（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州451400）

0 引言

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展對(duì)電能的傳輸提出了更高的要求。GIL傳輸容量大，電能和熱能損耗較少，具有明顯的節(jié)能效果。同時(shí)GIL載流量高、電容小，更適用于遠(yuǎn)距離、大容量傳輸[1-2]，逐漸被應(yīng)用于高壓和超高壓傳輸領(lǐng)域。GIL可以采用直埋或隧道[3]等安裝方式，即使在環(huán)境惡劣地區(qū)也能很大程度上避免運(yùn)行過(guò)程中面臨的絕緣老化、劣化問(wèn)題。因此，GIL的采用即節(jié)約了土地資源，也提高了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，前景廣闊。

國(guó)外GIL的應(yīng)用起步較早，積累了大量技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和研究成果[4]，包括了GIL的絕緣優(yōu)化[4]及新型環(huán)保氣體介質(zhì)研發(fā)[5]等。GIL技術(shù)的使用在我國(guó)相對(duì)較晚，主要應(yīng)用場(chǎng)合多為水電站和核電站[6-7]，多用于GIS開(kāi)關(guān)站等短距離輸電領(lǐng)域。過(guò)去GIS與輸電線路連接多采用XLPE電纜，針對(duì)XLPE電纜的雷電波侵入特性研究較多[8]，GIL單位長(zhǎng)度電容明顯小于XLPE電纜，受電容效應(yīng)影響更大，但對(duì)應(yīng)用GIL技術(shù)的線路雷擊過(guò)電壓暫態(tài)特性研究較少[9]，缺乏對(duì)其過(guò)電壓防護(hù)的具體探討。

筆者利用EMTP軟件搭建500 kV輸電線路模型，計(jì)算架空線與埋地GIL相連傳輸系統(tǒng)發(fā)生反擊和繞擊時(shí)的GIL暫態(tài)過(guò)電壓，比較其暫態(tài)過(guò)電壓特性差異，分析GIL絕緣威脅及安裝額外金屬氧化物避雷器對(duì)過(guò)電壓的抑制效果，討論GIL避雷器安裝位置對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的影響。

1 仿真計(jì)算模型

1.1 雷電流模型

雷電流波形采用雙指數(shù)函數(shù)模型[10]表示，具體表達(dá)如下：

式中：I0為雷電流峰值；α1為波頭時(shí)間常數(shù)，α2為波尾時(shí)間常數(shù)；kc為修正系數(shù)，kc=mm/（m-1）/（m-1），m=α2/α1。仿真中雷電流波形取2.6/50 μs，對(duì)應(yīng)的雷電流通道的波阻抗選取參見(jiàn)相關(guān)規(guī)范[11]。

1.2 線路及桿塔模型

500 kV輸電線路全線敷設(shè)雙避雷線，桿塔檔距500 m。導(dǎo)線型號(hào)LGJ-400/35，避雷線型號(hào)JLB4-150[12]。線路模型采用Jmarti模型，以減小雷電流高頻成分對(duì)線路參數(shù)的影響。

500 kV桿塔模擬采用Hara提出的無(wú)損線桿塔模型以考慮橫擔(dān)和支架對(duì)桿塔阻抗的影響。圖1給出了桿塔結(jié)構(gòu)及其無(wú)損線模型[13]。圖1中，Zt對(duì)應(yīng)塔身波阻抗，ZL對(duì)應(yīng)支架波阻抗，ZA對(duì)應(yīng)橫擔(dān)波阻抗。

橫擔(dān)波阻抗ZAk通過(guò)下式計(jì)算：

式中，hk和rAk為第k個(gè)橫擔(dān)高度和等效半徑。塔身主干波阻抗Ztk通過(guò)下式估算：

式中，桿塔各部分的等效半徑rek通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式求取，rek=21/8（rtk1/3rB2/3）1/4（Rtk1/3RB2/3）3/4。hk、rtk、Rtk、RB意義如圖1所示。

支架波阻抗ZLk與塔身主干波阻抗Ztk存在如下關(guān)系：

仿真中計(jì)算中桿塔具體參數(shù)選取如下：h1=57 m、h2=55 m、h3=44 m、h4=33 m。桿塔接地電阻只考慮工頻情況取10 Ω。

圖1 桿塔結(jié)構(gòu)與無(wú)損波阻抗模型[13]Fig.1 Structure of tower and its circuit model

考慮到規(guī)程法和相交法在分析絕緣閃絡(luò)過(guò)程中忽略了雷電過(guò)電壓波形的影響，因此線路絕緣閃絡(luò)判斷采用先導(dǎo)法[12，14]，考慮空氣閃絡(luò)的整個(gè)物理過(guò)程。閃絡(luò)通過(guò)流注和先導(dǎo)兩個(gè)過(guò)程的放電時(shí)間之和來(lái)判斷，間隙擊穿時(shí)間由下式計(jì)算：

