架空線對GIS變電站VFTO抑制效果的分析

周力行，劉家郡，鐘笑拳，劉博偉，范 彬，朱凌峰

(1.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南，長沙 410004;2.國家電網(wǎng)江西省贛西供電公司，江西 新余 338025)

超高壓和特高壓GIS變電站開關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓(VFTO)，不僅影響GIS自身運(yùn)行的可靠性，而且對GIS變電站內(nèi)其他高壓設(shè)備以及鄰近的一些電力設(shè)備的絕緣構(gòu)成很大的危害。

目前，關(guān)于VFTO的研究主要集中在VFTO的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，以及對應(yīng)的電弧、避雷器模型的研究。而在VFTO抑制措施方面，國內(nèi)外已經(jīng)提出諸多方法，如在隔離開關(guān)上加裝分合閘電阻、在母線上加裝鐵氧體磁環(huán)、在變壓器入口處加裝并聯(lián)電容器、加裝串聯(lián)阻波器等措施。但這些措施都猶如雙刃劍，在抑制VFTO方面雖然能夠取得一定的效果，但帶來的問題也非常大。如加裝分合閘電阻會(huì)使隔離開關(guān)變得更加復(fù)雜，故障率增加;加裝鐵氧體磁環(huán)還處在試驗(yàn)階段，很多關(guān)鍵性的問題還未解決，貿(mào)然使用會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行;加裝并聯(lián)電容器和串聯(lián)阻波器這些設(shè)備時(shí)會(huì)引起諧振。筆者采用經(jīng)濟(jì)性較高的一種方案，即通過架空線來抑制VFTO帶來的危害［1－2］。

1 架空線的結(jié)構(gòu)

目前，中國電網(wǎng)的主要輸電線路都是由架空線構(gòu)成的，尤其在超、特高壓輸電領(lǐng)域，架空線更是發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，構(gòu)成輸電網(wǎng)絡(luò)的主干。架空線由導(dǎo)線、避雷線、桿塔、絕緣子和金具等構(gòu)成，由導(dǎo)線負(fù)責(zé)傳輸電能，避雷線將雷電流引入大地保護(hù)電力線路免受雷擊，桿塔支持著導(dǎo)線和避雷線等設(shè)備，絕緣子保證輸電導(dǎo)線和桿塔之間的絕緣，金具支持連接導(dǎo)線、避雷線和絕緣子［3］。

導(dǎo)線:輸電導(dǎo)體主要由鋁、鋼、銅等材料制成，在特殊條件下也可使用鋁合金，并且由于多股線在導(dǎo)電能力和機(jī)械強(qiáng)度、柔軟度等方面優(yōu)于單股線，架空線的導(dǎo)線多半采用絞合的多股導(dǎo)線。當(dāng)線路電壓超過220 kV時(shí)，為減小線路電抗和電暈損耗，一般采用分裂導(dǎo)線，分裂導(dǎo)線就是將每相導(dǎo)線分成若干根，相互之間保持一定距離。例如分裂成2～6根，每根相距400～450 m。分裂導(dǎo)線可以改變導(dǎo)線周圍的電磁和磁場的分布，從而降低線路的電抗，減少電暈的發(fā)生，但這樣也會(huì)造成線路單位長度的電容增大。

桿塔:架空配電線路中的基本設(shè)備之一，是支持架空線和避雷線并使它們之間以及它們與大地之間保持一定距離的桿型或塔形建筑物。通過材質(zhì)可以將桿塔分為木質(zhì)桿塔、水泥桿塔和金屬桿塔3種。

絕緣子:由玻璃或陶瓷制成，根據(jù)電壓等級(jí)的不同，每串絕緣子的片數(shù)也不同。根據(jù)規(guī)定:對于35 kV輸電線路，絕緣子片數(shù)不應(yīng)少于3片;60 kV輸電線路，絕緣子片數(shù)不應(yīng)少于5片;110 kV輸電線路，絕緣子片數(shù)不應(yīng)少于7片;154 kV輸電線路，絕緣子片數(shù)不應(yīng)少于10片;220 kV輸電線路，絕緣子片數(shù)不應(yīng)少于13片;330 kV輸電線路，絕緣子片數(shù)不應(yīng)少于19片;500 kV輸電線路，絕緣子片數(shù)不應(yīng)少于25片。

