GIS变电站进线电缆雷电过电压影响因素分析

2018-10-24，，，

电瓷避雷器 2018年5期

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(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，南京 211106)

0 引言

相较于传统敞开式变电站，气体绝缘变电站(GIS)电缆占地面积小、技术先进、运行可靠、维护方便等优点[1]，得到了广泛应用。相关统计数据表明[2]，雷电对变电站具有较为严重的危害。一旦GIS变电站内变压器发生绝缘击穿，将严重影响电力系统安全稳定运行。雷电对变电站的危害方式主要是雷电直击和雷电波侵入，其中雷电波侵入危害最为严重[2]。

GIS变电站常采用架空线-埋地电缆混合方式电源，国内外针对变电站进线电缆的雷电侵入波过电压危害开展了大量研究，包括过电压暂态特性分析[3]、杆塔参数和雷电参数影响分析[4-5]、采用避雷器[6]防护效果等，研究结果为GIS变电站的侵入波防护提供了大量参考。但是相关研究对进线电缆参数，如电缆长度、电缆绝缘参数等。目前埋地电缆主要选取XLPE电缆[7]，但仍存在选用其他类型电缆情况[8]，也需要分析不同电缆类型的影响。对相关影响因素综合研究，对于确保GIS变电站的安全可靠运行具有重要意义。

笔者利用ATP-EMTP[9]搭建220 kV GIS变电站模型，计算线路发生反击情况下变电站进线电缆末端侵入波过电压，分析不同接地方式和安装避雷器方式下的防护效果，讨论进线电缆长度、线芯导电率、绝缘材料相对介电常数等参数对暂态过电压的影响。

1 仿真模型

1.1 雷电流模型

IEC认为Heidler函数[10]模型较为符合通道底部电流，推荐在雷电防护理论研究中采用该函数，具体表达式如下：

(1)

式中，I0为峰值电流；τ1和τ2分别为电流波头和波尾时间常数；n为电流陡度因子，取10。仿真中雷电流波形取2.6/50 μs，对应雷电流通道波阻抗根据相关规范[11]选取。

1.2 GIS接线模型

图1给出了一个简化的220 kV GIS变电站主接线示意图。由于3回进线结构相同，仿真中仅选取其中1回进线，采用架空线+埋地电缆混合方式引入[12]。

图1 220 kV GIS变电站接线示意图Fig.1 System configuration of a 220 kV GIS substation

主变压器容量为300 MV·A。GIS变电站内设备均采用对地电容模拟以体现雷电流的频率特性[9]。主变压器、断路器、隔离开关、电压互感器和套管电容值分别取2500、200、100、120和60 pF。GIS管线波阻抗取70 Ω，波速300 m/μs。

1.3 线路及杆塔模型

220 kV架空线路全线架设双回避雷线，线路档距为450 m。导线型号LGJ-240，避雷线型号GJ-50[13]。导线与避雷线均采用Jmarti模型以反映频率与线路参数间关系及分布损耗特性，降低雷电流高频成分对参数的影响[9]。

多波阻抗杆塔模型考虑了雷电流在杆塔中的传播过程，其中的无损多波阻抗杆塔模型体现出杆塔横担和支架线段等部位及不同高度处阻抗的变化，据实际杆塔结构较为契合[14-15]。图2给出了仿真中采用的杆塔结构及无损多阻抗模型等效电路[9]。

图2 杆塔无损多波阻抗模型Fig.2 Distributed constant line model of the tower

图2中，主干波阻抗ZTk通过下式计算[9]：

(2)

式中，

支架的存在使得波阻抗下降10%左右，由此可以估算出支架波阻抗ZLk：

ZLK=9Ztk(k=1,2,3,4)

(3)

横担波阻抗计算可以将横担看作简单的水平导体，具体计算为

(4)

式中，hk为第k个横担高度；rAk为等效半径，取横担与主干连接长度的1/4。

220 kV线路SZ2双回鼓型直线塔参数如下[16]：h1=50 m、h2=47.5 m、h3=39.8 m、h4=33 m。

线路绝缘闪络判据采用相交法[17]，过电压波形与绝缘子串伏秒特性曲线相交即为发生闪络，绝缘子串的伏秒特性曲线如下：

u=U∞+(U0-U∞)e-t/τ

(5)

式中，220 kV线路U0取1 550 kV[14]；U∞取1 050 kV；时间常数τ取0.8 μs。

杆塔工频接地模型无法体现雷电流冲击下的土壤电离效应。接地体周围土壤被击穿导致电离时，相当于增加了接地体的尺寸[18]，从而降低杆塔接地电阻，这是有助于提升线路防雷性能的。杆塔冲击接地电阻采用CIGRE推荐公式[19]计算：

