架空線(xiàn)路轉(zhuǎn)接電纜進(jìn)線(xiàn)對(duì)GIS變電站雷電侵入波過(guò)電壓的影響

楊 帥，洪煜坤，劉 尉，王 航，肖集雄

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用及儲(chǔ)能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430068)

0 引 言

由于土地資源緊缺，GIS變電站和電纜線(xiàn)路在城市電網(wǎng)的比重不斷增大[1-3]。許多GIS變電站采用架空線(xiàn)路轉(zhuǎn)接電纜的混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)方式[4-6]，且電纜長(zhǎng)度不一。以天津地區(qū)為例，短電纜長(zhǎng)度在100 m左右，長(zhǎng)電纜可達(dá)3 km以上。由于混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)結(jié)構(gòu)有別于架空進(jìn)線(xiàn)，過(guò)電壓波的傳播更加復(fù)雜，需分析混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)對(duì)GIS變電站侵入波過(guò)電壓的影響，并提出針對(duì)性防護(hù)措施。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)電纜-架空混聯(lián)線(xiàn)路過(guò)電壓進(jìn)行較多研究，但主要集中在線(xiàn)路側(cè)分析。例如電纜護(hù)層連接方式對(duì)護(hù)層過(guò)電壓的影響[7-9]，混聯(lián)線(xiàn)路雷擊可靠性[10-11]以及混聯(lián)線(xiàn)路操作過(guò)電壓特性[12-15]等。由于海上風(fēng)電系統(tǒng)多采用電纜-架空混聯(lián)出線(xiàn)，也有相關(guān)研究開(kāi)展，包括雷電以及操作過(guò)電壓特性[16-19]。但這些研究主要考慮線(xiàn)路過(guò)電壓，大多采用電源模型等效成變電站，忽略了站內(nèi)設(shè)備與接線(xiàn)影響。文獻(xiàn)[20]分析了某電纜出線(xiàn)變電站，連續(xù)兩次遭受雷擊的過(guò)電壓特點(diǎn)與防護(hù)措施。文獻(xiàn)[21]研究了GIS變電站進(jìn)線(xiàn)電纜雷電過(guò)電壓的影響因素，包括電纜參數(shù)與避雷器安裝位置。GB 50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)》[22]中，對(duì)66 kV及以上進(jìn)線(xiàn)有電纜段的GIS變電站，防護(hù)雷電侵入波過(guò)電壓時(shí)，要求在電纜段與架空線(xiàn)路的連接處裝設(shè)避雷器，而電纜末端與GIS連接處并未要求安裝避雷器?，F(xiàn)有研究并未系統(tǒng)分析混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)對(duì)GIS變電站侵入波過(guò)電壓的影響，且現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這種條件的防護(hù)要求尚不明確。出于安全性考慮，許多GIS變電站也在混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)側(cè)裝設(shè)避雷器。

為探究混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)對(duì)GIS變電站侵入波過(guò)電壓的影響，以指導(dǎo)相關(guān)防雷設(shè)計(jì)。本研究針對(duì)天津地區(qū)某220 kV GIS變電站，采用ATP-EMTP軟件[23-24]建立該變電站110 kV側(cè)模型以及混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)模型，對(duì)比了相同條件下架空進(jìn)線(xiàn)與混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)的過(guò)電壓差異，分析了地線(xiàn)連接方式、電纜參數(shù)等對(duì)過(guò)電壓的影響，最終提出侵入波過(guò)電壓防護(hù)方案。

1 模型建立與過(guò)電壓對(duì)比

1.1 架空進(jìn)線(xiàn)與混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)差異

圖1為變電站中混聯(lián)線(xiàn)路進(jìn)線(xiàn)(單芯電纜)與架空進(jìn)線(xiàn)示意圖。架空進(jìn)線(xiàn)時(shí)，相線(xiàn)懸掛至站內(nèi)門(mén)型塔，經(jīng)GIS套管接入；架空地線(xiàn)一般與變電站門(mén)型塔相連?；炻?lián)進(jìn)線(xiàn)時(shí)，相線(xiàn)在電纜終端塔處轉(zhuǎn)為電纜，電纜經(jīng)轉(zhuǎn)接頭接入變電站；而地線(xiàn)終止于電纜終端塔，不與變電站相連。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 50064-2014要求，混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)時(shí)需在電纜與架空連接處裝設(shè)避雷器，單芯電纜末端應(yīng)經(jīng)金屬氧化物電纜護(hù)層保護(hù)器(CP)接地。

