光伏电站交流集电系统雷电暂态的计算与分析

2023-01-05谭奇特

太阳能 2022年12期

王磊，谭奇特

(晶科电力科技股份有限公司，南京210000)

0 引言

经过多年发展，光伏电站的单体规模越来越大。在地形复杂的山地或丘陵地区建设的光伏电站，其交流集电系统通常采用架空线加电缆的混接方式，但在多雷地区，架空线路遭受雷击的概率较高，导致汇集线路跳闸、设备损坏等事故频发。出现此种事故的原因主要有以下两方面。一方面是因为交流集电系统的电压等级较低，通常为10 kV 或35 kV，耐雷水平较低，雷电流超过耐雷水平的概率很高，但超过耐雷水平的雷电流对设备绝缘水平的影响到底如何仍需要详细研究。另一方面是因为光伏电站的交流集电系统属于非有效接地系统，系统中性点一般是经小电阻接地，接地电流通常在100 A 以上。如此大的接地电流虽然保证了保护选择的灵敏性，但在雷电入侵发生绝缘子闪络后极易形成工频续流，并且电弧不易熄灭，最终引发过流保护动作，导致线路跳闸，严重影响交流集电系统的安全稳定运行。

针对光伏发电场区的防雷研究，已有较多文献[1-8]从发电系统端(光伏阵列、汇流箱、逆变器等)进行了雷电入侵时的仿真计算和研究，但针对交流集电系统的雷电过电压研究依然较少。基于此，本文以某山地光伏电站为例，针对架空线加电缆的交流集电系统，利用ATP-EMTP 仿真软件进行建模计算，研究分析了汇集方式、雷击点、冲击接地电阻及雷电流等因素作用下交流集电系统的耐雷和过电压水平，最后探讨了仿真模型对数值计算的影响，以期为大型地面光伏电站建设提供有益的参考。

1 仿真模型的建立

1.1 光伏电站交流集电系统

以位于中国西南部某山区的装机容量为200 MWp的某山地光伏电站为例，电站所在地的年最高雷暴日数为50 天，属于多雷区。该光伏电站的35 kV 交流集电系统将8 回集电线路进行汇集，最后经220 kV 主变升压后接入电网；由于场地分散且光伏场区距离升压站较远，35 kV 交流集电系统采用架空线加电缆混接的方式，其中1 回集电线路的接线方式如图1所示。图中：L1-01 中L1表示区域编号，01 表示电缆编号，以此类推；粗实线部分表示架空线路。

图1 35 kV 交流集电系统中1 回集电线路的接线方式Fig.1 Wiring mode of one circuit collecting line in 35 kV AC collecting system

从图1可知：L1区域中7 台35 kV 升压变经电缆串接后架入一级架空线终端塔，L3区域中9台35 kV 升压变经电缆串接后架入另一级架空线终端塔，2个级别的架空线终端塔再经架空线在终端分支塔处汇合，最后通过同塔双回架空线路送入升压站。

1.2 雷电流模型

IEC 60071-2:1996《Insulation co-ordination——part 2: application guide》推荐以Heildler 模型作为防雷计算时的标准模型[9]，因此，本文采用ATP-EMTP 仿真软件自带的Heildler 模型。根据GB/T 311.2—2013《绝缘配合第2 部分：使用导则》，雷电波波头和波尾时间分别取2.6、50 μs，为负极性雷。

1.3 输电线路模型

由于雷电的高频特性，计算过程只有采用与频率相关的模型才能完全反映雷电所造成的影响。JMarti 模型具有快速、稳定、准确性高的特点，被广泛应用于雷电暂态计算[10]。本文架空线的导线型号为JL/G1A-240/30，地线型号为GJ-50；线路总长约9 km。电缆采用三芯35 kV 交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套铝合金电缆，敷设时铠装层和电缆屏蔽层两端分别接地；电缆截面以3×95、3×120 mm2为主，最后汇集部分的截面以3×150、3×185 mm2为主。不同截面尺寸电缆的主要参数如表1所示。

表1 不同截面尺寸电缆的参数Table 1 Parameters of cables of different section sizes

1.4 杆塔模型

根据GB/T 311.4—2010《绝缘配合第4 部分：电网绝缘配合及其模拟的计算导则》[11]，为减小误差，仿真计算时架空线路杆塔按多波阻杆塔模型处理。35 kV 架空线路杆塔由单回塔和双回塔构成，电缆上塔部分以单回塔为主，其余部分以双回塔为主，架空线路平均档距约为200 m；接地电阻暂取10 Ω。35 kV 架空线路的杆塔模型如图2所示。

