500 kV气体绝缘输电线路雷电侵入波暂态特性分析

周玉娟

（江苏开放大学 建筑工程学院，南京 210036）

500 kV气体绝缘输电线路雷电侵入波暂态特性分析

周玉娟

（江苏开放大学 建筑工程学院，南京 210036）

气体绝缘金属输电线路（GIL）因其适合于远距离、大容量电力传输应用前景广泛，必须合理分析GIL雷击暂态特性以提高其防雷水平。介绍GIL技术相关优点，在ATPEMTP中建立500 kV架空线路、杆塔和GIL模型，分析雷电绕击和反击情况下GIL暂态过电压，比较GIL和XLPE过电压幅值差异，讨论避雷器对GIL侵入波过电压防护效果。仿真结果表明：绕击情况下GIL暂态过电压高于反击情况；GIL末端过电压高于其首端过电压，且随着GIL长度的增加，侵入波过电压幅值降低；在GIL首末两段安装避雷器能够有效提高其安全裕度；同等条件下，GIL雷电侵入波过电压高于XLPE电缆。GIL技术具体应用时需要详细分析其暂态特性。

输电线路；雷电过电压；气体绝缘输电线；避雷器

0 引言

随着我国经济的不断发展，电网规模日益扩大，对电力能源的运输提出了新的要求。相比于架空输电线路，GIL因其载流量高、电容小更适用于高压和超高压的远距离、大容量传输[1－2]。GIL的设计使用寿命可达几十年，特别适合应用在环境恶劣地区，同时能够避免运行过程中的绝缘老化、劣化问题，极大程度提高了对电网运行可靠性[3]。

国外对于GIL技术研究起步较早，GIL运行经验较为成熟[4]。我国对于GIL技术的使用相对较晚，主要应用于水电和核电工程领域，用于长距离输电案例相对较少[5-6]。目前对于GIL技术的研究主要集中在GIL技术成本降低、绝缘优化[3]和新型环保气体介质研发[7]等领域，但是对于采用GIL技术的线路雷击暂态特性研究较少，主要集中于GIS开关站等短距离应用场合[8]。

笔者利用ATP-EMTP搭建500 kV线路和杆塔模型，分析采用架空线和埋地GIL构成的混合传输系统雷击绕击和反击情况下的暂态特性，比较安装金属氧化物避雷器前后GIL和传统XLPE电缆暂态过电压，讨论GIL长度对暂态过电压的影响。

1 气体绝缘输电线路

GIL设备原理类似于GIS金属封闭母线[9]，利用SF6气体或SF6/N2混合气体实现绝缘。GIL结构如图1所示，包含外壳、导体、隔离和支撑绝缘子等[1]。

图1 GIL结构Fig.1 The structure of GIL

GIL技术的优点是传输容量大但热能和电能损耗很少，节能效果明显；安全性能好，防火防爆性能优良，故障率极低；辐射低、无电磁干扰，不影响无线通讯。GIL安装主要有3种：直埋敷设、隧道安装和户外架设[10]，能够节约大量土地资源。

2 仿真模型

2.1 雷电流模型

雷电流波形采用Heidler函数[11]表示，表达式为

式中：I0为峰值电流，kA；τ1和 τ2分别为波头时间常数和波尾时间常数，μs；n为电流陡度因子，取10。雷电流通道的波阻抗和雷电流幅值紧密相关，根据GB50064-2014给出的波阻抗随雷电流幅值变化规律图[12]确定。

2.2 线路及杆塔模型

选用Jmarti线路模型来反映频率与线路参数的关系以及分布的损耗特性，减小输电线路参数受雷电流中高频成分的影响。在EMTP中建立6基杆塔的线路模型，线路全线架设双回避雷线，线路档距为500 m。导线型号为LGJ-400/35，避雷线型号为JLB4-150，线路工作电压500 kV。

考虑到雷电波在传播过程中的衰减与畸变，选用有损多波阻抗模型作为杆塔模型，并在EMTP中建立的多层杆塔模型[13-14]。图2是杆塔的有损多波阻抗模型。图2 中，Zt1、Zt2、Zt3、Zt4为杆塔从上至下各段的波阻抗，根据试验直接测量的数据：Zt1=Zt2=Zt3=ZT1=220 Ω，Zt4=ZT2=150 Ω；h1、h2、h3和 h4为杆塔从上至下各段的长度；模型中用R-L并联电路来模拟波在传播过程中的衰减和畸变，杆塔各段电阻Ri和电感 Li的值可以由式（2）-（5）求出：

式中：vt为雷电波在杆塔中的传播速度，取光速；上下部衰减系数 γ1=γ2=0.8。

图2 杆塔有损多波阻抗模型Fig.2 Circuit model of a transmission tower

线路绝缘闪络判断采用相交法[15-16]，过电压与绝缘子串伏秒特性曲线相交即发生闪络，绝缘子串的伏秒特性曲线如下：

式中：U0取 8 000 kV；U∞取 2 300 kV；时间常数 τ取 0.8 μs。

2.3 GIL和XLPE模型

GIL线路和XLPE线路均采用埋地方式敷设，总体结构为单芯结构，三相分开排列。在EMTP中将线路进行分段，利用其自带的cable模型表示，每段长度250 m。图3给出了架空线路与GIL/XLPE混合传输系统布置。

