厲天威，劉大鵬，雷園園，趙宇明，項(xiàng)陽(yáng)，黎小林

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市510080;2.西安西電電力系統(tǒng)公司，西安市710077)

0 引言

換流站是直流輸電系統(tǒng)最重要的組成部分，其雷害來(lái)源有2個(gè)方面:(1)直擊雷;(2)雷電侵入。因?yàn)槔讚艟€路的幾率遠(yuǎn)比雷直擊換流站大，所以沿線路侵入換流站的雷電侵入過(guò)電壓行波是對(duì)換流站電氣設(shè)備構(gòu)成威脅的主要來(lái)源［1-8］。南澳柔性直流輸電工程為三端±160 kV直流輸電系統(tǒng)，送端南澳島包括青澳換流站和金牛換流站，采用風(fēng)電場(chǎng)接入，受端汕頭通過(guò)塑城換流站送出。青澳換流站到金牛換流站采用架空線路連接，金牛換流站至塑城換流站輸電線路采用海底電纜、架空線路、陸纜混合架設(shè)。

塑城換流站的直流進(jìn)線段為電纜，且架空線路距離約為16 km，雷電侵入波對(duì)換流站內(nèi)設(shè)備影響很小，可以忽略不計(jì)，但金牛換流站至塑城換流站的架空線路遭雷擊時(shí)雷電侵入波對(duì)兩邊與之相連的電纜會(huì)產(chǎn)生雷電過(guò)電壓;青澳換流站和金牛換流站間架空線路遭受雷擊后，雷電侵入波會(huì)對(duì)換流站設(shè)備造成雷電應(yīng)力。由于交流側(cè)避雷器和變壓器等設(shè)備的阻尼作用，雷電過(guò)電壓不太嚴(yán)重，不進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

本文采用PSCAD/EMTDC軟件，將直流架空輸電線路，包括桿塔、導(dǎo)地線、電纜和絕緣子等，連同換流站直流場(chǎng)和T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)設(shè)備，包括直流電抗器、隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)、套管、電壓互感器和電流互感器、支柱絕緣子、避雷器和電纜等作為整體進(jìn)行建模。仿真計(jì)算雷電繞擊和反擊靠近換流站1～2 km直流輸電線路后換流站各設(shè)備和電纜受到的雷電過(guò)電壓，據(jù)此校核青澳換流站、金牛換流站設(shè)備和電纜雷電絕緣水平。

1 計(jì)算條件

南澳柔性直流輸電工程輸電線路采用陸纜—架空線—海纜混合架線方式，如圖1所示。

圖1 輸電線路路徑示意圖Fig.1 Transmission line route diagram

換流站雷電侵入波過(guò)電壓計(jì)算分繞擊和反擊2種雷擊方式，分別以換流站附近進(jìn)線段作為研究對(duì)象。當(dāng)雷電繞擊導(dǎo)線時(shí)，繞擊點(diǎn)距離桿塔越近，在桿塔絕緣子兩端產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值越大。當(dāng)雷電反擊桿塔時(shí)，由于雷電波在地線上的折反射抵消作用，因此反擊過(guò)電壓在雷擊于第2～3基桿塔時(shí)最大。

雷電流模型采用2.6/50 μs的雙指數(shù)波進(jìn)行模擬，雙指數(shù)波模擬雷電流為

式中:η為波形系數(shù);Im為雷電流幅值;T1和T2分別為波頭時(shí)間常數(shù)和波尾時(shí)間常數(shù)。為計(jì)算設(shè)備最大過(guò)電壓值，反擊電流取為170 kA，對(duì)應(yīng)雷電概率為1.17%。最大繞擊雷電流幅值根據(jù)電氣幾何模型法計(jì)算得到。反擊雷電通道波阻抗取300 Ω，繞擊雷電通道波阻抗取800 Ω。

