500kV长电缆GIS变电所雷过电压防护研究

2017-04-10

中国设备工程 2017年7期

（韶关市擎能设计有限公司，广东韶关 512026）

陶继勇

（韶关市擎能设计有限公司，广东韶关 512026）

500kV变电所以GIS为主，其地上和地下部分通过电缆连接。电缆长度越长，当雷电波袭入变电所时，其波过程越复杂。为研究长电缆变电站遭受雷击时电缆中的波过程，本文以ATPDraw计算程序为平台，以某500kV GIS变电所为实例，建立变电所雷电侵入波模型，计算不同电缆长度下变电所主要设备及电缆不同部位上的最大过电压及其绝缘裕度。同时，就电缆末端加装和不加装避雷器的情况进行对比讨论。计算表明：电缆较短时，过电压随电缆长度增大而增大；电缆较长时，情况相反。其中以电缆长度为300m时过电压最为严重。电缆末端加装避雷器后，电缆和主要电气设备过电压得到较大下降，建议加装以保障设备安全。

500kV GIS变电所；电缆长度；波过程；最大过电压；避雷器配置

随着我国电网电压等级的不断提高，雷电侵入波对变电所的侵害已不容忽视。500kV变电所是我国的主网架，而气体绝缘金属全封闭开关设备（GIS）以其占地面积小、运行安全可靠和维护方便等优点在我国得到广泛应用。目前新建或者改建的变电所基本上以GIS为主，且分为地上和地下GIS两个部分，中间通过几百米到数千米的电缆段连接。当雷电侵入波通过输电线路传入变电所时，由于电缆长度较长，且GIS和电缆的波阻抗不同，侵入波在电缆段的波过程就显得格外复杂。

目前新建的几所500kV变电所中，由于场地的限制，中间电缆有愈来愈长的趋势。为抑制由于雷电侵入波产生的过电压，工程中通常在电缆首段或者末端安装避雷器加以保护。但是，经验表明，随着电缆长度的增加，波在电缆中的传播变得复杂，产生的最大过电压不一定出现在电缆末端。这样，由于保护的缺失，过电压有可能会超过允许值从而破坏电缆绝缘。

为探究500kV GIS变电所遭受雷电侵入波时电缆中产生的波过程，本文以ATPDraw电磁暂态计算程序为平台，针对某500kV GIS变电所电缆段进行研究，计算整个电缆中可能产生的最大过电压，并提出防护措施。

1 电缆中的波过程

1.1 波的折反射原理

当入射波从一种线路传到另一种线路，由于波阻抗不同，行波在电缆的节点间将发生折反射的情况。实际电网中的情况往往比较复杂，例如两端导线中间连着一段电缆，将两段导线视为节点无限延伸时，行波就会在两节点间发生多次折反射过程如图1所示。

图1 波的折反射原理

图1 中，节点A、B的折射系数分别为：

节点A、B的反射系数分别为：

当经过n次折反射过程后，A点和B点电压分别为：

1.2 雷电波入侵情况下电缆的波过程

如上文的理想状况，由理论分析，由于GIS波阻抗大于电力电缆，电缆末端过电压将高于首端，而电缆中间过电压要小于两端。但很多工程实际状况表明，随着电缆长度的增长时，雷电侵入波袭入变电所时，电缆上的最大过电压并不一定在两端，而极有可能在中间。究其原因，可能有以下几点。

（1）雷电波并不是直角波，其波形比较复杂且具有较大的随机性。因此导致整个波过程也比较复杂。

（2）电缆长度为10²数量级，波从电缆首端传到末端时间为μs数量级，与雷电流波侵入时间可以比拟。

（3）变电所内并非只有GIS母线和电缆，还存在其他设备。并且GIS母线并不是无限长，相反，比电缆还要短。

（4）变电所出线段和变压器侧均装设有避雷器，对过电压的分布也存在较大影响。

综合以上几点，电缆上过电压分布较为复杂。因此，过电压大小与电缆长度及其位置成为输变电过程中一个急需解决的问题。本文以电磁暂态程序ATP为平台，建立500kV GIS变电所雷电侵入波模型，研究电缆长度、部位及避雷器布置对过电压的影响。

