架空线路转接电缆进线对GIS变电站雷电侵入波过电压的影响

2022-02-26洪煜坤肖集雄

电瓷避雷器 2022年1期

杨帅，洪煜坤，刘尉，王航，肖集雄

(湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室，武汉 430068)

0 引言

由于土地资源紧缺，GIS变电站和电缆线路在城市电网的比重不断增大[1-3]。许多GIS变电站采用架空线路转接电缆的混联进线方式[4-6]，且电缆长度不一。以天津地区为例，短电缆长度在100 m左右，长电缆可达3 km以上。由于混联进线结构有别于架空进线，过电压波的传播更加复杂，需分析混联进线对GIS变电站侵入波过电压的影响，并提出针对性防护措施。

国内外针对电缆-架空混联线路过电压进行较多研究，但主要集中在线路侧分析。例如电缆护层连接方式对护层过电压的影响[7-9]，混联线路雷击可靠性[10-11]以及混联线路操作过电压特性[12-15]等。由于海上风电系统多采用电缆-架空混联出线，也有相关研究开展，包括雷电以及操作过电压特性[16-19]。但这些研究主要考虑线路过电压，大多采用电源模型等效成变电站，忽略了站内设备与接线影响。文献[20]分析了某电缆出线变电站，连续两次遭受雷击的过电压特点与防护措施。文献[21]研究了GIS变电站进线电缆雷电过电压的影响因素，包括电缆参数与避雷器安装位置。GB 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计》[22]中，对66 kV及以上进线有电缆段的GIS变电站，防护雷电侵入波过电压时，要求在电缆段与架空线路的连接处装设避雷器，而电缆末端与GIS连接处并未要求安装避雷器。现有研究并未系统分析混联进线对GIS变电站侵入波过电压的影响，且现有标准对这种条件的防护要求尚不明确。出于安全性考虑，许多GIS变电站也在混联进线侧装设避雷器。

为探究混联进线对GIS变电站侵入波过电压的影响，以指导相关防雷设计。本研究针对天津地区某220 kV GIS变电站，采用ATP-EMTP软件[23-24]建立该变电站110 kV侧模型以及混联进线模型，对比了相同条件下架空进线与混联进线的过电压差异，分析了地线连接方式、电缆参数等对过电压的影响，最终提出侵入波过电压防护方案。

1 模型建立与过电压对比

1.1 架空进线与混联进线差异

图1为变电站中混联线路进线(单芯电缆)与架空进线示意图。架空进线时，相线悬挂至站内门型塔，经GIS套管接入；架空地线一般与变电站门型塔相连。混联进线时，相线在电缆终端塔处转为电缆，电缆经转接头接入变电站；而地线终止于电缆终端塔，不与变电站相连。根据国标GB 50064-2014要求，混联进线时需在电缆与架空连接处装设避雷器，单芯电缆末端应经金属氧化物电缆护层保护器(CP)接地。

图1 变电站两种进线示意图Fig.1 Schematic diagram of two kinds of inlet lines in substation

1.2 计算模型介绍

以某220 kV GIS变电站110 kV侧实际尺寸进行建模，该站110 kV侧主接线采用双母线形式，有2组变压器与8回进线，其中4回架空进线与4回混联进线。混联进线段总长2.2 km，共8基杆塔，1号塔为电缆终端塔，电缆长度为280 m。站内主变与GIS间也采用电缆连接，其中站内电缆型号为ZC-YJLW03-Z-64/110-1×1 600，线路侧是ZC-YJLW03-Z-127/220-1×800。进线段架空导线型号为JL/G1A-400/35-48/7，地线型号为JLB40-100。

电缆与架空线路根据实际尺寸，皆采用J.Marti模型进行模拟[25-26]，其中电缆只考虑芯线、金属护套与绝缘层。站内架空接线采用单相分布参数线路模型，其波阻抗为350 Ω，波速设置为光速。三相GIS母线采用不换位Clarke模型，根据实际尺寸建立。杆塔采用多波阻抗模型，分解成主材、斜材和横担，分别用波阻抗模拟[27-29]。

由于负极性雷击占总雷击次数的75%～90%，且负极性过电压波沿线路传播时衰减较小，故计算时只考虑负极性雷击。雷电流波形参数为2.6 μs/50 μs，采用双指数函数表达式。对于110 kV系统，直击雷过电压幅值要大于绕击雷过电压，计算只分析直击雷情况。雷电流幅值为210 kA，波阻抗为300 Ω[30]。站内设备采用入口电容模拟，具体参数如表1。避雷器采用92型非线性电阻模型，其伏安特性数据如表2。以单进线-单母线-单变压器作为过电压侵入途径，此时过电压情况最为严重。

表1 站内主要设备入口电容数值Table 1 Inlet capacitance of main equipment in substation

表2 避雷器伏安特性Table 2 Volt ampere characteristics of arrester (kV)

1.3 过电压对比

在混联进线模型中，将280 km电缆修改为架空线路，在其他参数相同的条件下，且不考虑避雷器影响，对比架空进线与混联进线时主变过电压差异，结果如图2。整体而言，280 km短电缆混联进线时，主变过电压幅值均高于架空进线。特别是雷击电缆终端塔时，主变过电压最高可达2 500 kV。由于两种进线结构差异，造成主变过电压幅值不同。即便过电压波在电缆中的衰减更加显著，但280 m短电缆情况下，站内侵入波过电压十分严重。为此，笔者将从电缆终端塔地线与站内连接方式、电缆长度等方面分析这一现象。