2 仿真計(jì)算模型

2.1 線路模型

由于雷電流波形中含有豐富的高次諧波，而線路的參數(shù)隨頻率變化，不同頻率的諧波分量在線路中傳播時(shí)的衰減和畸變各不相同，因此本文傳輸線采用頻率相關(guān)模型。對(duì)換流站直流側(cè)進(jìn)線段的前6號(hào)桿塔和線路分別建模，考慮桿塔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)地線型號(hào)、檔距和接地電阻等參數(shù)。耐張塔空氣間隙取3.3 m，直線塔空氣間隙長(zhǎng)度為2.2 m。青澳換流站和金牛換流站出線段、金牛站換流站至塑城換流站架空直流線路桿塔結(jié)構(gòu)如圖2所示。桿塔塔身波阻抗取150 Ω，橫擔(dān)波阻抗取200 Ω［9］。青澳換流站和金牛換流站出線段桿塔檔距見(jiàn)表1(0代表套管末端)。

圖2 直流輸電線路桿塔Fig.2 Tower of DC transmission line

表1 青澳站和金牛站出線段檔距Tab.1 Outgoing span between Qing'ao and Jinniu station m

金牛站至塑城站為陸纜—架空—海纜混合線路，靠近金牛站，約為2 km電纜線路。架空線路總長(zhǎng)為8.1 km，雷擊架空線路產(chǎn)生的雷電侵入波會(huì)在與之相連的陸纜和海纜上產(chǎn)生過(guò)電壓，檔距見(jiàn)表2。

表2 連接陸纜和海纜的架空線檔距Tab.2 Span of overhead line connecting land and sea cable m

根據(jù)青澳站和金牛站的線路參數(shù)，采用電氣幾何模型法計(jì)算得到近換流站段各基桿塔的最大繞擊電流值見(jiàn)表3。由于各桿塔保護(hù)角較小，因此繞擊電流值相對(duì)較小。

表3 青澳和金牛站各基桿塔最大繞擊電流Tab.3 Maximum shielding failure current of base tower in Qing'ao and Jinniu station kA

2.2 空氣間隙閃絡(luò)模型

雷電放電過(guò)程是沿最小空氣間隙對(duì)桿塔放電，絕緣閃絡(luò)判據(jù)采用相交法［10］，空氣間隙上過(guò)電壓較高時(shí)，空氣間隙伏秒特性曲線與空氣間隙兩端電壓曲線相交，即判定為空氣間隙閃絡(luò)?？諝忾g隙伏秒特性曲線參考IEEE［11］，用空氣間隙長(zhǎng)度函數(shù)來(lái)描述空氣間隙的伏秒特性，即

式中:L為空氣間隙長(zhǎng)度，m;t為雷擊開(kāi)始到閃絡(luò)所經(jīng)歷的時(shí)間，μs。

以上空氣間隙伏秒特性公式(2)是在正極性雷擊情況下得出的。由于負(fù)極性雷空氣間隙閃絡(luò)電壓比正極性高，仿真計(jì)算時(shí)，空氣間隙負(fù)極性放電電壓近似取正極性放電電壓的1.13倍［12］。

2.3 換流站電氣設(shè)備等效模型

青澳換流站和金牛換流站換流閥相對(duì)遠(yuǎn)離進(jìn)線，受極母線各設(shè)備的屏蔽作用影響較小，采用多個(gè)電容串聯(lián)等效。D型和SR型避雷器均采用分段線性函數(shù)模擬，D型參考電壓取為198 kV，SR型參考電壓取為165 kV?？紤]到雷電侵入波等值頻率高、傳播速度快的特點(diǎn)，換流站設(shè)備如套管PB、隔離開(kāi)關(guān)DS、接地開(kāi)關(guān)GS、電壓互感器PT、支柱絕緣子PS、直流電抗器Rea和電流互感器CT等，均可等值成沖擊入口電容，由分布參數(shù)線路相隔。各設(shè)備等值入口電容見(jiàn)表4。

表4 換流站設(shè)備入口電容值Tab.4 Equipment entrance capacitance in converter station pF

在研究雷電沖擊波對(duì)母線及其聯(lián)接線的作用時(shí)，導(dǎo)線一般應(yīng)按分布參數(shù)考慮，對(duì)于各個(gè)設(shè)備間的電氣線路采用貝杰龍模型模擬，其長(zhǎng)度為相鄰設(shè)備間的電氣距離，波阻抗取為300 Ω。電纜采用軟件自帶模型。