2 架空線上的沖擊電暈

行波在傳播過程中會(huì)發(fā)生一定的衰減和畸變，這種衰減和畸變是由于行波在傳播過程中的損耗而引起的，這部分損耗主要包括:①導(dǎo)線電阻引起的損耗;②導(dǎo)線對地電導(dǎo)引起的損耗;③大地?fù)p耗;④電暈損耗。對于波頭極陡的行波，因?yàn)椴^長度會(huì)由于電暈效果而被拉長，波頭陡度自然就降低了，再加上電暈損耗，所以電暈現(xiàn)象在研究波在架空線上傳播和衰減時(shí)不容忽視。

電暈是指在強(qiáng)電場的作用下，架空線導(dǎo)線周圍空氣發(fā)生電離的現(xiàn)象。該現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅與導(dǎo)線本身有關(guān)，還與導(dǎo)線周圍空氣的條件(比如空氣濕度、氣壓、空氣中離子的數(shù)量等)有關(guān)系。當(dāng)導(dǎo)線上的電壓幅值很高時(shí)(如雷擊、操作過電壓等)，在導(dǎo)線上便會(huì)產(chǎn)生沖擊電暈。大量研究表明，形成沖擊電暈的時(shí)間非常短，并且與沖擊的極性有關(guān)，在正沖擊作用下沖擊電暈形成只需要0.05μs，而在負(fù)沖擊的作用下形成時(shí)間則變得更短，只需要0.01μs。從外觀上看正沖擊產(chǎn)生的沖擊電暈像是從導(dǎo)線表面發(fā)出很多條細(xì)絲，而負(fù)沖擊產(chǎn)生的沖擊電暈則是比較完整的光圈。

2.1 沖擊電暈的伏庫特性

研究和計(jì)算波的衰減和畸變往往離不開沖擊電暈的伏庫特性。所謂沖擊電暈的伏庫特性就是導(dǎo)線上的沖擊電壓的瞬時(shí)值u與導(dǎo)線上及導(dǎo)線周圍電暈套內(nèi)總電荷q的關(guān)系［4］:

沖擊電暈的伏庫特性一般是在實(shí)驗(yàn)室條件下試驗(yàn)測出，也可通過電場理論的某種電暈?zāi)Ｐ徒朴?jì)算得到。典型的沖擊電暈伏庫特性曲線如圖1所示，可以看出，沖擊電暈的伏庫特性曲線呈回環(huán)形，其中回環(huán)的面積與沖擊電暈產(chǎn)生的空間電荷引起的能量耗散成比例。由于沖擊電暈受沖擊的正、負(fù)極性影響很大，所以它們所呈現(xiàn)的伏庫特性曲線的差異也比較大。在同樣的波形和幅值情況下，負(fù)極性伏庫特性的回環(huán)面積要明顯小于正極性伏庫特性的回環(huán)面積。

圖1 沖擊電暈的伏庫特性Figure 1 V-Q characteristics of impulse corona

圖1中，u0為導(dǎo)線的電暈起始電壓，即起暈電壓;q0為與起暈電壓時(shí)的電荷;umax為沖擊波的幅值。為了便于分析研究u0，可將沖擊電暈的伏庫特性曲線分為三部分:

1)OA段表示當(dāng)沖擊電壓瞬時(shí)值u小于電暈的起始電壓u0時(shí)的部分，伏庫特性曲線呈現(xiàn)直線，其斜率等于架空線的幾何電容C0，

2)AB段表示沖擊電壓的瞬時(shí)值u大于電暈起始電壓時(shí)的部分，即電暈的發(fā)展階段，導(dǎo)線周圍的空氣隨著電壓的增加而電離，導(dǎo)線周圍聚集起越來越多的空間電荷，由圖1可以看出此時(shí)的伏庫特性曲線呈直線上升。由于大量空間電荷的存在，在導(dǎo)線周圍形成了導(dǎo)電性非常好的電暈套。電暈套對導(dǎo)線來說等效于增加了導(dǎo)線截面積，從而使導(dǎo)線的對地電容增加。隨著沖擊瞬時(shí)電壓值的變化，電荷也在不斷變化，所以此時(shí)導(dǎo)線的電容也是在不斷變化，一般采用動(dòng)態(tài)電容來描述此階段的導(dǎo)線電容Cd，此時(shí)導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)電容Cd大于導(dǎo)線的幾何電容C0，求得動(dòng)態(tài)電容:

3)BC段表示沖擊電壓峰值過后u小于沖擊電壓最大值umax時(shí)的部分。由于沖擊過程變化非?？欤瑢?dǎo)線周圍的空間電荷還來不急復(fù)合和消散，只有導(dǎo)線上的電荷會(huì)隨著電壓的降低而減少，所以BC部分的伏庫特性曲線幾乎和OA段平行，斜率也幾乎等于OA段的斜率，所以此時(shí)的導(dǎo)線電容用導(dǎo)線的幾何電容C0近似表示。

