架空线对GIS变电站VFTO抑制效果的分析

周力行，刘家郡，钟笑拳，刘博伟，范 彬，朱凌峰

(1.长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南，长沙 410004;2.国家电网江西省赣西供电公司，江西 新余 338025)

超高压和特高压GIS变电站开关操作会产生快速暂态过电压(VFTO)，不仅影响GIS自身运行的可靠性，而且对GIS变电站内其他高压设备以及邻近的一些电力设备的绝缘构成很大的危害。

目前，关于VFTO的研究主要集中在VFTO的产生机理和影响因素，以及对应的电弧、避雷器模型的研究。而在VFTO抑制措施方面，国内外已经提出诸多方法，如在隔离开关上加装分合闸电阻、在母线上加装铁氧体磁环、在变压器入口处加装并联电容器、加装串联阻波器等措施。但这些措施都犹如双刃剑，在抑制VFTO方面虽然能够取得一定的效果，但带来的问题也非常大。如加装分合闸电阻会使隔离开关变得更加复杂，故障率增加;加装铁氧体磁环还处在试验阶段，很多关键性的问题还未解决，贸然使用会严重影响系统的运行;加装并联电容器和串联阻波器这些设备时会引起谐振。笔者采用经济性较高的一种方案，即通过架空线来抑制VFTO带来的危害［1－2］。

1 架空线的结构

目前，中国电网的主要输电线路都是由架空线构成的，尤其在超、特高压输电领域，架空线更是发挥着至关重要的作用，构成输电网络的主干。架空线由导线、避雷线、杆塔、绝缘子和金具等构成，由导线负责传输电能，避雷线将雷电流引入大地保护电力线路免受雷击，杆塔支持着导线和避雷线等设备，绝缘子保证输电导线和杆塔之间的绝缘，金具支持连接导线、避雷线和绝缘子［3］。

导线:输电导体主要由铝、钢、铜等材料制成，在特殊条件下也可使用铝合金，并且由于多股线在导电能力和机械强度、柔软度等方面优于单股线，架空线的导线多半采用绞合的多股导线。当线路电压超过220 kV时，为减小线路电抗和电晕损耗，一般采用分裂导线，分裂导线就是将每相导线分成若干根，相互之间保持一定距离。例如分裂成2～6根，每根相距400～450 m。分裂导线可以改变导线周围的电磁和磁场的分布，从而降低线路的电抗，减少电晕的发生，但这样也会造成线路单位长度的电容增大。

杆塔:架空配电线路中的基本设备之一，是支持架空线和避雷线并使它们之间以及它们与大地之间保持一定距离的杆型或塔形建筑物。通过材质可以将杆塔分为木质杆塔、水泥杆塔和金属杆塔3种。

绝缘子:由玻璃或陶瓷制成，根据电压等级的不同，每串绝缘子的片数也不同。根据规定:对于35 kV输电线路，绝缘子片数不应少于3片;60 kV输电线路，绝缘子片数不应少于5片;110 kV输电线路，绝缘子片数不应少于7片;154 kV输电线路，绝缘子片数不应少于10片;220 kV输电线路，绝缘子片数不应少于13片;330 kV输电线路，绝缘子片数不应少于19片;500 kV输电线路，绝缘子片数不应少于25片。

2 架空线上的冲击电晕

行波在传播过程中会发生一定的衰减和畸变，这种衰减和畸变是由于行波在传播过程中的损耗而引起的，这部分损耗主要包括:①导线电阻引起的损耗;②导线对地电导引起的损耗;③大地损耗;④电晕损耗。对于波头极陡的行波，因为波头长度会由于电晕效果而被拉长，波头陡度自然就降低了，再加上电晕损耗，所以电晕现象在研究波在架空线上传播和衰减时不容忽视。

电晕是指在强电场的作用下，架空线导线周围空气发生电离的现象。该现象的产生不仅与导线本身有关，还与导线周围空气的条件(比如空气湿度、气压、空气中离子的数量等)有关系。当导线上的电压幅值很高时(如雷击、操作过电压等)，在导线上便会产生冲击电晕。大量研究表明，形成冲击电晕的时间非常短，并且与冲击的极性有关，在正冲击作用下冲击电晕形成只需要0.05μs，而在负冲击的作用下形成时间则变得更短，只需要0.01μs。从外观上看正冲击产生的冲击电晕像是从导线表面发出很多条细丝，而负冲击产生的冲击电晕则是比较完整的光圈。

2.1 冲击电晕的伏库特性

研究和计算波的衰减和畸变往往离不开冲击电晕的伏库特性。所谓冲击电晕的伏库特性就是导线上的冲击电压的瞬时值u与导线上及导线周围电晕套内总电荷q的关系［4］:

