三端柔性直流输电系统雷电侵入波过电压

厉天威，刘大鹏，雷园园，赵宇明，项阳，黎小林

(1.南方电网科学研究院，广州市510080;2.西安西电电力系统公司，西安市710077)

0 引言

换流站是直流输电系统最重要的组成部分，其雷害来源有2个方面:(1)直击雷;(2)雷电侵入。因为雷击线路的几率远比雷直击换流站大，所以沿线路侵入换流站的雷电侵入过电压行波是对换流站电气设备构成威胁的主要来源［1-8］。南澳柔性直流输电工程为三端±160 kV直流输电系统，送端南澳岛包括青澳换流站和金牛换流站，采用风电场接入，受端汕头通过塑城换流站送出。青澳换流站到金牛换流站采用架空线路连接，金牛换流站至塑城换流站输电线路采用海底电缆、架空线路、陆缆混合架设。

塑城换流站的直流进线段为电缆，且架空线路距离约为16 km，雷电侵入波对换流站内设备影响很小，可以忽略不计，但金牛换流站至塑城换流站的架空线路遭雷击时雷电侵入波对两边与之相连的电缆会产生雷电过电压;青澳换流站和金牛换流站间架空线路遭受雷击后，雷电侵入波会对换流站设备造成雷电应力。由于交流侧避雷器和变压器等设备的阻尼作用，雷电过电压不太严重，不进行相关计算。

本文采用PSCAD/EMTDC软件，将直流架空输电线路，包括杆塔、导地线、电缆和绝缘子等，连同换流站直流场和T接开关场设备，包括直流电抗器、隔离开关和接地开关、套管、电压互感器和电流互感器、支柱绝缘子、避雷器和电缆等作为整体进行建模。仿真计算雷电绕击和反击靠近换流站1～2 km直流输电线路后换流站各设备和电缆受到的雷电过电压，据此校核青澳换流站、金牛换流站设备和电缆雷电绝缘水平。

1 计算条件

南澳柔性直流输电工程输电线路采用陆缆—架空线—海缆混合架线方式，如图1所示。

图1 输电线路路径示意图Fig.1 Transmission line route diagram

换流站雷电侵入波过电压计算分绕击和反击2种雷击方式，分别以换流站附近进线段作为研究对象。当雷电绕击导线时，绕击点距离杆塔越近，在杆塔绝缘子两端产生的过电压幅值越大。当雷电反击杆塔时，由于雷电波在地线上的折反射抵消作用，因此反击过电压在雷击于第2～3基杆塔时最大。

雷电流模型采用2.6/50 μs的双指数波进行模拟，双指数波模拟雷电流为

式中:η为波形系数;Im为雷电流幅值;T1和T2分别为波头时间常数和波尾时间常数。为计算设备最大过电压值，反击电流取为170 kA，对应雷电概率为1.17%。最大绕击雷电流幅值根据电气几何模型法计算得到。反击雷电通道波阻抗取300 Ω，绕击雷电通道波阻抗取800 Ω。

2 仿真计算模型

2.1 线路模型

由于雷电流波形中含有丰富的高次谐波，而线路的参数随频率变化，不同频率的谐波分量在线路中传播时的衰减和畸变各不相同，因此本文传输线采用频率相关模型。对换流站直流侧进线段的前6号杆塔和线路分别建模，考虑杆塔结构、导地线型号、档距和接地电阻等参数。耐张塔空气间隙取3.3 m，直线塔空气间隙长度为2.2 m。青澳换流站和金牛换流站出线段、金牛站换流站至塑城换流站架空直流线路杆塔结构如图2所示。杆塔塔身波阻抗取150 Ω，横担波阻抗取200 Ω［9］。青澳换流站和金牛换流站出线段杆塔档距见表1(0代表套管末端)。

图2 直流输电线路杆塔Fig.2 Tower of DC transmission line

表1 青澳站和金牛站出线段档距Tab.1 Outgoing span between Qing'ao and Jinniu station m

金牛站至塑城站为陆缆—架空—海缆混合线路，靠近金牛站，约为2 km电缆线路。架空线路总长为8.1 km，雷击架空线路产生的雷电侵入波会在与之相连的陆缆和海缆上产生过电压，档距见表2。

表2 连接陆缆和海缆的架空线档距Tab.2 Span of overhead line connecting land and sea cable m

根据青澳站和金牛站的线路参数，采用电气几何模型法计算得到近换流站段各基杆塔的最大绕击电流值见表3。由于各杆塔保护角较小，因此绕击电流值相对较小。

表3 青澳和金牛站各基杆塔最大绕击电流Tab.3 Maximum shielding failure current of base tower in Qing'ao and Jinniu station kA