圖1 變電站兩種進(jìn)線(xiàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of two kinds of inlet lines in substation

1.2 計(jì)算模型介紹

以某220 kV GIS變電站110 kV側(cè)實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，該站110 kV側(cè)主接線(xiàn)采用雙母線(xiàn)形式，有2組變壓器與8回進(jìn)線(xiàn)，其中4回架空進(jìn)線(xiàn)與4回混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)?；炻?lián)進(jìn)線(xiàn)段總長(zhǎng)2.2 km，共8基桿塔，1號(hào)塔為電纜終端塔，電纜長(zhǎng)度為280 m。站內(nèi)主變與GIS間也采用電纜連接，其中站內(nèi)電纜型號(hào)為ZC-YJLW03-Z-64/110-1×1 600，線(xiàn)路側(cè)是ZC-YJLW03-Z-127/220-1×800。進(jìn)線(xiàn)段架空導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為JL/G1A-400/35-48/7，地線(xiàn)型號(hào)為JLB40-100。

電纜與架空線(xiàn)路根據(jù)實(shí)際尺寸，皆采用J.Marti模型進(jìn)行模擬[25-26]，其中電纜只考慮芯線(xiàn)、金屬護(hù)套與絕緣層。站內(nèi)架空接線(xiàn)采用單相分布參數(shù)線(xiàn)路模型，其波阻抗為350 Ω，波速設(shè)置為光速。三相GIS母線(xiàn)采用不換位Clarke模型，根據(jù)實(shí)際尺寸建立。桿塔采用多波阻抗模型，分解成主材、斜材和橫擔(dān)，分別用波阻抗模擬[27-29]。

由于負(fù)極性雷擊占總雷擊次數(shù)的75%～90%，且負(fù)極性過(guò)電壓波沿線(xiàn)路傳播時(shí)衰減較小，故計(jì)算時(shí)只考慮負(fù)極性雷擊。雷電流波形參數(shù)為2.6 μs/50 μs，采用雙指數(shù)函數(shù)表達(dá)式。對(duì)于110 kV系統(tǒng)，直擊雷過(guò)電壓幅值要大于繞擊雷過(guò)電壓，計(jì)算只分析直擊雷情況。雷電流幅值為210 kA，波阻抗為300 Ω[30]。站內(nèi)設(shè)備采用入口電容模擬，具體參數(shù)如表1。避雷器采用92型非線(xiàn)性電阻模型，其伏安特性數(shù)據(jù)如表2。以單進(jìn)線(xiàn)-單母線(xiàn)-單變壓器作為過(guò)電壓侵入途徑，此時(shí)過(guò)電壓情況最為嚴(yán)重。

表1 站內(nèi)主要設(shè)備入口電容數(shù)值Table 1 Inlet capacitance of main equipment in substation

表2 避雷器伏安特性Table 2 Volt ampere characteristics of arrester (kV)

1.3 過(guò)電壓對(duì)比

在混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)模型中，將280 km電纜修改為架空線(xiàn)路，在其他參數(shù)相同的條件下，且不考慮避雷器影響，對(duì)比架空進(jìn)線(xiàn)與混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)時(shí)主變過(guò)電壓差異，結(jié)果如圖2。整體而言，280 km短電纜混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)時(shí)，主變過(guò)電壓幅值均高于架空進(jìn)線(xiàn)。特別是雷擊電纜終端塔時(shí)，主變過(guò)電壓最高可達(dá)2 500 kV。由于兩種進(jìn)線(xiàn)結(jié)構(gòu)差異，造成主變過(guò)電壓幅值不同。即便過(guò)電壓波在電纜中的衰減更加顯著，但280 m短電纜情況下，站內(nèi)侵入波過(guò)電壓十分嚴(yán)重。為此，筆者將從電纜終端塔地線(xiàn)與站內(nèi)連接方式、電纜長(zhǎng)度等方面分析這一現(xiàn)象。

圖2 架空進(jìn)線(xiàn)和混聯(lián)線(xiàn)路進(jìn)線(xiàn)主變上過(guò)電壓對(duì)比Fig.2 Comparison of overvoltage on transformer of overhead line and hybrid line

