气体绝缘金属封闭输电线路雷电侵入过电压研究

（郑州铁路职业技术学院，郑州451400）

0 引言

经济社会的不断发展对电能的传输提出了更高的要求。GIL传输容量大，电能和热能损耗较少，具有明显的节能效果。同时GIL载流量高、电容小，更适用于远距离、大容量传输[1-2]，逐渐被应用于高压和超高压传输领域。GIL可以采用直埋或隧道[3]等安装方式，即使在环境恶劣地区也能很大程度上避免运行过程中面临的绝缘老化、劣化问题。因此，GIL的采用即节约了土地资源，也提高了电网运行的稳定性，前景广阔。

国外GIL的应用起步较早，积累了大量技术经验和研究成果[4]，包括了GIL的绝缘优化[4]及新型环保气体介质研发[5]等。GIL技术的使用在我国相对较晚，主要应用场合多为水电站和核电站[6-7]，多用于GIS开关站等短距离输电领域。过去GIS与输电线路连接多采用XLPE电缆，针对XLPE电缆的雷电波侵入特性研究较多[8]，GIL单位长度电容明显小于XLPE电缆，受电容效应影响更大，但对应用GIL技术的线路雷击过电压暂态特性研究较少[9]，缺乏对其过电压防护的具体探讨。

笔者利用EMTP软件搭建500 kV输电线路模型，计算架空线与埋地GIL相连传输系统发生反击和绕击时的GIL暂态过电压，比较其暂态过电压特性差异，分析GIL绝缘威胁及安装额外金属氧化物避雷器对过电压的抑制效果，讨论GIL避雷器安装位置对暂态过电压的影响。

1 仿真计算模型

1.1 雷电流模型

雷电流波形采用双指数函数模型[10]表示，具体表达如下：

式中：I0为雷电流峰值；α1为波头时间常数，α2为波尾时间常数；kc为修正系数，kc=mm/（m-1）/（m-1），m=α2/α1。仿真中雷电流波形取2.6/50 μs，对应的雷电流通道的波阻抗选取参见相关规范[11]。

1.2 线路及杆塔模型

500 kV输电线路全线敷设双避雷线，杆塔档距500 m。导线型号LGJ-400/35，避雷线型号JLB4-150[12]。线路模型采用Jmarti模型，以减小雷电流高频成分对线路参数的影响。

500 kV杆塔模拟采用Hara提出的无损线杆塔模型以考虑横担和支架对杆塔阻抗的影响。图1给出了杆塔结构及其无损线模型[13]。图1中，Zt对应塔身波阻抗，ZL对应支架波阻抗，ZA对应横担波阻抗。

横担波阻抗ZAk通过下式计算：

式中，hk和rAk为第k个横担高度和等效半径。塔身主干波阻抗Ztk通过下式估算：

式中，杆塔各部分的等效半径rek通过经验公式求取，rek=21/8（rtk1/3rB2/3）1/4（Rtk1/3RB2/3）3/4。hk、rtk、Rtk、RB意义如图1所示。

支架波阻抗ZLk与塔身主干波阻抗Ztk存在如下关系：

仿真中计算中杆塔具体参数选取如下：h1=57 m、h2=55 m、h3=44 m、h4=33 m。杆塔接地电阻只考虑工频情况取10 Ω。

图1 杆塔结构与无损波阻抗模型[13]Fig.1 Structure of tower and its circuit model

考虑到规程法和相交法在分析绝缘闪络过程中忽略了雷电过电压波形的影响，因此线路绝缘闪络判断采用先导法[12，14]，考虑空气闪络的整个物理过程。闪络通过流注和先导两个过程的放电时间之和来判断，间隙击穿时间由下式计算：

式中，ts为流注发展时间；tl为先导发展时间；E为绝缘子串闪络之前的最大平均场强；E50%为放电电压下的均场强。

先导过程在流注发展过程完毕后开始，先导长度可以通过时间的函数表达式计算：

式中，dl/dt为先导发展速度；U为间隙承受电压；D为间隙长度；l为先导已发展的长度；EL0为先导发展起始场强，推荐取值600 kV/m；k为先导速度发展系数，推荐取值1.3。

当雷电冲击电压能够保持流注先导及其继续发展且加压时间t=tc时，间隙被击穿。

1.3 GIL模型

GIL线路全部采用埋地方式敷设，结构为三相单芯品字形排列。图2给出了架空线路与GIL布置示意图，雷击点距1号杆塔100 m。

图2 架空线路与GIL线路示意图Fig.2 Schematic diagram of overhead lines and GIL lines

GIL主要结构包括外壳、导体、隔离和支撑绝缘子等[15]。导体与外壳间填充SF6（20%）和N2（80%）混合气体，相对介电常数约等于1；GIL外壳涂有厚度为5 mm的绝缘材料，相对介电常数等于4。表1给出了GIL相关电气参数[16]。

