電力電纜對GIS變電站VFTO抑制效果的研究

該文以某500kV GIS變電站為研究背景，用電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP搭建該變電站仿真模型，針對GIS內主變壓器入口處的VFTO抑制，提出了采用電力電纜連接GIS主體和主變壓器，并考慮電纜的接地方式和集膚效應對VFTO的影響搭建仿真模型，仿真得到了四種接地方式下電纜對VFTO的抑制效果。

近年來操作GIS隔離開關所帶來的絕緣故障率呈上升趨勢，隨著電網運行電壓等級的提高，在超高壓GIS中，特快速暫態過電壓（VFTO）已經成為威脅GIS站內設備和電力系統穩定運行的主要原因之一。

目前國內外學者以計算機模擬仿真研究VFTO居多，運用比較多的電磁暫態仿真軟件有ATP-EMTP、PSCAD/EMTDC、MATLAB等。計算機仿真具有成本低、靈活、節約時間、計算結果與實測結果相似度高等特點，為VFTO的研究提供了極大的便利。當前抑制VFTO流進變壓器內部主要是通過變壓器入口處加裝并聯電容器、加裝串聯阻波器、主變入口安裝鐵氧體磁環等措施，但這些設備的加裝又會增加故障率、容易引起諧振、造價昂貴等問題。需要尋找相對簡單并且不易帶來故障的抑制設備，電力電纜就是這樣的設備之一。

1 電力電纜的結構

電力電纜一般埋設于土壤中或敷設在室內、溝道、隧道中，因其結構緊湊、導線之間間距小、不占用地面、空中的空間，并且能夠滿足長期、安全可靠的電力輸送的需要，是目前的主要輸電導體之一。電力電纜的導體線芯有單芯、二芯、三芯、四芯和五芯共五種。本文中用到的電纜為單芯電纜[1]。單芯電纜結果如圖1所示。

圖1 單芯電纜的結構示意圖

2電力電纜的集膚效應

通常對線路波過程分析都會假定線路無損耗，既R=G=0，而實際上的電力電纜線路存在著較大的串聯電阻損耗，而且由于導線和大地在交變電場作用下具有集膚效應，在集膚效應作用下電纜的電阻和電感隨線路的頻率變化而變化，影響著行波在電纜里的傳播，是一個不容忽視的問題。

因此，本文采用Bergeron Model的電纜模型，即把分布參數原件等值為集中參數原件，以便用比較通用的集中參數的數值求解法來計算線路上的波過程。因此可以把電纜分為兩部分：①理想部分，此部分由電纜的幾何電感L0和幾何電容C0表示，它只與電纜的幾何形狀有關，與系統電壓、頻率以及電纜的材質無任何關系。②損耗部分，這一部分包括電阻RH和內部電感LH以及恒定的介電損耗G組成，用來描述電纜的集膚效應，該部分與頻率相關。電纜的等效示意圖如圖2所示[2]。

圖2 電纜等效示意圖

3電力電纜的接地方式

在電力電纜的運行中，金屬護套會受到導體中電流（負荷電流、短路電流、故障電流等）所產生磁感線的作用而產生感應電壓，尤其是當電纜遭受高幅值高頻率的過電壓或發生不對稱短路時，金屬護套上產生的感應電壓能夠擊穿電纜的絕緣層和護套，對電力電纜造成損害，威脅人身安全，嚴重影響著電力系統的穩定運行。《GB50217-94》中規定，金屬護套上的感應電壓不得超過50V。所以對于大截面單芯電纜都要采取措施，既要限制護套上的感應電壓又要不引起很大的損耗，增大線路的輸電容量。電力電纜金屬護套接地能夠很好的解決這一問題，常見的電纜的接地方式有四種。

（1）電纜兩端接地方式如圖3.1所示。

圖3.1電纜兩端接地

（2）電纜一端接地方式如圖3.2所示。

圖3.2電纜一端接地

（3）電纜中點接地方式示如圖3.3所示。

圖3.3 電纜中點接地

（4）電力電纜金屬護套交叉互聯接地如圖3.4所示。

圖3.4 電纜交叉互聯接地

4電纜電纜對VFTO的抑制效果

本文在仿真中考慮極端情況，故采用單機、單變、單回線供電方式且重燃兩端電源側電壓為+1.0p.u，負荷側為-1.0p.u進行研究。500kV電力電纜的波阻抗一般在30-70Ω，波速一般在0.5-2.0×108m/s，而GIS母線上的波阻抗一般為100Ω左右，波速為光速（3.0×108m/s），通過計算可以得出電力電纜每單位長度的電容遠大于GIS母線的電容，電感稍大于GIS母線的電感[3]。因此可以把用電纜將GIS和主變壓器相連看成是串聯了一定量的的電感和并聯了大容量的電容。并聯電容理論上對行波有一定的抑制作用。本文用ATP-EMTP仿真計算利用電纜連接GIS主體和主變壓器時VFTO對主變的影響，并考慮電纜的集膚效應和上述四種電纜接地方式。仿真模型如圖4.1所示，仿真結果如下表1所示。

從表1可以看出，當電力電纜采用金屬護套交叉互聯接地時對主變壓器入口處的特快速暫態過電壓幅值和波頭陡度的抑制效果最好。采用護套交叉互聯接地的500m電力電纜可以使主變壓器入口處過電壓幅值下降至534.19KV（1.18p.u.），入口處的過電壓波形如圖4.2所示，對過電壓波頭的陡度也有一定的抑制作用，假設100m到500m的該型電纜后可以使主變壓器入口處的波頭限制到1600KV/us左右。

圖4.2 變壓器入口處VFTO波形

5結論

由以上仿真結果可以看出，電力電纜雖然對特快速暫態過電壓的幅值有非常明顯的抑制，壓降幅值高達0.92p.u.，降幅達到45%，單就對幅值的抑制來看，這是一種非常有效的抑制措施。但是從對波頭陡度的抑制效果來看，電力電纜的抑制效果明顯不足，采用500m電纜后在主變壓器入口處的過電壓波頭陡度依舊高達1610KV/us，依舊遠高于1291KV/us的標準值，不能滿足對變壓器保護的要求。雖然電力電纜可以敷設在地下，但500m的長度對于以結構緊湊占地面積小著稱的GIS變電站來說顯得有點過長，而且隨著電力電纜長度增加其成本以及敷設成本、維護工作也是相應增加的。但是電力電纜相較其他抑制設備而言，也具有抑制效果明顯、故障率低、日常維護及檢修工作量小得多、造價相對便宜等優點，是一項比較用工程實用價值的措施。

（作者單位：九江供電公司）