2 混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)過(guò)電壓影響因素分析

2.1 電纜終端塔地線(xiàn)連接方式

混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)時(shí)架空地線(xiàn)終止于電纜終端塔，并不與站內(nèi)構(gòu)架相連。而架空進(jìn)線(xiàn)時(shí)，地線(xiàn)直接接入站內(nèi)構(gòu)架。地線(xiàn)連接方式對(duì)過(guò)電壓有較大影響，為此考慮地線(xiàn)不與變電站構(gòu)架相連、地線(xiàn)與變電站構(gòu)架相連和地線(xiàn)通過(guò)引下線(xiàn)接地3種方式，比較不同情況下站內(nèi)主變過(guò)電壓幅值，如圖3所示。計(jì)算時(shí)不考慮避雷器影響。

圖3 主變上過(guò)電壓隨地線(xiàn)連接方式變化Fig.3 Overvoltage on transformer vs connection mode of ground wire

雷擊1至3號(hào)桿塔，地線(xiàn)不與變電站構(gòu)架相連時(shí)，主變過(guò)電壓最高，其次為地線(xiàn)經(jīng)引下線(xiàn)接地；當(dāng)?shù)鼐€(xiàn)與站內(nèi)構(gòu)架相連時(shí)，主變過(guò)電壓最低?，F(xiàn)有研究表明，地線(xiàn)與構(gòu)架相連時(shí)，雷擊于1號(hào)桿塔，站內(nèi)地網(wǎng)接地電阻較小，地線(xiàn)上過(guò)電壓傳至構(gòu)架接地點(diǎn)處，會(huì)產(chǎn)生相反極性的反射波。由于1號(hào)桿塔與構(gòu)架距離較近，該反射波會(huì)很快返回，從而限制塔頂電位。即使造成絕緣子閃絡(luò)，其過(guò)電壓也得以限制。地線(xiàn)經(jīng)引下線(xiàn)接地時(shí)，由于桿塔接地電阻大于站內(nèi)地網(wǎng)接地電阻，相反極性的反射波幅值更小，對(duì)過(guò)電壓的限制弱一些。而地線(xiàn)不與變電站構(gòu)架相連，處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有負(fù)反射波的抑制，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相同極性的反射波，進(jìn)一步增大了過(guò)電壓幅值。隨著雷擊點(diǎn)與構(gòu)架距離增加，相反極性的反射波傳播時(shí)間變長(zhǎng)，其影響減弱，3種情況下的過(guò)電壓差異變小。

2.2 混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)中電纜長(zhǎng)度

電纜長(zhǎng)度是影響侵入波過(guò)電壓的關(guān)鍵因素。在混聯(lián)線(xiàn)路下，改變電纜長(zhǎng)度，雷擊點(diǎn)設(shè)置在電纜終端塔；架空進(jìn)線(xiàn)下，改變1號(hào)塔與構(gòu)架間的線(xiàn)路長(zhǎng)度，使得侵入波傳播距離一致。比較不同進(jìn)線(xiàn)方式下，站內(nèi)主變過(guò)電壓隨傳播距離的變化，如圖4。兩種進(jìn)線(xiàn)方式下，主變過(guò)電壓都隨線(xiàn)路長(zhǎng)度增加而減小，表明線(xiàn)路衰減逐漸增強(qiáng)。由于電纜線(xiàn)路對(duì)地電容更大，對(duì)過(guò)電壓波的衰減更加明顯。當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于500 m時(shí)，混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)的過(guò)電壓幅值小于架空進(jìn)線(xiàn)。但由于混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)地線(xiàn)連接方式的影響，雷擊點(diǎn)處產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值更高。電纜長(zhǎng)度小于500 m時(shí)，其衰減程度弱于幅值增加程度，此時(shí)混聯(lián)線(xiàn)路過(guò)電壓要大于架空線(xiàn)路。

圖4 主變上過(guò)電壓隨進(jìn)線(xiàn)長(zhǎng)度變化Fig.4 Overvoltage on transformer vs length of inlet line

2.3 電纜首端安裝避雷器

國(guó)標(biāo)要求在電纜首端，與架空線(xiàn)路相連處安裝線(xiàn)路避雷器，從而對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行限制。圖5為雷分別擊于前3基桿塔，電纜首端有無(wú)避雷器時(shí)，站內(nèi)主變與GIS入口的過(guò)電壓幅值。

圖5 電纜首端避雷器對(duì)過(guò)電壓影響Fig.5 Influence ofcable entrance arrester on overvoltage