表1给出了GIL和500kVXLPE电缆电气参数[17]。

2.4 避雷器模型

在GIL或XLPE首末两段安装金属氧化物避雷器，避雷器电流与电压间的关系服从下述规律：

式中：ib为陡波电流，kA；p、q 是常数；q 的典型值为20～30；Uref为参考电压，通常取额定电压的2倍或接近于2倍的值。避雷器最大持续工作电压525 kV，10 kA冲击电流时残压为1 016 kV[18]。

图3 架空线路与GIL/XLPE混合传输Fig.3 Transmission lines connected with GIL/XLPE

表1 GIL线路和XLPE电缆技术参数Table 1 Parameters of GIL and XLPE

3 仿真结果分析

仿真中杆塔参数如下：h1=4.5 m、h2=11.8 m、h3=11.8 m、h4=34.1 m，杆塔接地电阻取 10 Ω。

3.1 绕击和反击侵入波过电压

雷电流波形为2.6/50 μs，幅值为30 kA。图4给出了L1号杆塔附近线路发生雷电绕击时，GIL首末两端过电压波形。图5给出了雷击L1号杆塔塔顶时，GIL首末两端过电压波形。图4、图5中GIL长度均为10 km。

图4 绕击过电压波形Fig.4 Waveform of overvoltage due to tripping

由图4和图5可以看出，发生绕击时GIL暂态过电压明显高于反击情况。无论是绕击还反击，GIL首端过电压均小于末端过电压，这主要是由于雷电波在GIL传播过程中多次折反射，重复叠加在波尾上，导致GIL末端过电压很高。

图5 反击过电压波形Fig.5 Waveforms of overvoltage due to counteracting

表2给出了不同长度情况下GIL首末两端过电压。由2可以看出绕击、反击侵入波过电压均随着GIL长度的增加而减小。GIL长度越长，对地电容越大，对过电压衰减越严重。

表2 不同长度GIL雷电侵入波过电压Table 2 Lightning inrush overvoltage of GIL with different length

3.2 安装避雷器

图6给出了1km GIL首末两端安装避雷器后绕击侵入波过电压。

图6 安装避雷器保护效果Fig.6 Protection effect of surge arresters

由图6可以看出，安装避雷器后GIL首末两端过电压均得到不同程度降低，GIL首端过电压降低幅度较末端过电压小，因为原来末端过电压幅值较大。安装避雷器后1 km GIL末端过电压为822 kV，IEC标准推荐的内绝缘安全因数取1.15[19]，再考虑实际GIL与试品绝缘水平的差异，留有一定裕度后差异系数取0.8[20]，GIL可能出现的最大雷电冲击电压不会超过1200kV，小于其雷电冲击耐压（1550kV），能够实现有效雷电过电压防护。

3.3 XLPE电缆

目前电力线路中，交联聚乙烯（XLPE）电缆应用较为广泛，图7给出了绕击侵入导致的GIL和XLPE电缆末端过电压随长度变化示意图。

图7 GIL和XLPE雷电侵入波过电压Fig.7 Lightning inrush overvoltage of GIL and XLPE

由图7可以看出，同样情况下GIL过电压要高于XLPE电缆，高出幅度最大可达10%，当过电压从架空线侵入GIL或XLPE电缆时，由于波阻抗不同会在首末两端发生多次折反射，由于材料特性不同，GIL波阻抗大于XLPE电缆，从而GIL折反射系数均要高于XLPE电缆，导致GIL上过电压高于XLPE电缆。虽然GIL传输损耗小于XLPE电缆，传输容量也高于XLPE电缆，但在GIL具体应用时，仍然需要仔细分析其暂态特性。

4 结论

笔者通过在ATP－EMTP中建立架空线路和GIL混合传输模型，分析线路绕击和反击情况下GIL暂态过电压，得到如下结论：

1）绕击导致的GIL过电压要高于反击情况，且GIL末端过电压高于其首端过电压。

2）GIL长度越长，过电压幅值越低。

3）在GIL首末两段安装避雷器能够实现有效过电压保护。

4）同等条件下，GIL因雷电波侵入产生的过电压高于XLPE电缆产生的过电压，在应用GIL技术时，需要谨慎详细分析其暂态特性。

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Analysis on Transient Characteristics of Lightning Invaded Wave for 500 kV GIL

ZHOU YuJuan
（Jiangsu Open University，Nanjing 210036，China）

Gas－insulated transmission lines（GIL）has extensive application prospect because it is suitable for long distance，large capacity power transmission applications.It is necessary to analyze the lightning transient characteristics of GIL to improve its lightning protection level.The advantages of GIL are introduced.Equivalent models of 500 kV transmission line，tower and GIL are established in ATPEMTP.GIL transient overvoltage under lightning shielding and counteracting are analyzed，and overvoltage of GIL and XLPE cable are also compared.The protection effect of metal oxide surge arrestor is discussed.The results show that：the GIL transient overvoltage under shielding is higher than counteracting；the GIL overvoltage at the terminal is lower than that at the head；overvoltage of intruding wave decreases with the increase of GIL length.Installing metal oxide surge arrestor at both ends of GIL can efficiently improve the safety margin.The lightning invaded overvoltage of GIL is higher than XLPE cable under the same condition，which needs transient characteristics should be analyzed detailed during GIL technique specific application.

transmission line；lightning induced overvoltage；GIL；arrester

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.022

2016－09－01

周玉娟（1974—），女，讲师，主要从事建筑电气工程教学。