2.2 動(dòng)態(tài)電容的計(jì)算

當(dāng)沖擊電壓的幅值足夠高時(shí)，導(dǎo)致導(dǎo)線表面電位梯度增大，造成導(dǎo)線周圍的電場強(qiáng)度高于導(dǎo)線周圍空氣的擊穿場強(qiáng)(既起暈場強(qiáng))，導(dǎo)線上就發(fā)生沖擊電暈放電。導(dǎo)線周圍的空氣擊穿場強(qiáng)可用Peek計(jì)算公式求得［5］:

式中 E0為空氣擊穿強(qiáng)度，一般為30 kV/cm;m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，對表面光滑的單股線取m=1，對表面粗糙的絞線取m=0.82;δ為空氣的相對密度，一般取δ=1;f為電壓極性系數(shù)，當(dāng)電壓為正極性時(shí)取f=0.5，電壓為負(fù)極性時(shí)取f=1;r0為分裂導(dǎo)線的幾何半徑。從而可以求得導(dǎo)線的起暈電壓［6］:

式中 n為分裂導(dǎo)線數(shù);h為導(dǎo)線的對地高度;d為導(dǎo)線的分裂間距;re為分裂導(dǎo)線的等效半徑。

中國現(xiàn)行規(guī)程中規(guī)定沖擊電暈伏庫特性的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為

目前，比較常用的伏庫特性為

式中 A，B均為常數(shù)，當(dāng)電壓為正極性時(shí)取A=0，B=1.02，當(dāng)電壓為負(fù)極性時(shí)取A=0.15，B=0.85;

由式(5)可得動(dòng)態(tài)電容Cd為

式中 M為常數(shù)，當(dāng)電壓為正極性時(shí)取M=1.35，電壓為負(fù)極性時(shí)取M=1.13。

由沖擊電暈的伏庫特性AB段可知，在沖擊電暈發(fā)生時(shí)線路的動(dòng)態(tài)電容Cd大于幾何電容C0，由此可算出沖擊電暈的附加電容ΔC:

伏庫曲線AB段也可近似看成直線，故筆者用MATLAB最小二乘法擬合AB段直線，通過計(jì)算斜率來求得動(dòng)態(tài)電容，從而得到?jīng)_擊電暈的附加電容值。由于VFTO既有正極性又有負(fù)極性，所以需分開求解附加電容。正極性情況下伏庫特性曲線上升分支的擬合如圖2所示，從圖中擬合直線的斜率可求得正極性沖擊作用下沖擊電暈產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電容:

由式(8)、(9)可求得正極性下的附加電容:

用同樣的方法可以得到負(fù)極性情況下伏庫特性曲線的上升分支擬合圖，如圖3所示，通過求取擬合直線的斜率可得負(fù)沖擊作用下沖擊電暈產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電容:

圖2 正極性沖擊下伏庫特性上升分支及其擬合直線Figure 2 Positive impact of rising V-Q characteristic under the branches and the fitting line

圖3 負(fù)極性沖擊下伏庫特性上升分支及其擬合直線Figure 3 Negative impact of rising V-Q characteristic under the branches and the fitting line

由式(8)、(11)可求得負(fù)極性下的附加電容:

2.3 電暈仿真模型的建立

伏庫特性曲線的上升分支近似地被視為直線，通過最小二乘擬合的直線斜率可求得動(dòng)態(tài)電容Cd近似值，考慮線路參數(shù)的變化，無法精確計(jì)算沖擊電暈對線路所產(chǎn)生的影響，因此，筆者建立一個(gè)近似的沖擊電暈?zāi)Ｐ?。沖擊電暈所產(chǎn)生電暈套的徑向?qū)щ娔芰?qiáng)，而軸向?qū)щ娔苋?，可忽略不?jì)，線路電感在沖擊電暈的影響下幾乎不產(chǎn)生任何變化。在研究沖擊電暈時(shí)，為了便于研究，筆者忽略電感的影響，只考慮正、負(fù)極性下沖擊電暈所產(chǎn)生的附加電容對過電壓的抑制效果［7－8］。

由于特快速暫態(tài)過電壓并不是單一極性的，它既有正極性也有負(fù)極性沖擊，故筆者用ATP-EMTP中的邏輯判斷模塊對線路中的電壓極性和瞬時(shí)值進(jìn)行判斷:當(dāng)線路電壓為正極性且電壓高于線路正極性的起暈電壓時(shí)，TASC控制開關(guān)導(dǎo)通，正極性附加電容ΔC+并入線路中;當(dāng)線路電壓為負(fù)極性且電壓高于線路負(fù)極性的起暈電壓時(shí)，另一個(gè)TASC控制開關(guān)導(dǎo)通，負(fù)極性附加電容ΔC－并入線路中。利用二極管單向?qū)ǖ奶匦阅M線路電壓超過圖1中峰值的BC段，將附加電容從仿真模型中退出。沖擊電暈的仿真模型如圖4所示。