式中，ts為流注發(fā)展時(shí)間；tl為先導(dǎo)發(fā)展時(shí)間；E為絕緣子串閃絡(luò)之前的最大平均場(chǎng)強(qiáng)；E50%為放電電壓下的均場(chǎng)強(qiáng)。

先導(dǎo)過(guò)程在流注發(fā)展過(guò)程完畢后開(kāi)始，先導(dǎo)長(zhǎng)度可以通過(guò)時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式計(jì)算：

式中，dl/dt為先導(dǎo)發(fā)展速度；U為間隙承受電壓；D為間隙長(zhǎng)度；l為先導(dǎo)已發(fā)展的長(zhǎng)度；EL0為先導(dǎo)發(fā)展起始場(chǎng)強(qiáng)，推薦取值600 kV/m；k為先導(dǎo)速度發(fā)展系數(shù)，推薦取值1.3。

當(dāng)雷電沖擊電壓能夠保持流注先導(dǎo)及其繼續(xù)發(fā)展且加壓時(shí)間t=tc時(shí)，間隙被擊穿。

1.3 GIL模型

GIL線路全部采用埋地方式敷設(shè)，結(jié)構(gòu)為三相單芯品字形排列。圖2給出了架空線路與GIL布置示意圖，雷擊點(diǎn)距1號(hào)桿塔100 m。

圖2 架空線路與GIL線路示意圖Fig.2 Schematic diagram of overhead lines and GIL lines

GIL主要結(jié)構(gòu)包括外殼、導(dǎo)體、隔離和支撐絕緣子等[15]。導(dǎo)體與外殼間填充SF6（20%）和N2（80%）混合氣體，相對(duì)介電常數(shù)約等于1；GIL外殼涂有厚度為5 mm的絕緣材料，相對(duì)介電常數(shù)等于4。表1給出了GIL相關(guān)電氣參數(shù)[16]。

表1 GIL線路參數(shù)Table 1 Parameters of GIL

1.4 避雷器模型

除GIL與輸電線路連接點(diǎn)外側(cè)各安裝一組在金屬氧化物避雷器外，在GIL上也安裝一組避雷器，距離GIL首端?Lm。金屬氧化物避雷器采用IEEE模型表示[17]，如圖3所示。

圖3 避雷器模型Fig.3 Surge arrester model

IEEE避雷器模型中，限壓特性主要通過(guò)非線性電阻A0和A1體現(xiàn)，電阻R0用來(lái)抑制數(shù)值振蕩，L0表征構(gòu)成內(nèi)外部磁場(chǎng)的電感，R1和L1組成低通濾波器，C C表征壓敏電阻固有電容。仿真中，避雷器持續(xù)工作電壓525 kV，8/20 μs，10 kA電流沖擊下殘壓為1081 kV[18]，對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)如下：L0=0.88 μH，R0=440 Ω，Ll=66 μH，R1=285 Ω，C=227 pF。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 反擊過(guò)電壓

圖4（a）和圖4（b）分別給出了雷擊L1號(hào)桿塔附近避雷線，GIL中段（?L=500 m）未安裝額外避雷器和安裝額外避雷器時(shí)，GIL末端導(dǎo)線與外殼間過(guò)電壓波形。GIL長(zhǎng)度1 km，雷電流幅值20 kA，對(duì)應(yīng)雷電通道波阻抗700 Ω。

圖4 反擊過(guò)電壓波形Fig.4 Waveform of overvoltage in case of counterattack

由圖4可以看出，GIL過(guò)電壓波形振蕩非常劇烈，且距離雷擊點(diǎn)越遠(yuǎn)，過(guò)電壓幅值越高，靠近首端過(guò)電壓明顯小于末端過(guò)電壓。這主要是由于雷電波從架空線路侵入GIL時(shí)，波阻抗不同導(dǎo)致雷電波在首末兩端發(fā)生多次折反射[9，19]，重復(fù)疊加在波尾上，導(dǎo)致GIL末端過(guò)電壓很高。

中段未安裝額外避雷器時(shí)，GIL末端過(guò)電壓超過(guò)1 200 kV，當(dāng)中段安裝額外避雷器后，末端過(guò)電壓得到明顯降低，波形振蕩也得到明顯抑制。