图2 35 kV 架空线路的杆塔模型Fig.2 Tower models of 35 kV overhead line

1.5 35 kV 升压变模型

本光伏电站35 kV 升压变采用1.6 MVA 双绕组美式箱变，该箱变不同于配电系统中使用的箱变，其核心仍是变压器，因此文中的箱变均针对变压器讨论。在雷电暂态计算中，将箱变等效为入口电容。箱变高压侧入口电容取475 pF，低压侧绕组电容取125 pF，高低压侧绕组间的杂散电容取100 pF[10]。在箱变高压侧出口设置HY5W-51/134 型避雷器，避雷器标称放电电流I为5 kA，该放电电流下的雷电冲击残压U为134 kV。HY5W-51/134 型避雷器的I-U特性如表2所示。

表2 HY5W-51/134 型避雷器的I-U 特性Table 2 I-U characteristics of HY5W-51/134 arrester

1.6 绝缘子闪络模型

绝缘子闪络常用的判据主要有定义法、相交法及先导法。定义法将绝缘子的闪络电压视为固定值，主要比较绝缘子串两端电压和50%的绝缘子闪络电压，认为过电压超过50%的绝缘子闪络电压时即判定为闪络，某些文献采用了该方法[10]；先导法因过于复杂，因此较少采用；相交法通过比较绝缘子串的伏秒特性曲线与其两端过电压是否相交来判断闪络，物理概念清晰且符合实际情况。

本文采用相交法建模，绝缘子串伏秒特性参考文献[12]中提出的公式，即：

式中：Us-t为绝缘子闪络电压，kV；L为绝缘子串的长度，m；t为雷击开始到闪络的时间，μs。

2 计算结果与分析

光伏电站交流集电系统的防雷措施主要采用避雷线和避雷器，本电站中的避雷线全线架设；避雷器分别设置在电缆和架空线分接处及各箱变高压侧。箱变低压侧采用浪涌保护器保护。由于电缆全部为埋地敷设，埋地深度约0.8 m，雷电直接击中电缆的概率不大，因此主要考察雷电击中架空线路后雷电波造成的影响。

2.1 汇集方式的影响

光伏方阵中的箱变通常采用高压侧串接的方式进行汇集，雷电击中架空线路后，随着箱变串接数量的增多，雷电流的分流也相应增多。

选取交流集电系统中一回集电线路上的7 台箱变(1#箱变～7#箱变)，分别计算箱变串接数量不同时箱变处的过电压，计算结果如表3所示。表中，括号内的数值为避雷器吸收的能量，kJ，下同。

由表3可知：随着箱变数量增多，箱变处过电压水平和避雷器吸收的能量均有明显降低，分流效果比较明显。当箱变数量增多时，虽然有电缆间隔，但各个箱变处的过电压相差不大；汇集线并联后的过电压计算结果与此相似。

表3 箱变串接数量不同时箱变处的过电压计算结果 (单位：kV)Table 3 Calculation results of overvoltage at box transformer with different serial connection quantity(Unit：kV)

2.2 雷击点影响

通常，2 km 内杆塔遭受雷击对设备的影响最大。本架空线路平均档距约200 m，对前6 级杆塔(杆塔1～杆塔6)遭受雷击后箱变和电缆处的过电压进行仿真计算。不同雷击点下箱变和电缆处的过电压计算结果如表4所示。

由表4可知：雷击杆塔1 时，箱变和电缆处的过电压最为严重；随着雷击点后移，过电压衰减较快，同时避雷器吸收的能量快速衰减；从杆塔5 开始，过电压水平趋于相近，通过观察过电压波形发现，此时传递到箱变和电缆处的过电压主要为折射和反射形成的振荡波形，能量也很微弱。产生这种现象的原因与全线架设地线，同时地线分段接地有关，雷电击中杆塔后电流通过杆塔和避雷线流入大地，经过多级杆塔的分流，传递到箱变处的能量就很有限。因此，为防范并降低雷击跳闸对光伏电站的影响，多雷区架空汇集线宜全线架设地线。

表4 不同雷击点下箱变和电缆处的过电压计算结果Table 4 Calculation results of overvoltage at box transformer and cable under different lightning strike points

