110kV GIS變電所進(jìn)線電纜末端雷電過電壓研究

劉濤

【摘要】：氣體絕緣開關(guān)裝置（GIS） 已廣泛應(yīng)用于城市供電網(wǎng)中。闡述了導(dǎo)線參數(shù)、GIS 參數(shù)、雷電侵入波模型及參數(shù)、避雷器參數(shù)以及電氣設(shè)備參數(shù)等的設(shè)置， 運(yùn)用ATP- EMTP 搭建雷電侵入波作用下的架空線與電纜進(jìn)線相連、包括架空線與電纜連接處安裝的避雷器和部分電氣設(shè)備（GIS、變壓器） 在內(nèi)的單相簡(jiǎn)化模型， 仿真計(jì)算斷路器不同狀態(tài)下， 不同電纜長(zhǎng)度的電纜末、首端雷電過電壓。

【關(guān)鍵詞】：110kV GIS；變電所；進(jìn)線電纜末端；雷電過電壓

【前言】：針對(duì)110 kV GIS 變電所電纜進(jìn)線與架空線相連的方式， 采用ATP- EMTP 搭建雷電侵入波作用下的架空線與電纜進(jìn)線相連、包括架空線與電纜連接處安裝的避雷器和部分電氣設(shè)備（GIS、變壓器） 在內(nèi)的單相簡(jiǎn)化模型， 仿真計(jì)算斷路器不同狀態(tài)下， 不同電纜長(zhǎng)度的電纜末、首端雷電過電壓與電纜長(zhǎng)度之間的關(guān)系， 為電纜進(jìn)線方式下避雷器的布置設(shè)計(jì)提供了參考。

1、模型參數(shù)選擇

1.1 導(dǎo)線參數(shù)

高壓輸電線上， 單相雷擊占大多數(shù)， 因此研究中按單相雷擊考慮。在仿真計(jì)算中， 架空線、變電所設(shè)備連接導(dǎo)線均用單相的波阻抗模擬， 站內(nèi)導(dǎo)線近似認(rèn)為是無畸變線， 波阻抗為一常數(shù)， 不計(jì)電暈影響。

1.2雷電侵入波模型及參數(shù)確定

雷云對(duì)地放電的實(shí)質(zhì)是雷云電荷向大地的突然釋放， 但地面被擊物體的電位不是取決于雷云的初始電位， 而是取決于雷電流與被擊物體阻抗的乘積，這相當(dāng)于一個(gè)電流源作用的過程。因此， 可以把雷電放電的過程看作是一個(gè)沿著一條有固定波阻抗的雷電通道向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄟ^程。

據(jù)統(tǒng)計(jì)， 雷電流波頭長(zhǎng)度大多在1～5μs 范圍內(nèi)， 平均為2～2.5 μs。根據(jù)DL / T 620- 1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定， 雷電沖擊電流波頭時(shí)間為2.6 μs， 波長(zhǎng)50 μs， 幅值為5 kA。因此，本文中雷電流波形采用2.6 μs /50 μs。對(duì)于110 kV電壓等級(jí)的變電所， 在計(jì)算雷電侵入波的波過程中可以忽略工頻電源的影響。

1.3避雷器參數(shù)設(shè)置

架空線與電纜連接處安裝Y5W- 100 / 266型號(hào)的氧化鋅避雷器。根據(jù)金屬氧化物避雷器的特性， 選擇幾個(gè)特性點(diǎn)， 以這幾個(gè)點(diǎn)組成的曲線作為避雷器的伏安特性曲線。

2、仿真模型建立

DL / T 620 - 1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中規(guī)定：“與架空線路相連接的長(zhǎng)度超過50 m 的電纜， 應(yīng)在其兩端裝設(shè)閥式避雷器或保護(hù)間隙； 長(zhǎng)度不超過50 m 的電纜， 只在任何一端裝設(shè)即可”，“發(fā)電廠、變電所的35 kV 及以上電纜進(jìn)線段， 在電纜與架空線的連接處應(yīng)裝設(shè)閥式避雷器”。因此， 仿真計(jì)算時(shí)， 僅在架空線與電纜連接處即電纜首端安裝氧化鋅避雷器， 以觀察在一組避雷器配置下電纜首端、末端雷電過電壓情況。根據(jù)已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)， 當(dāng)斷路器因前次雷電波侵入而斷開并處于等待重新閉合狀態(tài)時(shí)， 變電所再次遭受雷擊時(shí)常導(dǎo)致嚴(yán)重事故， 因此特別考慮了這種惡劣的情況。根據(jù)斷路器斷開與合上2 種狀態(tài)， 仿真模型分為2 種。t1.0 表示套管長(zhǎng)度為1.0 m，其他類似。模型1 仿真的是上面提及的惡劣情況。

