該文以某500kV GIS變電站為研究背景，用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP搭建該變電站仿真模型，針對(duì)GIS內(nèi)主變壓器入口處的VFTO抑制，提出了采用電力電纜連接GIS主體和主變壓器，并考慮電纜的接地方式和集膚效應(yīng)對(duì)VFTO的影響搭建仿真模型，仿真得到了四種接地方式下電纜對(duì)VFTO的抑制效果。

近年來(lái)操作GIS隔離開(kāi)關(guān)所帶來(lái)的絕緣故障率呈上升趨勢(shì)，隨著電網(wǎng)運(yùn)行電壓等級(jí)的提高，在超高壓GIS中，特快速暫態(tài)過(guò)電壓（VFTO）已經(jīng)成為威脅GIS站內(nèi)設(shè)備和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因之一。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者以計(jì)算機(jī)模擬仿真研究VFTO居多，運(yùn)用比較多的電磁暫態(tài)仿真軟件有ATP-EMTP、PSCAD/EMTDC、MATLAB等。計(jì)算機(jī)仿真具有成本低、靈活、節(jié)約時(shí)間、計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相似度高等特點(diǎn)，為VFTO的研究提供了極大的便利。當(dāng)前抑制VFTO流進(jìn)變壓器內(nèi)部主要是通過(guò)變壓器入口處加裝并聯(lián)電容器、加裝串聯(lián)阻波器、主變?nèi)肟诎惭b鐵氧體磁環(huán)等措施，但這些設(shè)備的加裝又會(huì)增加故障率、容易引起諧振、造價(jià)昂貴等問(wèn)題。需要尋找相對(duì)簡(jiǎn)單并且不易帶來(lái)故障的抑制設(shè)備，電力電纜就是這樣的設(shè)備之一。

1 電力電纜的結(jié)構(gòu)

電力電纜一般埋設(shè)于土壤中或敷設(shè)在室內(nèi)、溝道、隧道中，因其結(jié)構(gòu)緊湊、導(dǎo)線之間間距小、不占用地面、空中的空間，并且能夠滿足長(zhǎng)期、安全可靠的電力輸送的需要，是目前的主要輸電導(dǎo)體之一。電力電纜的導(dǎo)體線芯有單芯、二芯、三芯、四芯和五芯共五種。本文中用到的電纜為單芯電纜[1]。單芯電纜結(jié)果如圖1所示。

圖1 單芯電纜的結(jié)構(gòu)示意圖

2電力電纜的集膚效應(yīng)

通常對(duì)線路波過(guò)程分析都會(huì)假定線路無(wú)損耗，既R=G=0，而實(shí)際上的電力電纜線路存在著較大的串聯(lián)電阻損耗，而且由于導(dǎo)線和大地在交變電場(chǎng)作用下具有集膚效應(yīng)，在集膚效應(yīng)作用下電纜的電阻和電感隨線路的頻率變化而變化，影響著行波在電纜里的傳播，是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

因此，本文采用Bergeron Model的電纜模型，即把分布參數(shù)原件等值為集中參數(shù)原件，以便用比較通用的集中參數(shù)的數(shù)值求解法來(lái)計(jì)算線路上的波過(guò)程。因此可以把電纜分為兩部分：①理想部分，此部分由電纜的幾何電感L0和幾何電容C0表示，它只與電纜的幾何形狀有關(guān)，與系統(tǒng)電壓、頻率以及電纜的材質(zhì)無(wú)任何關(guān)系。②損耗部分，這一部分包括電阻RH和內(nèi)部電感LH以及恒定的介電損耗G組成，用來(lái)描述電纜的集膚效應(yīng)，該部分與頻率相關(guān)。電纜的等效示意圖如圖2所示[2]。

圖2 電纜等效示意圖

3電力電纜的接地方式

在電力電纜的運(yùn)行中，金屬護(hù)套會(huì)受到導(dǎo)體中電流（負(fù)荷電流、短路電流、故障電流等）所產(chǎn)生磁感線的作用而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，尤其是當(dāng)電纜遭受高幅值高頻率的過(guò)電壓或發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)，金屬護(hù)套上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓能夠擊穿電纜的絕緣層和護(hù)套，對(duì)電力電纜造成損害，威脅人身安全，嚴(yán)重影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行?！禛B50217-94》中規(guī)定，金屬護(hù)套上的感應(yīng)電壓不得超過(guò)50V。所以對(duì)于大截面單芯電纜都要采取措施，既要限制護(hù)套上的感應(yīng)電壓又要不引起很大的損耗，增大線路的輸電容量。電力電纜金屬護(hù)套接地能夠很好的解決這一問(wèn)題，常見(jiàn)的電纜的接地方式有四種。