2.2 繞擊過(guò)電壓

圖5（a）和圖5（b）分別給出了雷擊L1號(hào)桿塔附近導(dǎo)線，GIL中段未安裝額外避雷器和安裝額外避雷器時(shí)，GIL末端導(dǎo)線與外殼間過(guò)電壓波形。相關(guān)計(jì)算參數(shù)同上。

從圖5可以看出，繞擊時(shí)GIL過(guò)電壓波形振蕩不如反擊時(shí)劇烈，但是過(guò)電壓幅值同樣隨著距雷擊點(diǎn)距離的增大而增加。增加安裝中段避雷器后，GIL各處過(guò)電壓均得到不同程度降低，波形振蕩也不明顯。

2.3 過(guò)電壓對(duì)GIL絕緣威脅

圖6給出了不同雷擊電流幅值作用下，發(fā)生反擊與繞擊時(shí)GIL末端導(dǎo)線與外殼間過(guò)電壓。

圖5 繞擊過(guò)電壓波形Fig.5 Waveform of overvoltage in case of Shielding

圖6 過(guò)電壓隨雷電流幅值變化Fig.6 Lightning overvoltage vs lightning current

由圖6可以看出，無(wú)論是反擊還是繞擊情況，GIL過(guò)電壓均隨著雷擊電流幅值的增加而增大，但反擊過(guò)電壓始終小于繞擊過(guò)電壓。500 kV GIL其雷電沖擊耐壓為1 550 kV，留有一定安全裕度后，得到其限制電壓Ulim，Ulim=1 550/Ks，Ks為內(nèi)絕緣安全系數(shù)，IEC標(biāo)準(zhǔn)[20]推薦取1.15，確定其限制電壓為1 348 kV。中段未安裝額外避雷器時(shí)，僅依靠GIL連接點(diǎn)外側(cè)安裝的避雷器保護(hù)是不夠的，GIL過(guò)電壓很容易超過(guò)其限制電壓，30 kA雷擊電流下超過(guò)其雷電沖擊耐壓。當(dāng)中段安裝額外避雷器后，40 kA雷擊電流作用下超過(guò)其限制電壓，50 kA雷擊電流作用下才超過(guò)其雷電沖擊耐壓，配合線路斷路器等其它保護(hù)設(shè)備，基本能夠?qū)崿F(xiàn)有效雷電過(guò)電壓防護(hù)。

2.4 GIL避雷器安裝位置

由于雷電波在GIL兩端發(fā)生多次折反射，前行波與反行波在GIL上重復(fù)疊加。理論上分析，避雷器安裝越靠近GIL首端，GIL上過(guò)電壓幅值越低，但是避雷器距離末端越遠(yuǎn)，末端過(guò)電壓幅值振蕩越高。因此GIL上避雷器存在一個(gè)最佳安裝位置。圖7給出了避雷器安裝位置對(duì)GIL末端過(guò)電壓幅值影響。GIL長(zhǎng)度取1 km，雷電流幅值20 kA。

圖7 過(guò)電壓隨避雷器安裝位置變化Fig.7 Lightning overvoltage vs position of surge arrestor

從圖7可以看出，避雷器安裝位置對(duì)GIL末端過(guò)電壓存在一定程度的影響，但并不十分明顯。避雷器防護(hù)效果并非安裝在GIL中點(diǎn)處最佳，因?yàn)檫^(guò)電壓隨距雷擊點(diǎn)距離的變化趨勢(shì)不同。反擊與繞擊情況下避雷器最佳安裝位置大致相同。不同長(zhǎng)度的GIL上避雷器最佳安裝位置需要作詳細(xì)分析。

3 結(jié)論

通過(guò)在EMTP中建立GIL和輸電線路模型，分析雷擊輸電線路避雷線和導(dǎo)線時(shí)GIL上暫態(tài)過(guò)電壓，得到以下結(jié)論：

1）線路發(fā)生反擊時(shí)，GIL過(guò)電壓波形振蕩非常劇烈，且距離雷擊點(diǎn)越遠(yuǎn)，過(guò)電壓幅值越高。

2）發(fā)生繞擊時(shí)，GIL過(guò)電壓波形振蕩不如反擊時(shí)劇烈，但是過(guò)電壓幅值要高于反擊情況且過(guò)電壓幅值同樣隨著距雷擊點(diǎn)距離的增大而增加。

3）在GIL上安裝額外避雷器基本能夠?qū)崿F(xiàn)有效雷電過(guò)電壓防護(hù)，但防護(hù)效果收避雷器安裝位置影響。

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