圖4 沖擊電暈的仿真模型Figure 4 Simulation model of impulse corona

3 架空線對VFTO的抑制效果

架空線的波阻抗取300～500Ω，波速取光速3×108m/s，GIS母線波阻抗為100Ω左右，波速為2×108～3×108m/s，通過計(jì)算可以得出架空線的幾何電容略小于母線的幾何電容，而幾何電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于母線的幾何電感，加上沖擊電暈效果，相當(dāng)于在主變壓器入口處既串聯(lián)電感又并聯(lián)了電容，串聯(lián)電感和并聯(lián)電容在理論上對行波是有一定的抑制作用［9］。該文采用架空線型號(hào)為2×LGJQT-1440，線路布置如圖5所示，導(dǎo)線平均對地高度為25.63 m，導(dǎo)線三相水平排列，三相平均間距為11 m，分裂間距為400 mm，分別考慮長度為1，5，10，15，20，25，30，35，40，45m架空線對特快速暫態(tài)過電壓的影響，利用ATP-EMTP仿真軟件搭建利用架空線連接主變壓器和GIS母線出口套管的仿真模型，并考慮2.2節(jié)的沖擊電暈的影響，仿真模型如圖6所示，仿真結(jié)果如表1所示。

圖5 500 kV架空線布置Figure 5 500 kV overhead line layout

圖6 仿真模型Figure 6 Simulation model

表1 架空線對VFTO的抑制效果Table 1 VFTO inhibitory effect of overhead line

由表1可以看出，采用架空線連接GIS母線出口套管和主變壓器對主變?nèi)肟谔庍^電壓波頭陡度抑制效果好，變壓器入口處VFTO的波頭陡度呈直線下降，20 m左右長度的架空線可以把VFTO的波頭陡度抑制在標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)。但從表1中也可以看出，架空線對VFTO的幅值抑制效果不明顯，加裝45 m架空線后雖然過電壓的波頭陡度已經(jīng)下降到998 kV/μs，降幅達(dá)到55%，但是過電壓的幅值仍然高達(dá)770.19 kV(1.71 p.u.)，主變?nèi)肟谔嶸FTO波形如圖7所示。加裝架空線雖然是一種能很有效地抑制VFTO波頭陡度的措施，但是在抑制過電壓幅值方面，架空線的效果并不理想。雖然架空線的成本比鋪設(shè)電力電纜或其他抑制裝置低很多，可以架設(shè)更加長距離的架空線，但考慮到GIS變電站的上空空間非常有限，應(yīng)該盡量減少架空線所占空域的面積，所以應(yīng)盡量減少站內(nèi)需架設(shè)架空線的長度。綜上所述，單獨(dú)使用架空線來抑制主變壓器入口處的VFTO也是不夠理想的。

圖7 變壓器入口處VFTO波形Figure 7 Transformer entrance VFTO waveform

4 結(jié)語

筆者介紹了架空線的結(jié)構(gòu)和作用，架空線主要由導(dǎo)線、桿塔、避雷器等設(shè)備構(gòu)成，承擔(dān)電網(wǎng)電力輸送的職責(zé)，構(gòu)成了電力輸送網(wǎng)絡(luò)的主干。分析沖擊電暈的形成過程和原理，引入沖擊電暈損耗對特快速暫態(tài)過電壓的影響，通過MATLAB最小二乘擬合得到500 kV導(dǎo)線沖擊電暈伏庫特性上升分支擬合直線的斜率，求得沖擊電暈產(chǎn)生的附加電容，然后搭建沖擊電暈?zāi)Ｐ?。搭建仿真模型，仿真?jì)算分別采用1～45 m架空線連接GIS母線出口套管和主變壓器時(shí)變壓器入口處的VFTO波形，得到當(dāng)架設(shè)20 m左右架空線就能夠把變壓器入口處的VFTO波頭陡度降到允許值范圍內(nèi)，但是架空線對過電壓幅值的抑制不夠理想。提出采用300 m電力電纜和20 m架空線連接GIS母線出口套管和主變壓器，搭建仿真模型，通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)該方法能夠把變壓器入口處的VFTO波頭陡度、頻率、幅值降至允許范圍內(nèi)，是一項(xiàng)非常有效而且有很高工程實(shí)用價(jià)值的措施。

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