2.3 雷电流的影响

GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中第5.3.1-6 条规定了有地线线路的耐雷水平，其中35 kV 电压等级下的耐雷水平为24～36 kA。一般情况下，实际雷电流超过该值的概率约为38.9%～53.3%，概率较高，因此有必要计算不同雷电流下箱变处的过电压和避雷器放电电流，计算结果如表5所示。

从表5可以看出：在雷电流低于33 kA 时，绝缘子未发生闪络，避雷器也未动作，说明设备相对安全；随着雷电流提高，箱变处的过电压和避雷器放电电流同步提高，即使240 kA 雷电流入侵，箱变处的过电压也在绝缘水平(200 kV)内，此时雷电流发生的概率是0.2%。由于电缆处的过电压会略高于箱变处的，考虑绝缘裕度后，交流集电系统能够承受200 kA 以内的雷电流冲击，这主要依赖于良好的接地和避雷器的正常工作。但随着雷电流增加，避雷器放电电流接近10 kA，远超避雷器的标称放电电流(5 kA)，这可能会导致避雷器损毁。因此，为保证设备安全可靠运行，在雷电流过大的地区宜采用标称放电电流为10 kA 的氧化锌避雷器(MOA)。

表5 不同雷电流下箱变处的过电压和避雷器放电电流计算结果Table 5 Calculation results of overvoltage at box transformer and arrester discharge current under different lightning currents

2.4 避雷器脱网的影响

箱变和电缆设备的雷电冲击绝缘水平均为200 kV，通过上文仿真可知，由于避雷器的保护，即使遭受较高的雷电流入侵，设备过电压也能限制在绝缘水平之内。在35 kA 雷电流入侵下，若避雷器损坏或其他原因造成避雷器脱网，箱变处的过电压如图3所示。

图3 避雷器脱网工况下箱变处的过电压Fig.3 Overvoltage at box transformer under off grid condition of arrester

从图3可以看出：在35 kA 雷电流入侵下，若仅箱变处的避雷器脱网，箱变处过电压由116 kV(本文分析的是绝对值，下同)上升至194 kV；若箱变和电缆处的避雷器都脱网，箱变处过电压进一步升至311 kV。综上可知，假如避雷器脱网，即使在较小的雷电流入侵下，过电压水平也会显著升高并会危及设备绝缘安全，因此需要定期对相关设备进行检修维护。

2.5 接地电阻的影响

GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》中第5.1.3 条规定了线路杆塔工频接地电阻要求的范围，根据土壤电阻率的不同，取值在10～30 Ω 之间。在雷电入侵下，工频接地电阻表现为冲击接地电阻，取平均冲击系数0.8，对不同冲击接地电阻下箱变和电缆处的过电压进行计算，计算结果如表6所示。

表6 不同冲击接地电阻下箱变和电缆处的过电压计算结果Table 6 Calculation results of overvoltage at box transformer and cable under different impulse grounding resistance

从表6可以看出：随着冲击接地电阻的增大，线路的耐雷水平呈下降趋势，而过电压呈上升趋势。

当雷电流为100 kA、冲击接地电阻为4 Ω时，箱变处过电压为126.9 kV，避雷器吸收能量为8.5 kJ；当冲击接地电阻升至24 Ω 时，过电压将升至165.8 kV，避雷器吸收能量达到52.8 kJ。因此，冲击接地电阻较高时，交流集电系统的耐雷水平下降，导致绝缘子的闪络几率变高，对电气设备和避雷器的危害更大。

2.6 对电缆的影响

选取一段电缆，长度约为438 m。雷电波传递到该电缆处时，电缆内部首端到尾端不同位置的过电压情况如图4a 所示，图中：不同颜色曲线代表电缆内部不同位置的过电压，下同。

从图4a 可知：在电缆内部不同位置，过电压水平相差不大，这与电缆长度较短有关。如果将电缆长度增至3 km，则雷电波传递到电缆处时，电缆内部首端到尾端不同位置的过电压情况如图4b 所示。

从图4b 可知：最大过电压出现的时间点出现了阶梯性延迟，并且首、尾端过电压程度差别较大，尾端过电压较首端高出约33.9%，这与避雷器保护距离有限有关。

图4 不同电缆长度下电缆内部不同位置的过电压Fig.4 Overvoltage at different positions inside cable under different cable lengths