3 青澳站雷電侵入波過(guò)電壓計(jì)算

青澳換流站直流場(chǎng)設(shè)備布置圖如圖3所示。根據(jù)青澳換流站各段母線的長(zhǎng)度和設(shè)備布置位置，建立換流站設(shè)備的高頻等效模型，進(jìn)行輸電線路雷電反擊與繞擊過(guò)電壓計(jì)算分析。桿塔1～6號(hào)最大繞擊雷電流值見(jiàn)表3，反擊雷電流采用170 kA。通過(guò)仿真計(jì)算，青澳站設(shè)備在雷電繞擊、反擊和不同雷擊點(diǎn)情況下的最大值，見(jiàn)表5。

圖3 青澳換流站直流場(chǎng)設(shè)備單極布置Fig.3 Single pole arrangement of DC yard equipment in Qing'ao converter station

表5 青澳站極線設(shè)備過(guò)電壓Tab.5 Overvoltage of pole equipment in Qing'ao stationkV

雷電過(guò)電壓計(jì)算考慮到正負(fù)極性雷電流、繞擊和反擊、各基桿塔遭受雷擊等多種工況。其中，負(fù)極性雷繞擊4號(hào)塔和正極性雷反擊3號(hào)塔時(shí)負(fù)極母線設(shè)備過(guò)電壓分別如圖4和圖5所示。

圖4 雷電反擊3號(hào)塔過(guò)電壓Fig.4 Overvoltage of lightning counterattack at 3rdtower

圖5 雷電繞擊4號(hào)塔過(guò)電壓Fig.5 Overvoltage of lightning shielding failure at 4thtower

4 金牛站雷電侵入波過(guò)電壓計(jì)算

金牛換流站直流場(chǎng)主接線圖和T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)接線圖(T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)至金牛換流站電纜tCab長(zhǎng)55 m)如圖6和圖7所示。

金牛站正負(fù)極母線設(shè)備雷電過(guò)電壓計(jì)算考慮到正負(fù)極性雷電流、繞擊和反擊、各基桿塔遭受雷擊等多種工況。其中，正極性雷繞擊1號(hào)塔和反擊5號(hào)塔時(shí)正極母線設(shè)備過(guò)電壓分別如圖8和圖9所示。

圖6 金牛站直流場(chǎng)主接線圖Fig.6 Main connection diagram of DC yard in Jinniu station

圖7 金牛站T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)接線圖Fig.7 Connection diagram of T type switch yard in Jinniu station

圖8 雷電繞擊1號(hào)塔過(guò)電壓Fig.8 Overvoltage of lightning shielding failure at 1sttower

圖9 雷電反擊5號(hào)塔過(guò)電壓Fig.9 Overvoltage of lightning counterattack at 5thtower

金牛站正負(fù)極母線設(shè)備在雷電繞擊和反擊直流輸電線路各基桿塔時(shí)過(guò)電壓見(jiàn)表6。電抗器距離D1型避雷器較遠(yuǎn)，過(guò)電壓最大值出現(xiàn)在反擊發(fā)生后直流電抗器處，為323 kV，同時(shí)由于電抗器的阻波作用，且距離相對(duì)較遠(yuǎn)，因此換流站靠近換流閥的相關(guān)設(shè)備如GS、CT、PT和DS的過(guò)電壓值相對(duì)較低，最小值為226 kV。

表6 金牛站極母線設(shè)備過(guò)電壓Tab.6 Overvoltage of pole bus equipment in Jinniu stationkV

5 T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)及電纜過(guò)電壓計(jì)算

當(dāng)青澳站單獨(dú)送電時(shí)(即圖7中雙極tDS3開(kāi)路)，由于沒(méi)有金牛站直流場(chǎng)分流作用，T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)設(shè)備所受應(yīng)力較三端直流運(yùn)行時(shí)大。青澳站正負(fù)極母線設(shè)備雷電過(guò)電壓計(jì)算考慮到正負(fù)極性雷電流、繞擊和反擊、各基桿塔遭受雷擊等多種工況。其中，負(fù)極性雷繞擊4號(hào)塔和正極性雷反擊5號(hào)塔時(shí)T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)各設(shè)備過(guò)電壓分別如圖10和圖11所示。