（1）電纜兩端接地方式如圖3.1所示。

圖3.1電纜兩端接地

（2）電纜一端接地方式如圖3.2所示。

圖3.2電纜一端接地

（3）電纜中點(diǎn)接地方式示如圖3.3所示。

圖3.3 電纜中點(diǎn)接地

（4）電力電纜金屬護(hù)套交叉互聯(lián)接地如圖3.4所示。

圖3.4 電纜交叉互聯(lián)接地

4電纜電纜對(duì)VFTO的抑制效果

本文在仿真中考慮極端情況，故采用單機(jī)、單變、單回線供電方式且重燃兩端電源側(cè)電壓為+1.0p.u，負(fù)荷側(cè)為-1.0p.u進(jìn)行研究。500kV電力電纜的波阻抗一般在30-70Ω，波速一般在0.5-2.0×108m/s，而GIS母線上的波阻抗一般為100Ω左右，波速為光速（3.0×108m/s），通過(guò)計(jì)算可以得出電力電纜每單位長(zhǎng)度的電容遠(yuǎn)大于GIS母線的電容，電感稍大于GIS母線的電感[3]。因此可以把用電纜將GIS和主變壓器相連看成是串聯(lián)了一定量的的電感和并聯(lián)了大容量的電容。并聯(lián)電容理論上對(duì)行波有一定的抑制作用。本文用ATP-EMTP仿真計(jì)算利用電纜連接GIS主體和主變壓器時(shí)VFTO對(duì)主變的影響，并考慮電纜的集膚效應(yīng)和上述四種電纜接地方式。仿真模型如圖4.1所示，仿真結(jié)果如下表1所示。

從表1可以看出，當(dāng)電力電纜采用金屬護(hù)套交叉互聯(lián)接地時(shí)對(duì)主變壓器入口處的特快速暫態(tài)過(guò)電壓幅值和波頭陡度的抑制效果最好。采用護(hù)套交叉互聯(lián)接地的500m電力電纜可以使主變壓器入口處過(guò)電壓幅值下降至534.19KV（1.18p.u.），入口處的過(guò)電壓波形如圖4.2所示，對(duì)過(guò)電壓波頭的陡度也有一定的抑制作用，假設(shè)100m到500m的該型電纜后可以使主變壓器入口處的波頭限制到1600KV/us左右。

圖4.2 變壓器入口處VFTO波形

5結(jié)論

由以上仿真結(jié)果可以看出，電力電纜雖然對(duì)特快速暫態(tài)過(guò)電壓的幅值有非常明顯的抑制，壓降幅值高達(dá)0.92p.u.，降幅達(dá)到45%，單就對(duì)幅值的抑制來(lái)看，這是一種非常有效的抑制措施。但是從對(duì)波頭陡度的抑制效果來(lái)看，電力電纜的抑制效果明顯不足，采用500m電纜后在主變壓器入口處的過(guò)電壓波頭陡度依舊高達(dá)1610KV/us，依舊遠(yuǎn)高于1291KV/us的標(biāo)準(zhǔn)值，不能滿足對(duì)變壓器保護(hù)的要求。雖然電力電纜可以敷設(shè)在地下，但500m的長(zhǎng)度對(duì)于以結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小著稱的GIS變電站來(lái)說(shuō)顯得有點(diǎn)過(guò)長(zhǎng)，而且隨著電力電纜長(zhǎng)度增加其成本以及敷設(shè)成本、維護(hù)工作也是相應(yīng)增加的。但是電力電纜相較其他抑制設(shè)備而言，也具有抑制效果明顯、故障率低、日常維護(hù)及檢修工作量小得多、造價(jià)相對(duì)便宜等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)比較用工程實(shí)用價(jià)值的措施。

（作者單位：九江供電公司）