500kV長電纜GIS變電所雷過電壓防護研究

（韶關市擎能設計有限公司，廣東 韶關 512026）

500kV長電纜GIS變電所雷過電壓防護研究

陶繼勇

（韶關市擎能設計有限公司，廣東 韶關 512026）

500kV變電所以GIS為主，其地上和地下部分通過電纜連接。電纜長度越長，當雷電波襲入變電所時，其波過程越復雜。為研究長電纜變電站遭受雷擊時電纜中的波過程，本文以ATPDraw計算程序為平臺，以某500kV GIS變電所為實例，建立變電所雷電侵入波模型，計算不同電纜長度下變電所主要設備及電纜不同部位上的最大過電壓及其絕緣裕度。同時，就電纜末端加裝和不加裝避雷器的情況進行對比討論。計算表明：電纜較短時，過電壓隨電纜長度增大而增大；電纜較長時，情況相反。其中以電纜長度為300m時過電壓最為嚴重。電纜末端加裝避雷器后，電纜和主要電氣設備過電壓得到較大下降，建議加裝以保障設備安全。

500kV GIS變電所；電纜長度；波過程；最大過電壓；避雷器配置

隨著我國電網電壓等級的不斷提高，雷電侵入波對變電所的侵害已不容忽視。500kV變電所是我國的主網架，而氣體絕緣金屬全封閉開關設備（GIS）以其占地面積小、運行安全可靠和維護方便等優點在我國得到廣泛應用。目前新建或者改建的變電所基本上以GIS為主，且分為地上和地下GIS兩個部分，中間通過幾百米到數千米的電纜段連接。當雷電侵入波通過輸電線路傳入變電所時，由于電纜長度較長，且GIS和電纜的波阻抗不同，侵入波在電纜段的波過程就顯得格外復雜。

目前新建的幾所500kV變電所中，由于場地的限制，中間電纜有愈來愈長的趨勢。為抑制由于雷電侵入波產生的過電壓，工程中通常在電纜首段或者末端安裝避雷器加以保護。但是，經驗表明，隨著電纜長度的增加，波在電纜中的傳播變得復雜，產生的最大過電壓不一定出現在電纜末端。這樣，由于保護的缺失，過電壓有可能會超過允許值從而破壞電纜絕緣。

為探究500kV GIS變電所遭受雷電侵入波時電纜中產生的波過程，本文以ATPDraw電磁暫態計算程序為平臺，針對某500kV GIS變電所電纜段進行研究，計算整個電纜中可能產生的最大過電壓，并提出防護措施。

1 電纜中的波過程

1.1 波的折反射原理

當入射波從一種線路傳到另一種線路，由于波阻抗不同，行波在電纜的節點間將發生折反射的情況。實際電網中的情況往往比較復雜，例如兩端導線中間連著一段電纜，將兩段導線視為節點無限延伸時，行波就會在兩節點間發生多次折反射過程如圖1所示。

圖1 波的折反射原理

圖1 中，節點A、B的折射系數分別為：

節點A、B的反射系數分別為：

當經過n次折反射過程后，A點和B點電壓分別為：

1.2 雷電波入侵情況下電纜的波過程

如上文的理想狀況，由理論分析，由于GIS波阻抗大于電力電纜，電纜末端過電壓將高于首端，而電纜中間過電壓要小于兩端。但很多工程實際狀況表明，隨著電纜長度的增長時，雷電侵入波襲入變電所時，電纜上的最大過電壓并不一定在兩端，而極有可能在中間。究其原因，可能有以下幾點。

（1）雷電波并不是直角波，其波形比較復雜且具有較大的隨機性。因此導致整個波過程也比較復雜。

（2）電纜長度為102數量級，波從電纜首端傳到末端時間為μs數量級，與雷電流波侵入時間可以比擬。

（3）變電所內并非只有GIS母線和電纜，還存在其他設備。并且GIS母線并不是無限長，相反，比電纜還要短。

（4）變電所出線段和變壓器側均裝設有避雷器，對過電壓的分布也存在較大影響。

綜合以上幾點，電纜上過電壓分布較為復雜。因此，過電壓大小與電纜長度及其位置成為輸變電過程中一個急需解決的問題。本文以電磁暫態程序ATP為平臺，建立500kV GIS變電所雷電侵入波模型，研究電纜長度、部位及避雷器布置對過電壓的影響。

2 雷電侵入波過電壓仿真模型

2.1 計算模型

（1）雷電流模型。本文選取雷電流幅值為240kA，超過該幅值的概率為0.16%。波形取為2.6/50μs的標準雷電波，用雙指數模型進行模擬，雷電通道波阻抗為400Ω。

（2）輸電線路模型。輸電線路采用參數隨頻率變化的三相Jmarti模型，變電站敞開部分架空線和門型架到終端塔的線路采用400kHz下的的恒定參數模型。

（3）避雷器模型。金屬氧化物避雷器是一種高度非線性的電阻，因而可采用非線性電阻來模擬，其非線性特性采用分段線性函數模型來模擬。其沖擊接地電阻取10Ω。

（4）桿塔模型。桿塔模型根據桿塔的結構而定，將每一段均用波阻表示，雖然對同一個鐵塔來說，其不同部位的波阻抗的值可能不相等，但是雷擊的假設、線路的模型都比較粗略，因而桿塔的模型也沒必要那么精確，可假設各部分的波阻抗均相等，波阻抗的大小見表1。