(6)

式中，I为流过接地体的电流；Ig为土壤临界击穿电流；R0为接地体工频接地电阻，Ec为土壤临界击穿场强。

1.4 避雷器模型

在仿真中分析在埋地电缆末端或首末两端安装避雷器以抑制雷电过电压，其电流与电压间的关系服从下式规律[20]：

Ur=kiα

(7)

式中，i为流经避雷器的电流，Ur为避雷器两端电压。参数k与α通过避雷器伏安特性曲线拟合而得。线路避雷器型号为HY10W-204/532，避雷器额定电压为204 kV，直流参考电压U1 mA不小于296 kV，8/20 μs标称放电电流20 kA冲击下残压为532 kV。

2 仿真结果分析

2.1 首末端过电压

图3给出了临近进线电缆一端杆塔塔顶遭受雷击时电缆首端和末端过电压。雷击电流幅值50 kA，杆塔工频接地电阻取10 Ω。埋地电缆采用2 000 mm2XLPE电缆，电缆长度1 000 m，电缆两端均未接地。

图3 侵入波过电压波形Fig.3 Waveforms of lightning invaded wave overvoltage

由图3可以看出，侵入波过电压波形存在较为明显的振荡，主要是由于雷电波沿架空线侵入电缆和沿电缆引入GIS时，首末两端阻抗不匹配从而发生多次折反射[21]。雷电波多次折反射过电压重复叠加，导致电缆末端过电压高于首端。未安装避雷器时，电缆首末两端过电压均超过其雷电冲击耐压[22]，对电缆绝缘造成了损害。

2.2 电缆接地电阻影响

图3给出了50 kA雷电流击中临近进线电缆一端杆塔塔顶时，不同接地电阻下电缆末端过电压。考虑电缆不接地、单点接地、两端接地三种方式。

由表1可以看出，电缆不同接地方式对电缆过电压影响较大。不接地方式下过电压最大，两端接地方式下过电压最小。接地电阻对过电压存在一定影响，接地电阻越大，过电压越大，但是电压增加幅度不大。即使两端接地情况下，过高的接地电阻仍会导致较高的过电压，接近电缆雷电冲击耐压，可能对电缆内绝缘造成危害。

表1 不同接地电阻下的电缆末端过电压Table 1 Lightning overvoltage of the cable terminal under different grounding

2.3 安装避雷器防护影响

图4给出了未安装避雷器、仅在电缆末端安装避雷器和首末两端均安装避雷器时，电缆末端过电压幅值随电缆长度变化曲线。

图4 雷电过电压随电缆长度变化Fig.4 Lightning overvoltage vs length of the cable

由图4可以看出，无论采用何种避雷器安装方式，末端侵入波过电压均随着电缆长度的增加而降低。主要是因为电缆长度越长，电容效应越明显，对过电压的衰减也越厉害。

在电缆首末两端安装避雷器的防护效果由于仅在末端安装避雷器，但二者间差距并不十分明显，均未超过电缆雷电冲击耐压。理论上分析，避雷器安装越靠近末端，末端过电压幅值越低，从经济角度考虑，可以仅在末端安装避雷器。

2.4 电缆参数影响

图5给出了电缆末端安装避雷器后，末端过电压随电缆线芯电阻率变化曲线。

图5 雷电过电压随电缆线芯电阻率变化Fig.5 Lightning overvoltage vs resistivity ofthe core material

通过图5可以发现，末端过电压随电缆线芯电阻率的增大而降低。这主要是因为线芯电阻率越大，电缆的波阻抗越大，在首末两端发生折反射时系数也越大，过电压也越高[21]。

2.5 电缆绝缘材料影响

图6给出了电缆末端安装避雷器后，不同类型电缆绝缘材料下的末端过电压。电缆绝缘材料分别选取聚四氟乙烯(F-46)、交联聚乙烯(XLPE)、绝缘油(OF)和聚氯乙烯(PVC)。

图6 雷电过电压随电缆绝缘材料变化Fig.6 Lightning overvoltage vs insulator material outside the core

由图6可以看出，绝缘材料相对介电常数越大，电缆末端过电压越小。绝缘材料相对介电常数主要影响电缆的波阻抗[2]，介电常数越大，电缆波阻抗越小，在首末两端发生折反射系数也越小，从而导致过电压越小。不同绝缘电缆在雷击暂态特性上存在一定差异，具体应用时，还需要分析阻燃性、环境适应性等其他因素，做到安全经济适用。