劉濤

【摘要】：氣體絕緣開關(guān)裝置（GIS） 已廣泛應(yīng)用于城市供電網(wǎng)中。闡述了導線參數(shù)、GIS 參數(shù)、雷電侵入波模型及參數(shù)、避雷器參數(shù)以及電氣設(shè)備參數(shù)等的設(shè)置， 運用ATP- EMTP 搭建雷電侵入波作用下的架空線與電纜進線相連、包括架空線與電纜連接處安裝的避雷器和部分電氣設(shè)備（GIS、變壓器） 在內(nèi)的單相簡化模型， 仿真計算斷路器不同狀態(tài)下， 不同電纜長度的電纜末、首端雷電過電壓。

【關(guān)鍵詞】：110kV GIS；變電所；進線電纜末端；雷電過電壓

【前言】：針對110 kV GIS 變電所電纜進線與架空線相連的方式， 采用ATP- EMTP 搭建雷電侵入波作用下的架空線與電纜進線相連、包括架空線與電纜連接處安裝的避雷器和部分電氣設(shè)備（GIS、變壓器） 在內(nèi)的單相簡化模型， 仿真計算斷路器不同狀態(tài)下， 不同電纜長度的電纜末、首端雷電過電壓與電纜長度之間的關(guān)系， 為電纜進線方式下避雷器的布置設(shè)計提供了參考。

1、模型參數(shù)選擇

1.1 導線參數(shù)

高壓輸電線上， 單相雷擊占大多數(shù)， 因此研究中按單相雷擊考慮。在仿真計算中， 架空線、變電所設(shè)備連接導線均用單相的波阻抗模擬， 站內(nèi)導線近似認為是無畸變線， 波阻抗為一常數(shù)， 不計電暈影響。

1.2雷電侵入波模型及參數(shù)確定

雷云對地放電的實質(zhì)是雷云電荷向大地的突然釋放， 但地面被擊物體的電位不是取決于雷云的初始電位， 而是取決于雷電流與被擊物體阻抗的乘積，這相當于一個電流源作用的過程。因此， 可以把雷電放電的過程看作是一個沿著一條有固定波阻抗的雷電通道向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄟ^程。

據(jù)統(tǒng)計， 雷電流波頭長度大多在1～5μs 范圍內(nèi)， 平均為2～2.5 μs。根據(jù)DL / T 620- 1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規(guī)定， 雷電沖擊電流波頭時間為2.6 μs， 波長50 μs， 幅值為5 kA。因此，本文中雷電流波形采用2.6 μs /50 μs。對于110 kV電壓等級的變電所， 在計算雷電侵入波的波過程中可以忽略工頻電源的影響。

1.3避雷器參數(shù)設(shè)置

架空線與電纜連接處安裝Y5W- 100 / 266型號的氧化鋅避雷器。根據(jù)金屬氧化物避雷器的特性， 選擇幾個特性點， 以這幾個點組成的曲線作為避雷器的伏安特性曲線。

2、仿真模型建立

DL / T 620 - 1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中規(guī)定：“與架空線路相連接的長度超過50 m 的電纜， 應(yīng)在其兩端裝設(shè)閥式避雷器或保護間隙； 長度不超過50 m 的電纜， 只在任何一端裝設(shè)即可”，“發(fā)電廠、變電所的35 kV 及以上電纜進線段， 在電纜與架空線的連接處應(yīng)裝設(shè)閥式避雷器”。因此， 仿真計算時， 僅在架空線與電纜連接處即電纜首端安裝氧化鋅避雷器， 以觀察在一組避雷器配置下電纜首端、末端雷電過電壓情況。根據(jù)已有運行經(jīng)驗， 當斷路器因前次雷電波侵入而斷開并處于等待重新閉合狀態(tài)時， 變電所再次遭受雷擊時常導致嚴重事故， 因此特別考慮了這種惡劣的情況。根據(jù)斷路器斷開與合上2 種狀態(tài)， 仿真模型分為2 種。t1.0 表示套管長度為1.0 m，其他類似。模型1 仿真的是上面提及的惡劣情況。

