110kV GIS变电所进线电缆末端雷电过电压研究

刘涛

【摘要】：气体绝缘开关装置（GIS） 已广泛应用于城市供电网中。阐述了导线参数、GIS 参数、雷电侵入波模型及参数、避雷器参数以及电气设备参数等的设置， 运用ATP- EMTP 搭建雷电侵入波作用下的架空线与电缆进线相连、包括架空线与电缆连接处安装的避雷器和部分电气设备（GIS、变压器） 在内的单相简化模型， 仿真计算断路器不同状态下， 不同电缆长度的电缆末、首端雷电过电压。

【关键词】：110kV GIS；变电所；进线电缆末端；雷电过电压

【前言】：针对110 kV GIS 变电所电缆进线与架空线相连的方式， 采用ATP- EMTP 搭建雷电侵入波作用下的架空线与电缆进线相连、包括架空线与电缆连接处安装的避雷器和部分电气设备（GIS、变压器） 在内的单相简化模型， 仿真计算断路器不同状态下， 不同电缆长度的电缆末、首端雷电过电压与电缆长度之间的关系， 为电缆进线方式下避雷器的布置设计提供了参考。

1、模型参数选择

1.1 导线参数

高压输电线上， 单相雷击占大多数， 因此研究中按单相雷击考虑。在仿真计算中， 架空线、变电所设备连接导线均用单相的波阻抗模拟， 站内导线近似认为是无畸变线， 波阻抗为一常数， 不计电晕影响。

1.2雷电侵入波模型及参数确定

雷云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放， 但地面被击物体的电位不是取决于雷云的初始电位， 而是取决于雷电流与被击物体阻抗的乘积，这相当于一个电流源作用的过程。因此， 可以把雷电放电的过程看作是一个沿着一条有固定波阻抗的雷电通道向地面传播的电磁波过程。

据统计， 雷电流波头长度大多在1～5μs 范围内， 平均为2～2.5 μs。根据DL / T 620- 1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定， 雷电冲击电流波头时间为2.6 μs， 波长50 μs， 幅值为5 kA。因此，本文中雷电流波形采用2.6 μs /50 μs。对于110 kV电压等级的变电所， 在计算雷电侵入波的波过程中可以忽略工频电源的影响。

1.3避雷器参数设置

架空线与电缆连接处安装Y5W- 100 / 266型号的氧化锌避雷器。根据金属氧化物避雷器的特性， 选择几个特性点， 以这几个点组成的曲线作为避雷器的伏安特性曲线。

2、仿真模型建立

DL / T 620 - 1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中规定：“与架空线路相连接的长度超过50 m 的电缆， 应在其两端装设阀式避雷器或保护间隙； 长度不超过50 m 的电缆， 只在任何一端装设即可”，“发电厂、变电所的35 kV 及以上电缆进线段， 在电缆与架空线的连接处应装设阀式避雷器”。因此， 仿真计算时， 仅在架空线与电缆连接处即电缆首端安装氧化锌避雷器， 以观察在一组避雷器配置下电缆首端、末端雷电过电压情况。根据已有运行经验， 当断路器因前次雷电波侵入而断开并处于等待重新闭合状态时， 变电所再次遭受雷击时常导致严重事故， 因此特别考虑了这种恶劣的情况。根据断路器断开与合上2 种状态， 仿真模型分为2 种。t1.0 表示套管长度为1.0 m，其他类似。模型1 仿真的是上面提及的恶劣情况。

3、仿真结果和分析

3.1 仿真结果

在波头时间为2.6 μs、幅值为5 kA 的雷电冲击电流作用下， 电缆末端与首端雷电过电压的比值r。实线、虚线分别为模型1、2 的仿真結果（ r 为比值； L 为电缆长度） 。

电缆长度约为70 m 时， 断路器断开的情况下， 电缆首端与末端的电压波形， 实线、虚线分别为首端、末端电压波形。

3.2 仿真分析

由于线路避雷器的作用， 电缆首端的雷电过电压基本保持在避雷器的雷电冲击保护水平， 即避雷器在5 kA 下的残压266 kV 的附近。在断路器断开与闭合2 种状态下， 电缆末端电压高于首端电压， 这是由于雷电波在电缆两端多次折/反射过程中， 振荡幅值增大。因此， 工程设计中， 避雷器应尽量靠近电缆首端， 以限制电缆末端雷电过电压。

DL / T 620 - 1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中规定：“电缆及其附件的全波额定雷电冲击耐压与避雷器标称放电电流下的残压间的配合系数取1.4”。可知： 对于断路器合上的状态， 配合系数在1.2 上下浮动， 小于规定配合系数1.4， 表明仅在电缆首端装设避雷器即可。然而， 对于模型1（ 断路器断开） 所描述的恶劣情况， 由于断路器打开， 母线避雷器无法对电缆末端雷电过电压起到抑制作用， 并且侵入波在断路器断口之间会发生多次反射叠加， 雷击多次反射使电缆末端出现频率较高的振荡冲击波，最终导致电缆末端过电压增加。电缆首末两端最大电压比接近2.0， 远大于规程规定的配合系数1.4。因此， 必须限制GIS 进线电缆的长度以限制电缆末端的雷电过电压。

3.3 电缆长度及接线方式对过电压的影响

电缆末端电压最大值已达350 kV， 由此可以看出当电缆长度大于70 m 时， 仅电缆首端装设避雷器已经无法满足保护要求， 需要考虑在变电所内部再装设避雷器。此外， 为了限制过电压， 一般电缆线路应采用金属护套一端接地或两端接地的形式， 增加电缆削弱过电压的能力。因此， 在实际设计中， 并非绝对按照规程中所述以电缆长度50 m 作为是否安装所内避雷器的依据， 可以结合实际情况， 综合考虑是否在GIS 内装设避雷器。

结束语

运用ATPDraw 仿真计算了与架空线相连的进线电缆， 在雷击架空进线保护段之外的侵入波情况下， 电缆的末、首端雷电过电压及比值。仿真根据实际运行经验选取断路器断开、隔离刀闸合上的状态（ 模型1） 作为雷电波侵入计算的背景， 具有一定的实际价值。分析比较模型1 中不同长度电缆的末、首端雷电过电压及比值， 当电缆长度大于70 m 时，仅电缆首端装设避雷器已经无法满足保护要求， 需要考虑在GIS 内部配置避雷器。实际情况中， 在雷电波作用下， 电缆的接线方式对削弱雷电波幅值具有一定的影响， 考虑这一特性后， 电缆末端雷电过电压将有所降低， 因此研究结果具有一定的裕度。

【参考文献】：

[ 1] 张纬钹， 何金良， 高玉明. 过电压防护及绝缘配合[M] . 北京： 清华大学出版社.2016（10）：60-62.