雷擊1號(hào)桿塔時(shí)，電纜首端裝設(shè)避雷器后，會(huì)一定程度上降低侵入變電站的過(guò)電壓幅值，但效果并不明顯。由于避雷器與桿塔共同接地，當(dāng)電纜終端塔遭受雷擊時(shí)，桿塔電位升高，會(huì)降低避雷器兩端電位差，使得避雷器無(wú)法充分動(dòng)作，不能有效限制過(guò)電壓幅值。當(dāng)雷擊于其他桿塔時(shí)，電纜首端避雷器動(dòng)作更充分，從而限制過(guò)電壓幅值。

3 防雷保護(hù)優(yōu)化方案

3.1 電纜末端裝設(shè)避雷器

由上面的分析可知，對(duì)于短電纜混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)的情況，即便安裝了電纜首端避雷器，雷擊于前幾基桿塔，依舊會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)電壓。國(guó)標(biāo)并未要求在電纜末端或進(jìn)線(xiàn)側(cè)安裝避雷器，如果首端避雷器故障或老化失效，GIS變電站將面臨嚴(yán)重的過(guò)電壓威脅。根據(jù)國(guó)標(biāo)與該變電站實(shí)際情況，分別在電纜首端、主變側(cè)與母線(xiàn)CVT處裝設(shè)避雷器。圖6為該避雷器配置下，雷擊電纜終端塔時(shí)，GIS入口、主變以及母線(xiàn)CVT處過(guò)電壓幅值隨電纜長(zhǎng)度的變化。

圖6 電纜長(zhǎng)度對(duì)過(guò)電壓影響Fig.6 Influence of cable length onovervoltage

由于母線(xiàn)CVT和主變壓器處都裝設(shè)避雷器，可以充分保護(hù)相關(guān)設(shè)備，但GIS入口處過(guò)電壓幅值超過(guò)耐受值，會(huì)引起套管等設(shè)備損壞。當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于1 km，GIS入口處過(guò)電壓才能得到有效限制。圖7為電纜末端裝設(shè)避雷器后，GIS入口過(guò)電壓幅值隨電纜長(zhǎng)度的變化。此時(shí)，GIS入口的過(guò)電壓幅值得到了很好的限制。同時(shí)進(jìn)線(xiàn)側(cè)開(kāi)關(guān)可能處于熱備用狀態(tài)等，因此短電纜混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)時(shí)，需考慮在電纜末端或進(jìn)線(xiàn)側(cè)安裝避雷器。

圖7 電纜末端避雷器對(duì)過(guò)電壓影響Fig.7 Influence ofcable end arrester on overvoltage

3.2 降低終端塔接地電阻

電纜首端避雷器可有效防護(hù)雷擊其他桿塔的過(guò)電壓，雷擊終端塔時(shí)會(huì)造成避雷器動(dòng)作不充分。為此，需降低終端塔接地電阻。圖8為雷擊1號(hào)塔，改變其接地電阻時(shí)，主變過(guò)電壓幅值的變化，此時(shí)站內(nèi)未配置避雷器。當(dāng)電纜終端塔接地電阻逐漸變小時(shí)，經(jīng)桿塔入地的雷電流變大，而經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)侵入變電站的電流就相應(yīng)減小。同時(shí)避雷器兩端電壓差變大，其動(dòng)作更加充分，侵入站內(nèi)過(guò)電壓幅值降低。

圖8 主變上過(guò)電壓隨終端塔接地電阻變化Fig.8 Overvoltage on transformer vs grounding resistance of terminal tower

4 結(jié) 論

采用ATP-EMTP軟件，分析了雷擊過(guò)電壓經(jīng)混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)侵入GIS變電站的情況，得到如下結(jié)論：

1)混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)方式下，地線(xiàn)終止于電纜終端塔，沒(méi)有相反極性的反射波抑制，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相同極性的反射波，從而增強(qiáng)過(guò)電壓幅值。當(dāng)電纜線(xiàn)路較短時(shí)，電纜對(duì)過(guò)電壓的衰減程度較弱，會(huì)造成混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)時(shí)過(guò)電壓幅值高于架空進(jìn)線(xiàn)。

2)雷擊電纜終端塔時(shí)，混聯(lián)線(xiàn)路電纜首端避雷器難以充分動(dòng)作，當(dāng)電纜較短時(shí)，無(wú)法有效保護(hù)GIS入口。

3)電纜末端裝設(shè)避雷器后，可以很好限制GIS入口過(guò)電壓。同時(shí)進(jìn)線(xiàn)側(cè)開(kāi)關(guān)可能處于熱備用狀態(tài)等，因此短電纜混聯(lián)進(jìn)線(xiàn)時(shí)，需考慮在電纜末端或進(jìn)線(xiàn)側(cè)安裝避雷器。