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500kV長電纜GIS變電所雷過電壓防護(hù)研究

陶繼勇

（韶關(guān)市擎能設(shè)計(jì)有限公司，廣東 韶關(guān) 512026）

500kV變電所以GIS為主，其地上和地下部分通過電纜連接。電纜長度越長，當(dāng)雷電波襲入變電所時(shí)，其波過程越復(fù)雜。為研究長電纜變電站遭受雷擊時(shí)電纜中的波過程，本文以ATPDraw計(jì)算程序?yàn)槠脚_(tái)，以某500kV GIS變電所為實(shí)例，建立變電所雷電侵入波模型，計(jì)算不同電纜長度下變電所主要設(shè)備及電纜不同部位上的最大過電壓及其絕緣裕度。同時(shí)，就電纜末端加裝和不加裝避雷器的情況進(jìn)行對比討論。計(jì)算表明：電纜較短時(shí)，過電壓隨電纜長度增大而增大；電纜較長時(shí)，情況相反。其中以電纜長度為300m時(shí)過電壓最為嚴(yán)重。電纜末端加裝避雷器后，電纜和主要電氣設(shè)備過電壓得到較大下降，建議加裝以保障設(shè)備安全。

500kV GIS變電所；電纜長度；波過程；最大過電壓；避雷器配置

隨著我國電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，雷電侵入波對變電所的侵害已不容忽視。500kV變電所是我國的主網(wǎng)架，而氣體絕緣金屬全封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）以其占地面積小、運(yùn)行安全可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在我國得到廣泛應(yīng)用。目前新建或者改建的變電所基本上以GIS為主，且分為地上和地下GIS兩個(gè)部分，中間通過幾百米到數(shù)千米的電纜段連接。當(dāng)雷電侵入波通過輸電線路傳入變電所時(shí)，由于電纜長度較長，且GIS和電纜的波阻抗不同，侵入波在電纜段的波過程就顯得格外復(fù)雜。

目前新建的幾所500kV變電所中，由于場地的限制，中間電纜有愈來愈長的趨勢。為抑制由于雷電侵入波產(chǎn)生的過電壓，工程中通常在電纜首段或者末端安裝避雷器加以保護(hù)。但是，經(jīng)驗(yàn)表明，隨著電纜長度的增加，波在電纜中的傳播變得復(fù)雜，產(chǎn)生的最大過電壓不一定出現(xiàn)在電纜末端。這樣，由于保護(hù)的缺失，過電壓有可能會(huì)超過允許值從而破壞電纜絕緣。

為探究500kV GIS變電所遭受雷電侵入波時(shí)電纜中產(chǎn)生的波過程，本文以ATPDraw電磁暫態(tài)計(jì)算程序?yàn)槠脚_(tái)，針對某500kV GIS變電所電纜段進(jìn)行研究，計(jì)算整個(gè)電纜中可能產(chǎn)生的最大過電壓，并提出防護(hù)措施。

1 電纜中的波過程

1.1 波的折反射原理

當(dāng)入射波從一種線路傳到另一種線路，由于波阻抗不同，行波在電纜的節(jié)點(diǎn)間將發(fā)生折反射的情況。實(shí)際電網(wǎng)中的情況往往比較復(fù)雜，例如兩端導(dǎo)線中間連著一段電纜，將兩段導(dǎo)線視為節(jié)點(diǎn)無限延伸時(shí)，行波就會(huì)在兩節(jié)點(diǎn)間發(fā)生多次折反射過程如圖1所示。

圖1 波的折反射原理

圖1 中，節(jié)點(diǎn)A、B的折射系數(shù)分別為：

節(jié)點(diǎn)A、B的反射系數(shù)分別為：

當(dāng)經(jīng)過n次折反射過程后，A點(diǎn)和B點(diǎn)電壓分別為：

1.2 雷電波入侵情況下電纜的波過程

如上文的理想狀況，由理論分析，由于GIS波阻抗大于電力電纜，電纜末端過電壓將高于首端，而電纜中間過電壓要小于兩端。但很多工程實(shí)際狀況表明，隨著電纜長度的增長時(shí)，雷電侵入波襲入變電所時(shí)，電纜上的最大過電壓并不一定在兩端，而極有可能在中間。究其原因，可能有以下幾點(diǎn)。