冲击电晕的伏库特性一般是在实验室条件下试验测出，也可通过电场理论的某种电晕模型近似计算得到。典型的冲击电晕伏库特性曲线如图1所示，可以看出，冲击电晕的伏库特性曲线呈回环形，其中回环的面积与冲击电晕产生的空间电荷引起的能量耗散成比例。由于冲击电晕受冲击的正、负极性影响很大，所以它们所呈现的伏库特性曲线的差异也比较大。在同样的波形和幅值情况下，负极性伏库特性的回环面积要明显小于正极性伏库特性的回环面积。

图1 冲击电晕的伏库特性Figure 1 V-Q characteristics of impulse corona

图1中，u0为导线的电晕起始电压，即起晕电压;q0为与起晕电压时的电荷;umax为冲击波的幅值。为了便于分析研究u0，可将冲击电晕的伏库特性曲线分为三部分:

1)OA段表示当冲击电压瞬时值u小于电晕的起始电压u0时的部分，伏库特性曲线呈现直线，其斜率等于架空线的几何电容C0，

2)AB段表示冲击电压的瞬时值u大于电晕起始电压时的部分，即电晕的发展阶段，导线周围的空气随着电压的增加而电离，导线周围聚集起越来越多的空间电荷，由图1可以看出此时的伏库特性曲线呈直线上升。由于大量空间电荷的存在，在导线周围形成了导电性非常好的电晕套。电晕套对导线来说等效于增加了导线截面积，从而使导线的对地电容增加。随着冲击瞬时电压值的变化，电荷也在不断变化，所以此时导线的电容也是在不断变化，一般采用动态电容来描述此阶段的导线电容Cd，此时导线的动态电容Cd大于导线的几何电容C0，求得动态电容:

3)BC段表示冲击电压峰值过后u小于冲击电压最大值umax时的部分。由于冲击过程变化非常快，导线周围的空间电荷还来不急复合和消散，只有导线上的电荷会随着电压的降低而减少，所以BC部分的伏库特性曲线几乎和OA段平行，斜率也几乎等于OA段的斜率，所以此时的导线电容用导线的几何电容C0近似表示。

2.2 动态电容的计算

当冲击电压的幅值足够高时，导致导线表面电位梯度增大，造成导线周围的电场强度高于导线周围空气的击穿场强(既起晕场强)，导线上就发生冲击电晕放电。导线周围的空气击穿场强可用Peek计算公式求得［5］:

式中 E0为空气击穿强度，一般为30 kV/cm;m为导线表面粗糙系数，对表面光滑的单股线取m=1，对表面粗糙的绞线取m=0.82;δ为空气的相对密度，一般取δ=1;f为电压极性系数，当电压为正极性时取f=0.5，电压为负极性时取f=1;r0为分裂导线的几何半径。从而可以求得导线的起晕电压［6］:

式中 n为分裂导线数;h为导线的对地高度;d为导线的分裂间距;re为分裂导线的等效半径。

中国现行规程中规定冲击电晕伏库特性的计算经验公式为

目前，比较常用的伏库特性为

式中 A，B均为常数，当电压为正极性时取A=0，B=1.02，当电压为负极性时取A=0.15，B=0.85;

由式(5)可得动态电容Cd为

式中 M为常数，当电压为正极性时取M=1.35，电压为负极性时取M=1.13。

由冲击电晕的伏库特性AB段可知，在冲击电晕发生时线路的动态电容Cd大于几何电容C0，由此可算出冲击电晕的附加电容ΔC:

伏库曲线AB段也可近似看成直线，故笔者用MATLAB最小二乘法拟合AB段直线，通过计算斜率来求得动态电容，从而得到冲击电晕的附加电容值。由于VFTO既有正极性又有负极性，所以需分开求解附加电容。正极性情况下伏库特性曲线上升分支的拟合如图2所示，从图中拟合直线的斜率可求得正极性冲击作用下冲击电晕产生的动态电容:

由式(8)、(9)可求得正极性下的附加电容:

用同样的方法可以得到负极性情况下伏库特性曲线的上升分支拟合图，如图3所示，通过求取拟合直线的斜率可得负冲击作用下冲击电晕产生的动态电容:

图2 正极性冲击下伏库特性上升分支及其拟合直线Figure 2 Positive impact of rising V-Q characteristic under the branches and the fitting line

图3 负极性冲击下伏库特性上升分支及其拟合直线Figure 3 Negative impact of rising V-Q characteristic under the branches and the fitting line

由式(8)、(11)可求得负极性下的附加电容:

2.3 电晕仿真模型的建立

伏库特性曲线的上升分支近似地被视为直线，通过最小二乘拟合的直线斜率可求得动态电容Cd近似值，考虑线路参数的变化，无法精确计算冲击电晕对线路所产生的影响，因此，笔者建立一个近似的冲击电晕模型。冲击电晕所产生电晕套的径向导电能力强，而轴向导电能弱，可忽略不计，线路电感在冲击电晕的影响下几乎不产生任何变化。在研究冲击电晕时，为了便于研究，笔者忽略电感的影响，只考虑正、负极性下冲击电晕所产生的附加电容对过电压的抑制效果［7－8］。

由于特快速暂态过电压并不是单一极性的，它既有正极性也有负极性冲击，故笔者用ATP-EMTP中的逻辑判断模块对线路中的电压极性和瞬时值进行判断:当线路电压为正极性且电压高于线路正极性的起晕电压时，TASC控制开关导通，正极性附加电容ΔC+并入线路中;当线路电压为负极性且电压高于线路负极性的起晕电压时，另一个TASC控制开关导通，负极性附加电容ΔC－并入线路中。利用二极管单向导通的特性模拟线路电压超过图1中峰值的BC段，将附加电容从仿真模型中退出。冲击电晕的仿真模型如图4所示。

图4 冲击电晕的仿真模型Figure 4 Simulation model of impulse corona

3 架空线对VFTO的抑制效果

架空线的波阻抗取300～500Ω，波速取光速3×108m/s，GIS母线波阻抗为100Ω左右，波速为2×108～3×108m/s，通过计算可以得出架空线的几何电容略小于母线的几何电容，而几何电感远远大于母线的几何电感，加上冲击电晕效果，相当于在主变压器入口处既串联电感又并联了电容，串联电感和并联电容在理论上对行波是有一定的抑制作用［9］。该文采用架空线型号为2×LGJQT-1440，线路布置如图5所示，导线平均对地高度为25.63 m，导线三相水平排列，三相平均间距为11 m，分裂间距为400 mm，分别考虑长度为1，5，10，15，20，25，30，35，40，45m架空线对特快速暂态过电压的影响，利用ATP-EMTP仿真软件搭建利用架空线连接主变压器和GIS母线出口套管的仿真模型，并考虑2.2节的冲击电晕的影响，仿真模型如图6所示，仿真结果如表1所示。

图5 500 kV架空线布置Figure 5 500 kV overhead line layout

图6 仿真模型Figure 6 Simulation model

表1 架空线对VFTO的抑制效果Table 1 VFTO inhibitory effect of overhead line

由表1可以看出，采用架空线连接GIS母线出口套管和主变压器对主变入口处过电压波头陡度抑制效果好，变压器入口处VFTO的波头陡度呈直线下降，20 m左右长度的架空线可以把VFTO的波头陡度抑制在标准要求之内。但从表1中也可以看出，架空线对VFTO的幅值抑制效果不明显，加装45 m架空线后虽然过电压的波头陡度已经下降到998 kV/μs，降幅达到55%，但是过电压的幅值仍然高达770.19 kV(1.71 p.u.)，主变入口处VFTO波形如图7所示。加装架空线虽然是一种能很有效地抑制VFTO波头陡度的措施，但是在抑制过电压幅值方面，架空线的效果并不理想。虽然架空线的成本比铺设电力电缆或其他抑制装置低很多，可以架设更加长距离的架空线，但考虑到GIS变电站的上空空间非常有限，应该尽量减少架空线所占空域的面积，所以应尽量减少站内需架设架空线的长度。综上所述，单独使用架空线来抑制主变压器入口处的VFTO也是不够理想的。

图7 变压器入口处VFTO波形Figure 7 Transformer entrance VFTO waveform

4 结语

笔者介绍了架空线的结构和作用，架空线主要由导线、杆塔、避雷器等设备构成，承担电网电力输送的职责，构成了电力输送网络的主干。分析冲击电晕的形成过程和原理，引入冲击电晕损耗对特快速暂态过电压的影响，通过MATLAB最小二乘拟合得到500 kV导线冲击电晕伏库特性上升分支拟合直线的斜率，求得冲击电晕产生的附加电容，然后搭建冲击电晕模型。搭建仿真模型，仿真计算分别采用1～45 m架空线连接GIS母线出口套管和主变压器时变压器入口处的VFTO波形，得到当架设20 m左右架空线就能够把变压器入口处的VFTO波头陡度降到允许值范围内，但是架空线对过电压幅值的抑制不够理想。提出采用300 m电力电缆和20 m架空线连接GIS母线出口套管和主变压器，搭建仿真模型，通过仿真计算发现该方法能够把变压器入口处的VFTO波头陡度、频率、幅值降至允许范围内，是一项非常有效而且有很高工程实用价值的措施。

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