220kV变电站一次系统及防雷保护研究

2022-02-08内蒙古电力集团有限责任公司巴彦淖尔供电分公司变电管理一处

电力设备管理 2022年24期

内蒙古电力（集团）有限责任公司巴彦淖尔供电分公司变电管理一处候敏

随着社会经济不断发展，各地对求供电稳定可靠性要求越来越高。电力在全世界扮演着重要的角色，因此采取什么方法来保障电力的稳定供应，是我国电力企业需要考虑的核心问题。变电站的一次设备作为电网的联络点，如何对其进行调控，影响着电力能否安全稳定地输送。本文就220kV变电站的一次系统，重心要放在整个一次系统的硬件设计方面，尤其是工程选址与设备配装等，要做到设计充分合理，为整个电力系统提供保障。

1 220kV变电站一次系统的重要性分析

就整个电力系统来说，其所有环节大概有以下几个方面，分别是发电与变电以及输电和配电等。而变电站在电力系统中主要对电压进行变压，并且集中产生的电能并进行输送电能等[1]。其中，一次系统设计较为重要，在一次系统设计不足的情况下，整个电力系统的安全性和稳定性都得不到保障。因此，220kV变电站必须重视该方面的设计模式。

220kV变电站的设计必须以现实情况为标准，要满足整个电力系统的需求，要做到最大效率、全面协调以及可持续发展等方面。而要满足这些方面，对变电站一次系统的要求较高，所以其设计方案必须经过不断完善，最后得出好的方案来满足各个方面的需求，适应整个电力系统所处的环境。

2 220kV变电站遭受雷击的危害及原因

2.1 雷击的危害

雷击对整个变电站的危害较大，有研究统计过，变电站的事故接近一半是由于雷击造成[2]。当雷电打在变电站的设备上时，会将设备进行击穿，导致整个绝缘子损坏严重，严重影响了变电站的正常运行，并且雷云下的感应过电压等也会影响到电力设备的正常运行，由此可见对于雷击的危害整个电力系统企业应该着重关心。

2.2 受雷击的原因

2.2.1 感应过电压

感应过电压是导致变电站受雷击的重要原因之一。其具体原理是静电感应，在雷云聚集下的架空导线会受到静电感应，其上方会聚集很多异性电荷，这些异性电荷依附于架空导线，这就导致了当发生打雷时，整个架空线路上的异性电荷得以释放，进而形成自由电荷，导致过电压的产生[3]。

2.2.2 直击雷过电压

雷云放电中，雷电直击电力设备就叫做直击雷过电压，当雷电直击设备后，整个电力设备会受到巨大的打击，大量的电流进入设备从而形成巨大电压。并且这些雷电形成的电流通过热效应，对于整个变电站的安全运行威胁较大。

2.2.3 雷电波

雷电波是由于以上两种雷击电压而产生的，这种雷电波会以架空线路为路线进入变电站内部，当整个变电站对于雷电的防护不达标时，也会造成整个变电站的部分电气设备损坏，导致电力事故的发生，造成企业经济损失。

3 220kV变电站一次系统的设计要点

3.1 加强系统设计论证

整个一次系统设计重心要放到整体结构上来，对于整个变电站的环境要调查清楚，尤其是水文与气象环境等，充分调研后才能确定变电站的选址。整个变电系统的各项数值要进行范围确定，如负荷水平与功率因数等，并且变电站的整体结构设计完成后，要不断进行讨论完善，该部分探讨必须包括变电站的地理位置、发展规模以及系统设备等方面，只有经过充分论证，才能确保整个变电站的安全可靠[4]。

3.2 重视变压器的选择

变压器作为变换电压的设备，可以改变不相等电压之间的功率互换以及输送，因此变压器的选择较为重要，从而做出合适的选用，如一个220kV变电站选用了1台180MVA变压器，并且同时预期将为3台该容量的变压器当成主要改变规模，而这个180MVA则是通过计算得到的（见表1）。

表1 220kV变电站中主变压器的主要参数

为了保障220kV变电站的安全性和可靠性，需要严格规范接地工作，采用中性点接地方法，能够在发生故障时使变电站启动保护跳闸，将故障在第一时间隔离，减少单相短路情况发生，从而避免由于变电站设备损坏而造成的经济损失。

3.3 优化电气接线形式

目前，主要有两种接线形式，一是单母线分段接线，操作简单，但不能够做到及时调整，可靠性较低；二是双母线分段接线，可变性强，其可靠性较高，但是对接线水平要求极高，整个接线工作难度加强，维护起来也较为烦琐。因此，在进行电气接线形式的设计时，要从各方面（如灵活性或经济效益等）进行考量。如某地接线形式通过早期预测，结合各方面因素，最终认为双母线接线方式投入资金少，并且空间占用低，但是其安全可靠性与单母线双分段方式相比略差，并且单母线接线方式不利于后续扩建等，根据综合考虑最终以双母线接线方式进行接线。图1为主线接线形式的表达。