2.2 空气间隙闪络模型

雷电放电过程是沿最小空气间隙对杆塔放电，绝缘闪络判据采用相交法［10］，空气间隙上过电压较高时，空气间隙伏秒特性曲线与空气间隙两端电压曲线相交，即判定为空气间隙闪络。空气间隙伏秒特性曲线参考IEEE［11］，用空气间隙长度函数来描述空气间隙的伏秒特性，即

式中:L为空气间隙长度，m;t为雷击开始到闪络所经历的时间，μs。

以上空气间隙伏秒特性公式(2)是在正极性雷击情况下得出的。由于负极性雷空气间隙闪络电压比正极性高，仿真计算时，空气间隙负极性放电电压近似取正极性放电电压的1.13倍［12］。

2.3 换流站电气设备等效模型

青澳换流站和金牛换流站换流阀相对远离进线，受极母线各设备的屏蔽作用影响较小，采用多个电容串联等效。D型和SR型避雷器均采用分段线性函数模拟，D型参考电压取为198 kV，SR型参考电压取为165 kV。考虑到雷电侵入波等值频率高、传播速度快的特点，换流站设备如套管PB、隔离开关DS、接地开关GS、电压互感器PT、支柱绝缘子PS、直流电抗器Rea和电流互感器CT等，均可等值成冲击入口电容，由分布参数线路相隔。各设备等值入口电容见表4。

表4 换流站设备入口电容值Tab.4 Equipment entrance capacitance in converter station pF

在研究雷电冲击波对母线及其联接线的作用时，导线一般应按分布参数考虑，对于各个设备间的电气线路采用贝杰龙模型模拟，其长度为相邻设备间的电气距离，波阻抗取为300 Ω。电缆采用软件自带模型。

3 青澳站雷电侵入波过电压计算

青澳换流站直流场设备布置图如图3所示。根据青澳换流站各段母线的长度和设备布置位置，建立换流站设备的高频等效模型，进行输电线路雷电反击与绕击过电压计算分析。杆塔1～6号最大绕击雷电流值见表3，反击雷电流采用170 kA。通过仿真计算，青澳站设备在雷电绕击、反击和不同雷击点情况下的最大值，见表5。

图3 青澳换流站直流场设备单极布置Fig.3 Single pole arrangement of DC yard equipment in Qing'ao converter station

表5 青澳站极线设备过电压Tab.5 Overvoltage of pole equipment in Qing'ao stationkV

雷电过电压计算考虑到正负极性雷电流、绕击和反击、各基杆塔遭受雷击等多种工况。其中，负极性雷绕击4号塔和正极性雷反击3号塔时负极母线设备过电压分别如图4和图5所示。

图4 雷电反击3号塔过电压Fig.4 Overvoltage of lightning counterattack at 3rdtower

图5 雷电绕击4号塔过电压Fig.5 Overvoltage of lightning shielding failure at 4thtower

4 金牛站雷电侵入波过电压计算

金牛换流站直流场主接线图和T接开关场接线图(T接开关场至金牛换流站电缆tCab长55 m)如图6和图7所示。

金牛站正负极母线设备雷电过电压计算考虑到正负极性雷电流、绕击和反击、各基杆塔遭受雷击等多种工况。其中，正极性雷绕击1号塔和反击5号塔时正极母线设备过电压分别如图8和图9所示。

图6 金牛站直流场主接线图Fig.6 Main connection diagram of DC yard in Jinniu station

图7 金牛站T接开关场接线图Fig.7 Connection diagram of T type switch yard in Jinniu station

图8 雷电绕击1号塔过电压Fig.8 Overvoltage of lightning shielding failure at 1sttower

图9 雷电反击5号塔过电压Fig.9 Overvoltage of lightning counterattack at 5thtower

金牛站正负极母线设备在雷电绕击和反击直流输电线路各基杆塔时过电压见表6。电抗器距离D1型避雷器较远，过电压最大值出现在反击发生后直流电抗器处，为323 kV，同时由于电抗器的阻波作用，且距离相对较远，因此换流站靠近换流阀的相关设备如GS、CT、PT和DS的过电压值相对较低，最小值为226 kV。

表6 金牛站极母线设备过电压Tab.6 Overvoltage of pole bus equipment in Jinniu stationkV

5 T接开关场及电缆过电压计算

当青澳站单独送电时(即图7中双极tDS3开路)，由于没有金牛站直流场分流作用，T接开关场设备所受应力较三端直流运行时大。青澳站正负极母线设备雷电过电压计算考虑到正负极性雷电流、绕击和反击、各基杆塔遭受雷击等多种工况。其中，负极性雷绕击4号塔和正极性雷反击5号塔时T接开关场各设备过电压分别如图10和图11所示。