图2 架空进线和混联线路进线主变上过电压对比Fig.2 Comparison of overvoltage on transformer of overhead line and hybrid line

2 混联进线过电压影响因素分析

2.1 电缆终端塔地线连接方式

混联进线时架空地线终止于电缆终端塔，并不与站内构架相连。而架空进线时，地线直接接入站内构架。地线连接方式对过电压有较大影响，为此考虑地线不与变电站构架相连、地线与变电站构架相连和地线通过引下线接地3种方式，比较不同情况下站内主变过电压幅值，如图3所示。计算时不考虑避雷器影响。

图3 主变上过电压随地线连接方式变化Fig.3 Overvoltage on transformer vs connection mode of ground wire

雷击1至3号杆塔，地线不与变电站构架相连时，主变过电压最高，其次为地线经引下线接地；当地线与站内构架相连时，主变过电压最低。现有研究表明，地线与构架相连时，雷击于1号杆塔，站内地网接地电阻较小，地线上过电压传至构架接地点处，会产生相反极性的反射波。由于1号杆塔与构架距离较近，该反射波会很快返回，从而限制塔顶电位。即使造成绝缘子闪络，其过电压也得以限制。地线经引下线接地时，由于杆塔接地电阻大于站内地网接地电阻，相反极性的反射波幅值更小，对过电压的限制弱一些。而地线不与变电站构架相连，处于断开状态时，没有负反射波的抑制，同时会产生相同极性的反射波，进一步增大了过电压幅值。随着雷击点与构架距离增加，相反极性的反射波传播时间变长，其影响减弱，3种情况下的过电压差异变小。

2.2 混联进线中电缆长度

电缆长度是影响侵入波过电压的关键因素。在混联线路下，改变电缆长度，雷击点设置在电缆终端塔；架空进线下，改变1号塔与构架间的线路长度，使得侵入波传播距离一致。比较不同进线方式下，站内主变过电压随传播距离的变化，如图4。两种进线方式下，主变过电压都随线路长度增加而减小，表明线路衰减逐渐增强。由于电缆线路对地电容更大，对过电压波的衰减更加明显。当电缆长度大于500 m时，混联进线的过电压幅值小于架空进线。但由于混联进线地线连接方式的影响，雷击点处产生的过电压幅值更高。电缆长度小于500 m时，其衰减程度弱于幅值增加程度，此时混联线路过电压要大于架空线路。

图4 主变上过电压随进线长度变化Fig.4 Overvoltage on transformer vs length of inlet line

2.3 电缆首端安装避雷器

国标要求在电缆首端，与架空线路相连处安装线路避雷器，从而对过电压进行限制。图5为雷分别击于前3基杆塔，电缆首端有无避雷器时，站内主变与GIS入口的过电压幅值。

图5 电缆首端避雷器对过电压影响Fig.5 Influence ofcable entrance arrester on overvoltage

雷击1号杆塔时，电缆首端装设避雷器后，会一定程度上降低侵入变电站的过电压幅值，但效果并不明显。由于避雷器与杆塔共同接地，当电缆终端塔遭受雷击时，杆塔电位升高，会降低避雷器两端电位差，使得避雷器无法充分动作，不能有效限制过电压幅值。当雷击于其他杆塔时，电缆首端避雷器动作更充分，从而限制过电压幅值。

3 防雷保护优化方案

3.1 电缆末端装设避雷器

由上面的分析可知，对于短电缆混联进线的情况，即便安装了电缆首端避雷器，雷击于前几基杆塔，依旧会产生较大的过电压。国标并未要求在电缆末端或进线侧安装避雷器，如果首端避雷器故障或老化失效，GIS变电站将面临严重的过电压威胁。根据国标与该变电站实际情况，分别在电缆首端、主变侧与母线CVT处装设避雷器。图6为该避雷器配置下，雷击电缆终端塔时，GIS入口、主变以及母线CVT处过电压幅值随电缆长度的变化。

图6 电缆长度对过电压影响Fig.6 Influence of cable length onovervoltage

由于母线CVT和主变压器处都装设避雷器，可以充分保护相关设备，但GIS入口处过电压幅值超过耐受值，会引起套管等设备损坏。当电缆长度大于1 km，GIS入口处过电压才能得到有效限制。图7为电缆末端装设避雷器后，GIS入口过电压幅值随电缆长度的变化。此时，GIS入口的过电压幅值得到了很好的限制。同时进线侧开关可能处于热备用状态等，因此短电缆混联进线时，需考虑在电缆末端或进线侧安装避雷器。

图7 电缆末端避雷器对过电压影响Fig.7 Influence ofcable end arrester on overvoltage

3.2 降低终端塔接地电阻

电缆首端避雷器可有效防护雷击其他杆塔的过电压，雷击终端塔时会造成避雷器动作不充分。为此，需降低终端塔接地电阻。图8为雷击1号塔，改变其接地电阻时，主变过电压幅值的变化，此时站内未配置避雷器。当电缆终端塔接地电阻逐渐变小时，经杆塔入地的雷电流变大，而经导线侵入变电站的电流就相应减小。同时避雷器两端电压差变大，其动作更加充分，侵入站内过电压幅值降低。