3、仿真結(jié)果和分析

3.1 仿真結(jié)果

在波頭時間為2.6 μs、幅值為5 kA 的雷電沖擊電流作用下， 電纜末端與首端雷電過電壓的比值r。實線、虛線分別為模型1、2 的仿真結(jié)果（ r 為比值； L 為電纜長度） 。

電纜長度約為70 m 時， 斷路器斷開的情況下， 電纜首端與末端的電壓波形， 實線、虛線分別為首端、末端電壓波形。

3.2 仿真分析

由于線路避雷器的作用， 電纜首端的雷電過電壓基本保持在避雷器的雷電沖擊保護水平， 即避雷器在5 kA 下的殘壓266 kV 的附近。在斷路器斷開與閉合2 種狀態(tài)下， 電纜末端電壓高于首端電壓， 這是由于雷電波在電纜兩端多次折/反射過程中， 振蕩幅值增大。因此， 工程設(shè)計中， 避雷器應(yīng)盡量靠近電纜首端， 以限制電纜末端雷電過電壓。

DL / T 620 - 1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中規(guī)定：“電纜及其附件的全波額定雷電沖擊耐壓與避雷器標稱放電電流下的殘壓間的配合系數(shù)取1.4”?？芍?對于斷路器合上的狀態(tài)， 配合系數(shù)在1.2 上下浮動， 小于規(guī)定配合系數(shù)1.4， 表明僅在電纜首端裝設(shè)避雷器即可。然而， 對于模型1（ 斷路器斷開） 所描述的惡劣情況， 由于斷路器打開， 母線避雷器無法對電纜末端雷電過電壓起到抑制作用， 并且侵入波在斷路器斷口之間會發(fā)生多次反射疊加， 雷擊多次反射使電纜末端出現(xiàn)頻率較高的振蕩沖擊波，最終導致電纜末端過電壓增加。電纜首末兩端最大電壓比接近2.0， 遠大于規(guī)程規(guī)定的配合系數(shù)1.4。因此， 必須限制GIS 進線電纜的長度以限制電纜末端的雷電過電壓。

3.3 電纜長度及接線方式對過電壓的影響

電纜末端電壓最大值已達350 kV， 由此可以看出當電纜長度大于70 m 時， 僅電纜首端裝設(shè)避雷器已經(jīng)無法滿足保護要求， 需要考慮在變電所內(nèi)部再裝設(shè)避雷器。此外， 為了限制過電壓， 一般電纜線路應(yīng)采用金屬護套一端接地或兩端接地的形式， 增加電纜削弱過電壓的能力。因此， 在實際設(shè)計中， 并非絕對按照規(guī)程中所述以電纜長度50 m 作為是否安裝所內(nèi)避雷器的依據(jù)， 可以結(jié)合實際情況， 綜合考慮是否在GIS 內(nèi)裝設(shè)避雷器。

結(jié)束語

運用ATPDraw 仿真計算了與架空線相連的進線電纜， 在雷擊架空進線保護段之外的侵入波情況下， 電纜的末、首端雷電過電壓及比值。仿真根據(jù)實際運行經(jīng)驗選取斷路器斷開、隔離刀閘合上的狀態(tài)（ 模型1） 作為雷電波侵入計算的背景， 具有一定的實際價值。分析比較模型1 中不同長度電纜的末、首端雷電過電壓及比值， 當電纜長度大于70 m 時，僅電纜首端裝設(shè)避雷器已經(jīng)無法滿足保護要求， 需要考慮在GIS 內(nèi)部配置避雷器。實際情況中， 在雷電波作用下， 電纜的接線方式對削弱雷電波幅值具有一定的影響， 考慮這一特性后， 電纜末端雷電過電壓將有所降低， 因此研究結(jié)果具有一定的裕度。

【參考文獻】：

[ 1] 張緯鈸， 何金良， 高玉明. 過電壓防護及絕緣配合[M] . 北京： 清華大學出版社.2016（10）：60-62.