電力電纜對GIS變電站VFTO抑制效果的研究

該文以某500kV GIS變電站為研究背景，用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP搭建該變電站仿真模型，針對GIS內(nèi)主變壓器入口處的VFTO抑制，提出了采用電力電纜連接GIS主體和主變壓器，并考慮電纜的接地方式和集膚效應(yīng)對VFTO的影響搭建仿真模型，仿真得到了四種接地方式下電纜對VFTO的抑制效果。

近年來操作GIS隔離開關(guān)所帶來的絕緣故障率呈上升趨勢，隨著電網(wǎng)運行電壓等級的提高，在超高壓GIS中，特快速暫態(tài)過電壓（VFTO）已經(jīng)成為威脅GIS站內(nèi)設(shè)備和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主要原因之一。

目前國內(nèi)外學者以計算機模擬仿真研究VFTO居多，運用比較多的電磁暫態(tài)仿真軟件有ATP-EMTP、PSCAD/EMTDC、MATLAB等。計算機仿真具有成本低、靈活、節(jié)約時間、計算結(jié)果與實測結(jié)果相似度高等特點，為VFTO的研究提供了極大的便利。當前抑制VFTO流進變壓器內(nèi)部主要是通過變壓器入口處加裝并聯(lián)電容器、加裝串聯(lián)阻波器、主變?nèi)肟诎惭b鐵氧體磁環(huán)等措施，但這些設(shè)備的加裝又會增加故障率、容易引起諧振、造價昂貴等問題。需要尋找相對簡單并且不易帶來故障的抑制設(shè)備，電力電纜就是這樣的設(shè)備之一。

1 電力電纜的結(jié)構(gòu)

電力電纜一般埋設(shè)于土壤中或敷設(shè)在室內(nèi)、溝道、隧道中，因其結(jié)構(gòu)緊湊、導(dǎo)線之間間距小、不占用地面、空中的空間，并且能夠滿足長期、安全可靠的電力輸送的需要，是目前的主要輸電導(dǎo)體之一。電力電纜的導(dǎo)體線芯有單芯、二芯、三芯、四芯和五芯共五種。本文中用到的電纜為單芯電纜[1]。單芯電纜結(jié)果如圖1所示。

圖1 單芯電纜的結(jié)構(gòu)示意圖

2電力電纜的集膚效應(yīng)

通常對線路波過程分析都會假定線路無損耗，既R=G=0，而實際上的電力電纜線路存在著較大的串聯(lián)電阻損耗，而且由于導(dǎo)線和大地在交變電場作用下具有集膚效應(yīng)，在集膚效應(yīng)作用下電纜的電阻和電感隨線路的頻率變化而變化，影響著行波在電纜里的傳播，是一個不容忽視的問題。

因此，本文采用Bergeron Model的電纜模型，即把分布參數(shù)原件等值為集中參數(shù)原件，以便用比較通用的集中參數(shù)的數(shù)值求解法來計算線路上的波過程。因此可以把電纜分為兩部分：①理想部分，此部分由電纜的幾何電感L0和幾何電容C0表示，它只與電纜的幾何形狀有關(guān)，與系統(tǒng)電壓、頻率以及電纜的材質(zhì)無任何關(guān)系。②損耗部分，這一部分包括電阻RH和內(nèi)部電感LH以及恒定的介電損耗G組成，用來描述電纜的集膚效應(yīng)，該部分與頻率相關(guān)。電纜的等效示意圖如圖2所示[2]。

圖2 電纜等效示意圖

3電力電纜的接地方式

在電力電纜的運行中，金屬護套會受到導(dǎo)體中電流（負荷電流、短路電流、故障電流等）所產(chǎn)生磁感線的作用而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，尤其是當電纜遭受高幅值高頻率的過電壓或發(fā)生不對稱短路時，金屬護套上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓能夠擊穿電纜的絕緣層和護套，對電力電纜造成損害，威脅人身安全，嚴重影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?！禛B50217-94》中規(guī)定，金屬護套上的感應(yīng)電壓不得超過50V。所以對于大截面單芯電纜都要采取措施，既要限制護套上的感應(yīng)電壓又要不引起很大的損耗，增大線路的輸電容量。電力電纜金屬護套接地能夠很好的解決這一問題，常見的電纜的接地方式有四種。

（1）電纜兩端接地方式如圖3.1所示。

圖3.1電纜兩端接地

（2）電纜一端接地方式如圖3.2所示。

圖3.2電纜一端接地

（3）電纜中點接地方式示如圖3.3所示。

圖3.3 電纜中點接地

（4）電力電纜金屬護套交叉互聯(lián)接地如圖3.4所示。

圖3.4 電纜交叉互聯(lián)接地

4電纜電纜對VFTO的抑制效果

本文在仿真中考慮極端情況，故采用單機、單變、單回線供電方式且重燃兩端電源側(cè)電壓為+1.0p.u，負荷側(cè)為-1.0p.u進行研究。500kV電力電纜的波阻抗一般在30-70Ω，波速一般在0.5-2.0×108m/s，而GIS母線上的波阻抗一般為100Ω左右，波速為光速（3.0×108m/s），通過計算可以得出電力電纜每單位長度的電容遠大于GIS母線的電容，電感稍大于GIS母線的電感[3]。因此可以把用電纜將GIS和主變壓器相連看成是串聯(lián)了一定量的的電感和并聯(lián)了大容量的電容。并聯(lián)電容理論上對行波有一定的抑制作用。本文用ATP-EMTP仿真計算利用電纜連接GIS主體和主變壓器時VFTO對主變的影響，并考慮電纜的集膚效應(yīng)和上述四種電纜接地方式。仿真模型如圖4.1所示，仿真結(jié)果如下表1所示。

從表1可以看出，當電力電纜采用金屬護套交叉互聯(lián)接地時對主變壓器入口處的特快速暫態(tài)過電壓幅值和波頭陡度的抑制效果最好。采用護套交叉互聯(lián)接地的500m電力電纜可以使主變壓器入口處過電壓幅值下降至534.19KV（1.18p.u.），入口處的過電壓波形如圖4.2所示，對過電壓波頭的陡度也有一定的抑制作用，假設(shè)100m到500m的該型電纜后可以使主變壓器入口處的波頭限制到1600KV/us左右。

圖4.2 變壓器入口處VFTO波形

5結(jié)論

由以上仿真結(jié)果可以看出，電力電纜雖然對特快速暫態(tài)過電壓的幅值有非常明顯的抑制，壓降幅值高達0.92p.u.，降幅達到45%，單就對幅值的抑制來看，這是一種非常有效的抑制措施。但是從對波頭陡度的抑制效果來看，電力電纜的抑制效果明顯不足，采用500m電纜后在主變壓器入口處的過電壓波頭陡度依舊高達1610KV/us，依舊遠高于1291KV/us的標準值，不能滿足對變壓器保護的要求。雖然電力電纜可以敷設(shè)在地下，但500m的長度對于以結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小著稱的GIS變電站來說顯得有點過長，而且隨著電力電纜長度增加其成本以及敷設(shè)成本、維護工作也是相應(yīng)增加的。但是電力電纜相較其他抑制設(shè)備而言，也具有抑制效果明顯、故障率低、日常維護及檢修工作量小得多、造價相對便宜等優(yōu)點，是一項比較用工程實用價值的措施。

（作者單位：九江供電公司）