（1）雷電波并不是直角波，其波形比較復(fù)雜且具有較大的隨機(jī)性。因此導(dǎo)致整個(gè)波過程也比較復(fù)雜。

（2）電纜長度為102數(shù)量級，波從電纜首端傳到末端時(shí)間為μs數(shù)量級，與雷電流波侵入時(shí)間可以比擬。

（3）變電所內(nèi)并非只有GIS母線和電纜，還存在其他設(shè)備。并且GIS母線并不是無限長，相反，比電纜還要短。

（4）變電所出線段和變壓器側(cè)均裝設(shè)有避雷器，對過電壓的分布也存在較大影響。

綜合以上幾點(diǎn)，電纜上過電壓分布較為復(fù)雜。因此，過電壓大小與電纜長度及其位置成為輸變電過程中一個(gè)急需解決的問題。本文以電磁暫態(tài)程序ATP為平臺(tái)，建立500kV GIS變電所雷電侵入波模型，研究電纜長度、部位及避雷器布置對過電壓的影響。

2 雷電侵入波過電壓仿真模型

2.1 計(jì)算模型

（1）雷電流模型。本文選取雷電流幅值為240kA，超過該幅值的概率為0.16%。波形取為2.6/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電波，用雙指數(shù)模型進(jìn)行模擬，雷電通道波阻抗為400Ω。

（2）輸電線路模型。輸電線路采用參數(shù)隨頻率變化的三相Jmarti模型，變電站敞開部分架空線和門型架到終端塔的線路采用400kHz下的的恒定參數(shù)模型。

（3）避雷器模型。金屬氧化物避雷器是一種高度非線性的電阻，因而可采用非線性電阻來模擬，其非線性特性采用分段線性函數(shù)模型來模擬。其沖擊接地電阻取10Ω。

（4）桿塔模型。桿塔模型根據(jù)桿塔的結(jié)構(gòu)而定，將每一段均用波阻表示，雖然對同一個(gè)鐵塔來說，其不同部位的波阻抗的值可能不相等，但是雷擊的假設(shè)、線路的模型都比較粗略，因而桿塔的模型也沒必要那么精確，可假設(shè)各部分的波阻抗均相等，波阻抗的大小見表1。

表1 等值波阻抗

（5）變壓器等電氣設(shè)備的模型。因?yàn)槔纂娗秩氩ǖ戎殿l率較高，維持時(shí)間很短，通常10μs左右即可算出最大過電壓幅值。變電站設(shè)備如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器等，在雷電波作用下，均可等值成沖擊入口電容。設(shè)備等值電容見表2。

（6）絕緣子串閃絡(luò)模型。絕緣子串的閃絡(luò)過程運(yùn)用ATPDraw程序中的Tacs組件完成，基本原理是相交法，即當(dāng)絕緣子兩端電壓超過U50%時(shí)，認(rèn)為其閃絡(luò)，線路發(fā)生短路。

2.2 參數(shù)選擇

（1）根據(jù)工程給出的數(shù)據(jù)，電纜、桿塔、GIS管道等值參數(shù)如表1所示。

（2）電氣設(shè)備的入口電容參數(shù)（表2）。

表2 設(shè)備等值入口電容 pF

（3）避雷器電氣特性。500kV級GIS內(nèi)部采用SF6封閉式氧化鋅避雷器BLX2，外部采用敞開式氧化鋅避雷器BLX1，其電氣特性如表3所示。

表3 氧化鋅避雷器的電氣特性

（4）雷電沖擊絕緣水平（表4）。

表4 雷電沖擊絕緣水平

（5）架空線路參數(shù)。架空線路采用四分裂導(dǎo)線，導(dǎo)線型號為4×LGJ-300/40, 分裂距離450cm；子導(dǎo)線計(jì)算直徑為2.394cm, 20℃直流電阻為0.09614Ω/ km。地線一根采用JL/LB1A-95/55鋁包鋼芯鋁絞線, 計(jì)算直經(jīng)1.6cm，20℃直流電阻0.2634Ω/km；另一根采用OPGW-150光纜，計(jì)算直經(jīng)1.6cm，20℃直流電阻0.28Ω/km。雙回部分采用兩根OPGW-150光纜。