圖10 雷電繞擊4號(hào)塔過(guò)電壓Fig.10 Overvoltage of lightning shielding failure at 4thtower

圖11 雷電反擊5號(hào)塔過(guò)電壓Fig.11 Overvoltage of lightning counterattack at 5thtower

通過(guò)對(duì)各種繞擊和反擊工況的計(jì)算，T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)各設(shè)備所受最大應(yīng)力見(jiàn)表7，其中sCab和lCab分別對(duì)應(yīng)金牛至塑城換流站輸電線路的海纜和陸纜。

表7 T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)設(shè)備過(guò)電壓Tab.7 Equipment overvoltage in T type switch yard kV

通過(guò)對(duì)金牛至塑城換流站之間的8.1 km架空線路兩端各6基桿塔進(jìn)行雷電反擊和繞擊計(jì)算，分析與架空線路相連的陸纜和海纜的過(guò)電壓。陸地共6.5 km，將電纜1.3 km分段后接地，每個(gè)分段處采用直接接地的方式，接地電阻為10 Ω。海纜長(zhǎng)約為9.6 km，采用兩端直接接地的接地方式，接地電阻不大于4 Ω。海纜和陸纜過(guò)電壓情況如表8所示。

表8 電纜對(duì)地最大過(guò)電壓Tab.8 Maximum overvoltage of cable to ground kV

6 換流站各設(shè)備雷電絕緣水平

根據(jù)各換流站雷電侵入波過(guò)電壓結(jié)果，對(duì)3個(gè)換流站統(tǒng)一提出雷電絕緣水平，直流場(chǎng)極母線設(shè)備、T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)設(shè)備和電纜過(guò)電壓及絕緣水平見(jiàn)表9。

表9 設(shè)備過(guò)電壓和絕緣水平Tab.9 Equipment’s overvoltage and insulation level

對(duì)比上述結(jié)果可知，隔離開(kāi)關(guān)最大電壓值出現(xiàn)在T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)金牛站側(cè)，不受避雷器直接保護(hù)，滿足1.05裕度要求。因此，在三端系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各設(shè)備絕緣裕度滿足雷電耐受電壓要求。

7 結(jié)論

(1)青澳換流站正常運(yùn)行時(shí)，架空線路遭受雷擊時(shí)，換流站進(jìn)線套管的電壓為461 kV，極線其他設(shè)備雷電侵入過(guò)電壓的幅值在350 kV以下，滿足設(shè)備雷電絕緣裕度要求。

(2)金牛站在正常運(yùn)行時(shí)，架空線路遭雷擊時(shí)，極母線設(shè)備上雷電侵入過(guò)電壓的幅值在400 kV以下，最大值出現(xiàn)在直流電抗器處，其最大值為323 kV，滿足絕緣裕度要求。由于T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)分流作用，金牛站內(nèi)設(shè)備雷電過(guò)電壓比青澳站稍低。

(3)青澳站單獨(dú)送電時(shí)，沒(méi)有金牛至塑城輸電線路的分流作用，T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)各設(shè)備的過(guò)電壓相對(duì)較大。其中進(jìn)線套管的過(guò)電壓值達(dá)到458 kV，由于套管的絕緣耐受水平為650 kV，因此絕緣裕度滿足要求?？拷鹋?cè)隔離開(kāi)關(guān)的過(guò)電壓值達(dá)到505 kV，絕緣裕度為9%，該設(shè)備不受避雷器直接保護(hù)，滿足1.05絕緣裕度要求。

(4)T接開(kāi)關(guān)場(chǎng)55 m電纜對(duì)地最大電壓為281 kV，海纜線芯對(duì)地最大電壓為274 kV，路纜線芯對(duì)地最大電壓為305 kV，電纜外絕緣水平取550 kV，滿足裕度要求。

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