:北京交通大学,2010.

本文责任编辑:王丽斌

Analysis of Lightning Intruding Over-voltage in Nuclear Power Plant 500 k V GIL-GIS System

Yin Hong,Zhang Lihui,Ma Jingjing,Kong Linghao
(State Grid Hebei Electric Power Corperation Baoding Power Supply Branch,Baoding 071000,China)

The operation mode which is studied in the present is one transformer bank and one transmission line.The lightning intruding over-voltage generated by counter-flashover is analyzed and the model based on EMTP program is established.Then, the effects of lightning main discharge channel wave impedance and entrance capacitance on lightning over-voltage are analyzed. The calculation results show the varying over-voltage level effected by lightning main discharge channel wave impedance and entrance capacitance.The results of the present puts forward some proposals in over-voltage calculations or in calculations on electromagnetic disturbance sources for reference.

gas insulated transmission line;gas insulated substation;lightning intruding;over-voltage

TM86

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尹 宏(1987-),男,工程师,主要从事电力系统继电保护方面工作。