图1 220kV变电站侧电气主接线形式

3.3.1 科学计算短路电流

在变电站实际运行中，故障的发生是不可避免的。而其中的短路故障是较为严重的一种，这种短路故障对整个系统的破坏力大，并且短路故障的形成原因很难确定，短路故障不单单只是造成停电，更严重的是对整个系统的设备进行损毁甚至破坏，必须有针对性的做出短路预测。

三相短路的发生率比较低，因此三相短路电流在整个接线形式、设备校验中都是重中之重的参考标准，只有满足了三相短路电流的必要条件，才能对发生此短路的电路运行提供保证。

3.3.2 优化电气设备选择

当进行科学计算后，能够得到一个计算结果，根据这个计算结果来选用电气设备。在这个计算结果下，电气设备的整个工作电压与额定电流等都能满足实际需要，尤其是在发生故障时也能得到保障，并且优化电气设备选择对整体经济效益以及系统的可靠性也是一次提高。

3.4 完善配电装置设计

配电装置的功能就是对整个系统进行保护的设备，当电力系统某处发生故障时，可以立刻检测出故障发生并且就故障发生处进行故障源的切断，通过这种切断的方式来维持整个系统的正常工作。这种配电装置的设计必须要满足可靠性、灵活性以及安全性等方面的要求，对于配电装置的选取，也要结合具体情况。

4 220kV变电站一次系统防雷保护要点及保护措施

4.1 防雷保护要点

4.1.1 避雷器种类

要对变电站的防雷工作进行详细要求，目前防雷方案有以下两方面：一是针对直击雷直击变电站；二是雷电波的入侵。就直击雷直击变电站来说，经常设立避雷针和避雷线。110kV以上的避雷针假设以房顶上作为架构避雷针。避雷针种类可分为以下几点：

第一，保护间隙：这种保护间隙与自动重合闸结合，其启动时间很久，残压高，又因为其断流能力不具备，所以经常残生续流。

第二，管式避雷器：即保护间隙的一次升级版本，不足之处是其本身也会产生截波，影响设备绝缘。保护间隙和管式避雷器仅仅使用在线路保护方面。

第三，阀式避雷器：只用于220kV以下电力系统。

第四，金属氧化物避雷器（MOA）：目前，全球范围风评最好的避雷器，各个方面性能优异，多数变电站采用MOA作为防雷保护。

4.1.2 避雷器的选择

避雷器选择技术条件：一是额定电压Un：与系统额定电压相等。二是灭弧电压Umh：与避雷器产生的过电压作比较的参数。三是工频放电电压Ugf：中性点不接地电网中，Ugf要大于运行相电压最大值的3.5倍。中性点直接接地电网中，Ugf运行相电压最大值的3倍。Ugf要大于1.8倍Umh。四是冲击放电电压Ucf：冲放电在1.5～20us内的最小放电电压值。该值一般已经做好适配工作。五是残压Ure：Ure是冲击电流流过阀片上产生的电压降。

安装原则：220kV与110kV的全线设置避雷线，而不足35kV的不架设避雷线，使用避雷针做防雷措施。110kV以上的避雷针假设以房顶上作为架构避雷针。

4.2 保护措施

4.2.1 进线保护

在220kV变电站的防雷措施中，经常运用到进线保护技术。进线保护对通过避雷器的雷击电流幅值与雷电波做调整，通过这种进线保护来对整个电气设备做保护。一般来说，在这种规模的变电站进出线处添加避雷线就可以做到一定的保护，而这种避雷线的实际安装位置也要结合实际情况来确定，通常情况下安装位置选在出线1000～2000m处的进线上。

4.2.2 内加装避雷针

避雷针的安装也是一种高效的保护手段，通过安装避雷针，可以把雷电产生的电流传入地面，这样就能防范这些电流渗入设备而造成过高电压从而导致设备的损坏。内加装避雷针对于整个变电站的防雷措施很有成效。同时，变电站的避雷针安装要特别注意，其与各个电力设备或电力电路的距离必须在5m以上，并且避雷针引下线的接地电阻不能超过10Ω，从而减少雷击以及其后果对变电站带来的危害。

4.2.3 变压器保护

变压器是整个变电站的重要一环，而能够对变压器造成危害的因素主要来源于雷电产生的雷电波，如果没有任何保护措施，雷电波进入变压器后，不仅影响了变压器的工作效率，还会使变电站的安全性以及可靠性大大降低。同时，变电站需要在每一组分段母线以及主母线上加装阀式避雷器，通过这些避雷设备的安装来满足电气设备与变压设备的保护要求，并且这些避雷器必须联结到变电装置中的接地总网上，每一个连线必须满足最短接线长度的标准要求。