图10 雷电绕击4号塔过电压Fig.10 Overvoltage of lightning shielding failure at 4thtower

图11 雷电反击5号塔过电压Fig.11 Overvoltage of lightning counterattack at 5thtower

通过对各种绕击和反击工况的计算，T接开关场各设备所受最大应力见表7，其中sCab和lCab分别对应金牛至塑城换流站输电线路的海缆和陆缆。

表7 T接开关场设备过电压Tab.7 Equipment overvoltage in T type switch yard kV

通过对金牛至塑城换流站之间的8.1 km架空线路两端各6基杆塔进行雷电反击和绕击计算，分析与架空线路相连的陆缆和海缆的过电压。陆地共6.5 km，将电缆1.3 km分段后接地，每个分段处采用直接接地的方式，接地电阻为10 Ω。海缆长约为9.6 km，采用两端直接接地的接地方式，接地电阻不大于4 Ω。海缆和陆缆过电压情况如表8所示。

表8 电缆对地最大过电压Tab.8 Maximum overvoltage of cable to ground kV

6 换流站各设备雷电绝缘水平

根据各换流站雷电侵入波过电压结果，对3个换流站统一提出雷电绝缘水平，直流场极母线设备、T接开关场设备和电缆过电压及绝缘水平见表9。

表9 设备过电压和绝缘水平Tab.9 Equipment’s overvoltage and insulation level

对比上述结果可知，隔离开关最大电压值出现在T接开关场金牛站侧，不受避雷器直接保护，满足1.05裕度要求。因此，在三端系统正常运行时，各设备绝缘裕度满足雷电耐受电压要求。

7 结论

(1)青澳换流站正常运行时，架空线路遭受雷击时，换流站进线套管的电压为461 kV，极线其他设备雷电侵入过电压的幅值在350 kV以下，满足设备雷电绝缘裕度要求。

(2)金牛站在正常运行时，架空线路遭雷击时，极母线设备上雷电侵入过电压的幅值在400 kV以下，最大值出现在直流电抗器处，其最大值为323 kV，满足绝缘裕度要求。由于T接开关场分流作用，金牛站内设备雷电过电压比青澳站稍低。

(3)青澳站单独送电时，没有金牛至塑城输电线路的分流作用，T接开关场各设备的过电压相对较大。其中进线套管的过电压值达到458 kV，由于套管的绝缘耐受水平为650 kV，因此绝缘裕度满足要求。靠近金牛侧隔离开关的过电压值达到505 kV，绝缘裕度为9%，该设备不受避雷器直接保护，满足1.05绝缘裕度要求。

(4)T接开关场55 m电缆对地最大电压为281 kV，海缆线芯对地最大电压为274 kV，路缆线芯对地最大电压为305 kV，电缆外绝缘水平取550 kV，满足裕度要求。

［1］Marti J.R.Accuarte modelling of frequency-dependent transmission lines in electromagnetic transient simulations［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1982，PAS-101(1):147-157.

［2］韩永霞，卢毓欣，陈辉祥，等.±800 kV换流站的雷电侵入波过电压仿真分析［J］.高电压技术，2010，36(1):218-223.

［3］李立涅，司马文霞，杨庆，等.云广±800 kV特高压直流输电线路耐雷性能的研究［J］.电网技术.2007，31(8):1-5.

［4］袁兆祥，李琥，项玲.杆塔模型对特高压变电站反击波过电压的影响［J］.高电压技术，2008，34(5):867-872.

［5］张永记，司马文霞，张志劲.防雷分析中杆塔模型的研究现状［J］.高电压技术，2006，32(7):93-97.

［6］Hara T，Yamamoto O.Modelling of a transmission tower for lightning-surge analysis［J］.IEE Proceedings Generation，Transmission and Distribution，1996，143(3):283-289.

［7］杨庆，赵杰，司马文霞，等.云广特高压直流输电线路反击耐雷性能［J］.高电压技术，2008，34(7):1330-1335.

［8］谷定燮.我国500 kV输变电工程过电压设计方面存在的问题和改进措施［J］.电力建设，2002，23(7):26-30.

［9］DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］.

［10］周东平，黄炜纲.对线路防雷计算中绝缘闪络判据的研讨［J］.中国电力，1999，32(11):59-63.

［11］IEEE Std 1234—1997.IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines［R］.

［12］中国南方电网公司.±800 kV直流输电技术研究［M］.北京:中国电力出版社，2006.