表1 等值波阻抗

（5）變壓器等電氣設備的模型。因為雷電侵入波等值頻率較高，維持時間很短，通常10μs左右即可算出最大過電壓幅值。變電站設備如變壓器、隔離開關、斷路器、互感器等，在雷電波作用下，均可等值成沖擊入口電容。設備等值電容見表2。

（6）絕緣子串閃絡模型。絕緣子串的閃絡過程運用ATPDraw程序中的Tacs組件完成，基本原理是相交法，即當絕緣子兩端電壓超過U50%時，認為其閃絡，線路發生短路。

2.2 參數選擇

（1）根據工程給出的數據，電纜、桿塔、GIS管道等值參數如表1所示。

（2）電氣設備的入口電容參數（表2）。

表2 設備等值入口電容 pF

（3）避雷器電氣特性。500kV級GIS內部采用SF6封閉式氧化鋅避雷器BLX2，外部采用敞開式氧化鋅避雷器BLX1，其電氣特性如表3所示。

表3 氧化鋅避雷器的電氣特性

（4）雷電沖擊絕緣水平（表4）。

表4 雷電沖擊絕緣水平

（5）架空線路參數。架空線路采用四分裂導線，導線型號為4×LGJ-300/40, 分裂距離450cm；子導線計算直徑為2.394cm, 20℃直流電阻為0.09614Ω/ km。地線一根采用JL/LB1A-95/55鋁包鋼芯鋁絞線, 計算直經1.6cm，20℃直流電阻0.2634Ω/km；另一根采用OPGW-150光纜，計算直經1.6cm，20℃直流電阻0.28Ω/km。雙回部分采用兩根OPGW-150光纜。

（6）桿塔接地電阻。近區取10Ω，遠區取20Ω。

3 計算結果

本文以某500kV GIS變電所為實例，分別計算雷電襲入變電所時不同長度和避雷器配置情況下電纜的過電壓分布情況。該變電所采取單線單變運行方式，該方式下若遭受雷擊，過電壓幅值最高，電氣主接線圖如圖2所示。圖中TM為主變，TG和TL分別為GIS和電纜接頭，DS為隔離開關，CB為斷路器，PT為電壓互感器，CVT為電容式互感器，BLX1為出線避雷器，BLX2為電站型避雷器。

3.1 電纜長度對過電壓的影響

本文將電纜分為12個節點，運用ATP軟件，仿真計算當電纜長度從100m增至1200m時，雷電侵入波襲入變電所時各個部位的最大過電壓分布情況，計算結果如圖3所示。

圖2 500kV GIS變電所等效接線圖

其中，各種電纜長度情況下變電所各主要設備上的過電壓及絕緣配合情況如圖4所示。

通過圖3和圖4可以看到，電纜末端過電壓高于首端。當電纜長度小于300m時，電纜上最大過電壓隨電纜長度的增大而增大；而當電纜長度繼續增加時，電纜上的最大過電壓逐步降低，且最大過電壓并不在電纜末端。在各個電纜長度情況下，變電所主要電氣設備過電壓均在允許范圍內，以電纜長度為300m時的運行狀況最為嚴重。此時電纜最大過電壓為1303.6kV，設備的絕緣裕度保證在16%以上。

圖3 不同長度情況下電纜各節點最大過電壓值

3.2 是否在電纜末端安裝避雷器的討論

由3.1節仿真結果可以看到，當電纜長度為300m時，電纜和變壓器上的過電壓較高，絕緣裕度較小。根據工程要求，現就是否在電纜末端加裝避雷器加以討論，仿真計算結果如圖5和圖6所示。

圖4 不同電纜長度下設備的過電壓及其絕緣配合

通過圖5、6可以看到，在電纜末端加裝避雷器后，電纜上整體過電壓的分布變得均勻，且最大過電壓值降為1064.3kV ；主要電氣設備上的最大過電壓值也有較大幅度的降低，其中絕緣裕度最低的主變上過電壓降為1237.9kV，絕緣裕度從16.58%增至20.13%，效果較為明顯。

圖5 兩種避雷器配置情況下電纜各部位過電壓圖

因此建議在電纜末端加裝避雷器以限制設備過電壓。

4 結語

（1）對于長電纜500kV GIS變電所，在雷電侵入波情況下，電纜長度越長，其波過程越復雜。電纜長度增加到一定程度時，電纜上最大過電壓并非出現在首末端，而有可能出現在電纜中間部分。

（2）電纜長度小于300m時，電纜上最大過電壓隨電纜長度增加而增加；當電纜長度大于300m時，由于波的衰減作用，過電壓呈下降趨勢。變電所主要電氣設備上過電壓的分布趨勢與電纜類似。在電纜長度為300m的最嚴重情況下，主要電氣設備的絕緣裕度在16%以上。

（3）電纜末端加裝避雷器過后，電纜上過電壓得到較大幅度的下降，且分布趨于均勻。此時主要電氣設備的絕緣裕度升至20%以上，因此建議在電纜末端加裝避雷器以限制過電壓。

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