2.7 加装避雷器

综上分析可知，虽然有避雷器的保护，但当雷电流过大时依然会对设备的绝缘性能造成较大影响，若想降低这种不利影响，除了可以降低接地电阻外，还可考虑在线路上加装避雷器。由于雷击时对雷击终端附近的杆塔影响最大，因此可考虑在离终端塔最近的2 级杆塔上加装避雷器，避雷器类型可选择氧化锌避雷器。在雷电流取100 kA 工况下，避雷器加装前、后箱变处过电压计算结果如图5所示。

图5 在雷电流取100 kA 工况下，避雷器加装前、后箱变处过电压计算结果Fig.5 Under condition that lightning current is 100 kA，calculation results of overvoltage at box transformer before and after arrester installation

由图5可知：在雷电流取100 kA 工况下，避雷器加装前，箱变处过电压为149.6 kV(绝对值，下同)；避雷器加装后，箱变处过电压降至112.5 kV。与此同时，加装避雷器后，避雷器放电电流从5.17 kA 降至2.62 kA，因此加装避雷器不仅可以有效抑制过电压，还能分担原避雷器通流压力。但需要注意的是，该做法对交流集电系统的耐雷水平略有影响，避雷器加装前其耐雷水平为33 kA，加装后降低至31 kA。

通过分析实时数据发现，避雷器加装前，导线上的感应电压与绝缘子串两端电压差较小，未达到闪络电压；避雷器加装后，起初虽未闪络，但感应电压超过100 kV，避雷器有放电现象，避雷器放电瞬间导线感应电压被钳位至避雷器初始放电电压(约77 kV)，绝缘子串两端电压差瞬时变大，从而导致闪络放电。因此，加装避雷器仅对雷电流过大引起的防雷问题较为有效。

2.8 仿真模型对计算结果的影响

箱变入口电容是雷电暂态计算的重要参数，在高电压等级(500/750 kV)的计算中，该值对过电压的影响较大。因此，理论上应以箱变入口电容实测值作为原始数据，但由于各种原因导致实测值不易获取，并且不同厂家设备之间的差异导致测量结果可能差别较大。GB/T 311.4—2010[11]和文献[12-13]给出了一些参考值，而文献[14]给出了箱变入口电容C的计算公式为：

式中：K和n均为拟合参数，35 kV 电压等级推荐K取350、n取3；S为箱变容量，MVA，本文取1.6。

根据式(2)可得到，35 kV 交流集电系统的箱变入口电容为409 pF。

文献[15]利用有限元分析软件对箱变进行电磁场建模，提取了绕组间和对地的电容。为避免设备参数对计算结果的影响，针对不同设备参数下的箱变过电压进行计算很有必要。因此，对箱变入口电容分别取300、475、2000、5000 pF 时箱变处的过电压进行仿真，仿真结果如图6所示。

图6 不同箱变入口电容时箱变处的过电压仿真结果Fig.6 Simulation results of overvoltage at box transformer with different transformer inlet capacitance

由图6可知：不同箱变入口电容下的仿真结果差别不大。

绝缘子闪络模型也是雷电暂态计算的重要组成部分，因相交法和定义法均可用于判定闪络，因此本文针对这2 种方法分别建立了绝缘子闪络模型，用于箱变处过电压计算。不同绝缘子闪络模型下箱变处过电压如图7所示。

图7 不同绝缘子闪络模型下箱变处过电压Fig.7 Overvoltage at box transformer under different insulator flashover models

从图7可知：2 种方法得到的箱变处过电压结果相差不大，这是因为35 kV 架空线绝缘子串长度很短，闪络特性曲线非常陡峭，雷击发生后在很短的时间里即达到50%的绝缘子闪络电压，因此结果差别不大；但相交法得到的结果比定义法得到的略高。

另外，绝缘子串长度对绝缘子闪络特性和50%的绝缘子闪络电压都有决定性影响，35 kV架空线路通常采用3～4 片U70BP/146D 型瓷绝缘子，在计算中，若将终端塔附近杆塔的绝缘子片数调整为5～6 片后，交流集电系统的耐雷水平将由33 kA 上升至48 kA；调整为9～10 片后，耐雷水平将上升至70 kA。这种方法对提高交流集电系统耐雷水平比较有用，但若防雷问题不是由耐雷水平不够引起，而是由雷电流过大引起的，此种方法效果不大，并且有可能增加闪络后的过电压水平。另外，增加绝缘子串长度相当于提高电压等级，相应的杆塔塔型和塔材都会改变，成本也会增加，因此需要综合考虑。