3、仿真結(jié)果和分析

3.1 仿真結(jié)果

在波頭時(shí)間為2.6 μs、幅值為5 kA 的雷電沖擊電流作用下， 電纜末端與首端雷電過電壓的比值r。實(shí)線、虛線分別為模型1、2 的仿真結(jié)果（ r 為比值； L 為電纜長(zhǎng)度） 。

電纜長(zhǎng)度約為70 m 時(shí)， 斷路器斷開的情況下， 電纜首端與末端的電壓波形， 實(shí)線、虛線分別為首端、末端電壓波形。

3.2 仿真分析

由于線路避雷器的作用， 電纜首端的雷電過電壓基本保持在避雷器的雷電沖擊保護(hù)水平， 即避雷器在5 kA 下的殘壓266 kV 的附近。在斷路器斷開與閉合2 種狀態(tài)下， 電纜末端電壓高于首端電壓， 這是由于雷電波在電纜兩端多次折/反射過程中， 振蕩幅值增大。因此， 工程設(shè)計(jì)中， 避雷器應(yīng)盡量靠近電纜首端， 以限制電纜末端雷電過電壓。

DL / T 620 - 1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中規(guī)定：“電纜及其附件的全波額定雷電沖擊耐壓與避雷器標(biāo)稱放電電流下的殘壓間的配合系數(shù)取1.4”。可知： 對(duì)于斷路器合上的狀態(tài)， 配合系數(shù)在1.2 上下浮動(dòng)， 小于規(guī)定配合系數(shù)1.4， 表明僅在電纜首端裝設(shè)避雷器即可。然而， 對(duì)于模型1（ 斷路器斷開） 所描述的惡劣情況， 由于斷路器打開， 母線避雷器無法對(duì)電纜末端雷電過電壓起到抑制作用， 并且侵入波在斷路器斷口之間會(huì)發(fā)生多次反射疊加， 雷擊多次反射使電纜末端出現(xiàn)頻率較高的振蕩沖擊波，最終導(dǎo)致電纜末端過電壓增加。電纜首末兩端最大電壓比接近2.0， 遠(yuǎn)大于規(guī)程規(guī)定的配合系數(shù)1.4。因此， 必須限制GIS 進(jìn)線電纜的長(zhǎng)度以限制電纜末端的雷電過電壓。

3.3 電纜長(zhǎng)度及接線方式對(duì)過電壓的影響

電纜末端電壓最大值已達(dá)350 kV， 由此可以看出當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于70 m 時(shí)， 僅電纜首端裝設(shè)避雷器已經(jīng)無法滿足保護(hù)要求， 需要考慮在變電所內(nèi)部再裝設(shè)避雷器。此外， 為了限制過電壓， 一般電纜線路應(yīng)采用金屬護(hù)套一端接地或兩端接地的形式， 增加電纜削弱過電壓的能力。因此， 在實(shí)際設(shè)計(jì)中， 并非絕對(duì)按照規(guī)程中所述以電纜長(zhǎng)度50 m 作為是否安裝所內(nèi)避雷器的依據(jù)， 可以結(jié)合實(shí)際情況， 綜合考慮是否在GIS 內(nèi)裝設(shè)避雷器。

結(jié)束語

運(yùn)用ATPDraw 仿真計(jì)算了與架空線相連的進(jìn)線電纜， 在雷擊架空進(jìn)線保護(hù)段之外的侵入波情況下， 電纜的末、首端雷電過電壓及比值。仿真根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)選取斷路器斷開、隔離刀閘合上的狀態(tài)（ 模型1） 作為雷電波侵入計(jì)算的背景， 具有一定的實(shí)際價(jià)值。分析比較模型1 中不同長(zhǎng)度電纜的末、首端雷電過電壓及比值， 當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于70 m 時(shí)，僅電纜首端裝設(shè)避雷器已經(jīng)無法滿足保護(hù)要求， 需要考慮在GIS 內(nèi)部配置避雷器。實(shí)際情況中， 在雷電波作用下， 電纜的接線方式對(duì)削弱雷電波幅值具有一定的影響， 考慮這一特性后， 電纜末端雷電過電壓將有所降低， 因此研究結(jié)果具有一定的裕度。

【參考文獻(xiàn)】：

[ 1] 張緯鈸， 何金良， 高玉明. 過電壓防護(hù)及絕緣配合[M] . 北京： 清華大學(xué)出版社.2016（10）：60-62.