表1 GIL线路参数Table 1 Parameters of GIL

1.4 避雷器模型

除GIL与输电线路连接点外侧各安装一组在金属氧化物避雷器外，在GIL上也安装一组避雷器，距离GIL首端∆Lm。金属氧化物避雷器采用IEEE模型表示[17]，如图3所示。

图3 避雷器模型Fig.3 Surge arrester model

IEEE避雷器模型中，限压特性主要通过非线性电阻A0和A1体现，电阻R0用来抑制数值振荡，L0表征构成内外部磁场的电感，R1和L1组成低通滤波器，C C表征压敏电阻固有电容。仿真中，避雷器持续工作电压525 kV，8/20 μs，10 kA电流冲击下残压为1081 kV[18]，对应的相关参数如下：L0=0.88 μH，R0=440 Ω，Ll=66 μH，R1=285 Ω，C=227 pF。

2 仿真结果分析

2.1 反击过电压

图4（a）和图4（b）分别给出了雷击L1号杆塔附近避雷线，GIL中段（∆L=500 m）未安装额外避雷器和安装额外避雷器时，GIL末端导线与外壳间过电压波形。GIL长度1 km，雷电流幅值20 kA，对应雷电通道波阻抗700 Ω。

图4 反击过电压波形Fig.4 Waveform of overvoltage in case of counterattack

由图4可以看出，GIL过电压波形振荡非常剧烈，且距离雷击点越远，过电压幅值越高，靠近首端过电压明显小于末端过电压。这主要是由于雷电波从架空线路侵入GIL时，波阻抗不同导致雷电波在首末两端发生多次折反射[9，19]，重复叠加在波尾上，导致GIL末端过电压很高。

中段未安装额外避雷器时，GIL末端过电压超过1 200 kV，当中段安装额外避雷器后，末端过电压得到明显降低，波形振荡也得到明显抑制。

2.2 绕击过电压

图5（a）和图5（b）分别给出了雷击L1号杆塔附近导线，GIL中段未安装额外避雷器和安装额外避雷器时，GIL末端导线与外壳间过电压波形。相关计算参数同上。

从图5可以看出，绕击时GIL过电压波形振荡不如反击时剧烈，但是过电压幅值同样随着距雷击点距离的增大而增加。增加安装中段避雷器后，GIL各处过电压均得到不同程度降低，波形振荡也不明显。

2.3 过电压对GIL绝缘威胁

图6给出了不同雷击电流幅值作用下，发生反击与绕击时GIL末端导线与外壳间过电压。

图5 绕击过电压波形Fig.5 Waveform of overvoltage in case of Shielding

图6 过电压随雷电流幅值变化Fig.6 Lightning overvoltage vs lightning current

由图6可以看出，无论是反击还是绕击情况，GIL过电压均随着雷击电流幅值的增加而增大，但反击过电压始终小于绕击过电压。500 kV GIL其雷电冲击耐压为1 550 kV，留有一定安全裕度后，得到其限制电压Ulim，Ulim=1 550/Ks，Ks为内绝缘安全系数，IEC标准[20]推荐取1.15，确定其限制电压为1 348 kV。中段未安装额外避雷器时，仅依靠GIL连接点外侧安装的避雷器保护是不够的，GIL过电压很容易超过其限制电压，30 kA雷击电流下超过其雷电冲击耐压。当中段安装额外避雷器后，40 kA雷击电流作用下超过其限制电压，50 kA雷击电流作用下才超过其雷电冲击耐压，配合线路断路器等其它保护设备，基本能够实现有效雷电过电压防护。

2.4 GIL避雷器安装位置

由于雷电波在GIL两端发生多次折反射，前行波与反行波在GIL上重复叠加。理论上分析，避雷器安装越靠近GIL首端，GIL上过电压幅值越低，但是避雷器距离末端越远，末端过电压幅值振荡越高。因此GIL上避雷器存在一个最佳安装位置。图7给出了避雷器安装位置对GIL末端过电压幅值影响。GIL长度取1 km，雷电流幅值20 kA。

图7 过电压随避雷器安装位置变化Fig.7 Lightning overvoltage vs position of surge arrestor

从图7可以看出，避雷器安装位置对GIL末端过电压存在一定程度的影响，但并不十分明显。避雷器防护效果并非安装在GIL中点处最佳，因为过电压随距雷击点距离的变化趋势不同。反击与绕击情况下避雷器最佳安装位置大致相同。不同长度的GIL上避雷器最佳安装位置需要作详细分析。

3 结论

通过在EMTP中建立GIL和输电线路模型，分析雷击输电线路避雷线和导线时GIL上暂态过电压，得到以下结论：

1）线路发生反击时，GIL过电压波形振荡非常剧烈，且距离雷击点越远，过电压幅值越高。

2）发生绕击时，GIL过电压波形振荡不如反击时剧烈，但是过电压幅值要高于反击情况且过电压幅值同样随着距雷击点距离的增大而增加。

3）在GIL上安装额外避雷器基本能够实现有效雷电过电压防护，但防护效果收避雷器安装位置影响。

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