2 雷电侵入波过电压仿真模型

2.1 计算模型

（1）雷电流模型。本文选取雷电流幅值为240kA，超过该幅值的概率为0.16%。波形取为2.6/50μs的标准雷电波，用双指数模型进行模拟，雷电通道波阻抗为400Ω。

（2）输电线路模型。输电线路采用参数随频率变化的三相Jmarti模型，变电站敞开部分架空线和门型架到终端塔的线路采用400kHz下的的恒定参数模型。

（3）避雷器模型。金属氧化物避雷器是一种高度非线性的电阻，因而可采用非线性电阻来模拟，其非线性特性采用分段线性函数模型来模拟。其冲击接地电阻取10Ω。

（4）杆塔模型。杆塔模型根据杆塔的结构而定，将每一段均用波阻表示，虽然对同一个铁塔来说，其不同部位的波阻抗的值可能不相等，但是雷击的假设、线路的模型都比较粗略，因而杆塔的模型也没必要那么精确，可假设各部分的波阻抗均相等，波阻抗的大小见表1。

表1 等值波阻抗

（5）变压器等电气设备的模型。因为雷电侵入波等值频率较高，维持时间很短，通常10μs左右即可算出最大过电压幅值。变电站设备如变压器、隔离开关、断路器、互感器等，在雷电波作用下，均可等值成冲击入口电容。设备等值电容见表2。

（6）绝缘子串闪络模型。绝缘子串的闪络过程运用ATPDraw程序中的Tacs组件完成，基本原理是相交法，即当绝缘子两端电压超过U50%时，认为其闪络，线路发生短路。

2.2 参数选择

（1）根据工程给出的数据，电缆、杆塔、GIS管道等值参数如表1所示。

（2）电气设备的入口电容参数（表2）。

表2 设备等值入口电容 pF

（3）避雷器电气特性。500kV级GIS内部采用SF6封闭式氧化锌避雷器BLX2，外部采用敞开式氧化锌避雷器BLX1，其电气特性如表3所示。

表3 氧化锌避雷器的电气特性

（4）雷电冲击绝缘水平（表4）。

表4 雷电冲击绝缘水平

（5）架空线路参数。架空线路采用四分裂导线，导线型号为4×LGJ-300/40, 分裂距离450cm；子导线计算直径为2.394cm, 20℃直流电阻为0.09614Ω/ km。地线一根采用JL/LB1A-95/55铝包钢芯铝绞线, 计算直经1.6cm，20℃直流电阻0.2634Ω/km；另一根采用OPGW-150光缆，计算直经1.6cm，20℃直流电阻0.28Ω/km。双回部分采用两根OPGW-150光缆。

（6）杆塔接地电阻。近区取10Ω，远区取20Ω。

3 计算结果

本文以某500kV GIS变电所为实例，分别计算雷电袭入变电所时不同长度和避雷器配置情况下电缆的过电压分布情况。该变电所采取单线单变运行方式，该方式下若遭受雷击，过电压幅值最高，电气主接线图如图2所示。图中TM为主变，TG和TL分别为GIS和电缆接头，DS为隔离开关，CB为断路器，PT为电压互感器，CVT为电容式互感器，BLX1为出线避雷器，BLX2为电站型避雷器。

3.1 电缆长度对过电压的影响

本文将电缆分为12个节点，运用ATP软件，仿真计算当电缆长度从100m增至1200m时，雷电侵入波袭入变电所时各个部位的最大过电压分布情况，计算结果如图3所示。

图2 500kV GIS变电所等效接线图

其中，各种电缆长度情况下变电所各主要设备上的过电压及绝缘配合情况如图4所示。

通过图3和图4可以看到，电缆末端过电压高于首端。当电缆长度小于300m时，电缆上最大过电压随电缆长度的增大而增大；而当电缆长度继续增加时，电缆上的最大过电压逐步降低，且最大过电压并不在电缆末端。在各个电缆长度情况下，变电所主要电气设备过电压均在允许范围内，以电缆长度为300m时的运行状况最为严重。此时电缆最大过电压为1303.6kV，设备的绝缘裕度保证在16%以上。