（6）桿塔接地電阻。近區(qū)取10Ω，遠(yuǎn)區(qū)取20Ω。

3 計(jì)算結(jié)果

本文以某500kV GIS變電所為實(shí)例，分別計(jì)算雷電襲入變電所時(shí)不同長度和避雷器配置情況下電纜的過電壓分布情況。該變電所采取單線單變運(yùn)行方式，該方式下若遭受雷擊，過電壓幅值最高，電氣主接線圖如圖2所示。圖中TM為主變，TG和TL分別為GIS和電纜接頭，DS為隔離開關(guān)，CB為斷路器，PT為電壓互感器，CVT為電容式互感器，BLX1為出線避雷器，BLX2為電站型避雷器。

3.1 電纜長度對過電壓的影響

本文將電纜分為12個(gè)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用ATP軟件，仿真計(jì)算當(dāng)電纜長度從100m增至1200m時(shí)，雷電侵入波襲入變電所時(shí)各個(gè)部位的最大過電壓分布情況，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 500kV GIS變電所等效接線圖

其中，各種電纜長度情況下變電所各主要設(shè)備上的過電壓及絕緣配合情況如圖4所示。

通過圖3和圖4可以看到，電纜末端過電壓高于首端。當(dāng)電纜長度小于300m時(shí)，電纜上最大過電壓隨電纜長度的增大而增大；而當(dāng)電纜長度繼續(xù)增加時(shí)，電纜上的最大過電壓逐步降低，且最大過電壓并不在電纜末端。在各個(gè)電纜長度情況下，變電所主要電氣設(shè)備過電壓均在允許范圍內(nèi)，以電纜長度為300m時(shí)的運(yùn)行狀況最為嚴(yán)重。此時(shí)電纜最大過電壓為1303.6kV，設(shè)備的絕緣裕度保證在16%以上。

圖3 不同長度情況下電纜各節(jié)點(diǎn)最大過電壓值

3.2 是否在電纜末端安裝避雷器的討論

由3.1節(jié)仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)電纜長度為300m時(shí)，電纜和變壓器上的過電壓較高，絕緣裕度較小。根據(jù)工程要求，現(xiàn)就是否在電纜末端加裝避雷器加以討論，仿真計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 不同電纜長度下設(shè)備的過電壓及其絕緣配合

通過圖5、6可以看到，在電纜末端加裝避雷器后，電纜上整體過電壓的分布變得均勻，且最大過電壓值降為1064.3kV ；主要電氣設(shè)備上的最大過電壓值也有較大幅度的降低，其中絕緣裕度最低的主變上過電壓降為1237.9kV，絕緣裕度從16.58%增至20.13%，效果較為明顯。

圖5 兩種避雷器配置情況下電纜各部位過電壓圖

因此建議在電纜末端加裝避雷器以限制設(shè)備過電壓。

4 結(jié)語

（1）對于長電纜500kV GIS變電所，在雷電侵入波情況下，電纜長度越長，其波過程越復(fù)雜。電纜長度增加到一定程度時(shí)，電纜上最大過電壓并非出現(xiàn)在首末端，而有可能出現(xiàn)在電纜中間部分。

（2）電纜長度小于300m時(shí)，電纜上最大過電壓隨電纜長度增加而增加；當(dāng)電纜長度大于300m時(shí)，由于波的衰減作用，過電壓呈下降趨勢。變電所主要電氣設(shè)備上過電壓的分布趨勢與電纜類似。在電纜長度為300m的最嚴(yán)重情況下，主要電氣設(shè)備的絕緣裕度在16%以上。

（3）電纜末端加裝避雷器過后，電纜上過電壓得到較大幅度的下降，且分布趨于均勻。此時(shí)主要電氣設(shè)備的絕緣裕度升至20%以上，因此建議在電纜末端加裝避雷器以限制過電壓。

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