蘭貞波，趙常威，阮江軍

（1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；2.安徽省電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；3.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

高電壓、大截面、長(zhǎng)距離的海底電纜（本文簡(jiǎn)稱海纜）與傳統(tǒng)的架空線路在運(yùn)行和維護(hù)方面會(huì)有很大的不同，尤其是在系統(tǒng)的過電壓方面［1］。當(dāng)系統(tǒng)中有海纜線路時(shí)，雷電波經(jīng)架空線路傳入海纜，會(huì)在海纜線路兩端發(fā)生折反射，導(dǎo)致較大的過電壓；而且雷電波在架空線路和海纜的傳遞情況有很大不同，同時(shí)海纜線路的參數(shù)同架空線路相差較大，這就使得含海纜的系統(tǒng)發(fā)生雷擊時(shí)，線路上的過電壓呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)［2］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于電纜線路特別是高電壓、大截面、長(zhǎng)距離海纜線路與架空線連接情況下的過電壓研究較少，開展研究工作并不深入。本文采用ATPEMTP仿真軟件對(duì)某沿海島嶼的海纜-架空線線路的雷擊過電壓進(jìn)行分析和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可為今后解決實(shí)際工程問題提供一定的參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)的線路及相關(guān)參數(shù)

圖1 400 MW海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)接線圖Fig.1 Wiring diagram of 400 MW offshore wind farm system

圖1為某400 MW海上風(fēng)電場(chǎng)的接線示意圖。由于海上風(fēng)電機(jī)組數(shù)量多、分布廣，因此采用35 kV電纜將一定數(shù)量的風(fēng)電機(jī)組并聯(lián)起來，連到220 kV的GIS變電站進(jìn)行升壓，然后通過220kV的海纜將電送到陸上集控中心，再轉(zhuǎn)架空線路，最終接入220 kV的高新變電站。

架空線采用單回路雙分裂導(dǎo)線，線路全長(zhǎng)18km，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-300/40，分裂間距為 400 mm，外徑23.94 mm，直流電阻不大于 0.09614 Ω/km；架空線路采用雙避雷線，避雷線型號(hào)為L(zhǎng)BGJ-100-20AC，計(jì)算直徑為15.7mm，直流電阻1.07971Ω/km；海纜采用1600 mm2單芯交聯(lián)聚乙烯電纜或者三芯電纜，鉛護(hù)套，單芯電纜按水平排列考慮，相間距為25 m，敷設(shè)深度為5 m；由于在海底敷設(shè)，因此海纜的金屬護(hù)層采用兩端互聯(lián)接地。

2 計(jì)算模型

2.1 桿塔模型

為防止雷害事故的發(fā)生，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)傳輸線路上的雷電波特性，正確計(jì)算和測(cè)量輸電線路桿塔波阻抗，建立合理的桿塔模型在防雷計(jì)算中占有重要的地位。若將桿塔視為等值電感，桿塔上任意點(diǎn)的電位相同，不能反映雷擊塔頂時(shí)雷電流在桿塔上的傳播過程及反射波對(duì)桿塔各節(jié)點(diǎn)電位的影響。雷電波沿桿塔傳輸時(shí)，距起點(diǎn)不同的地方，波阻抗和波速都是不同的，這主要是因?yàn)椴煌糠值膯挝婚L(zhǎng)度電感l(wèi)0和單位長(zhǎng)度電容c0不同。而對(duì)不同的部位設(shè)計(jì)不同的波阻抗，即可建立一個(gè)較為精確的桿塔模型，并且分割的段長(zhǎng)度越小，所得到的結(jié)果就越準(zhǔn)確［3］。為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，本文采用多波阻抗模型。

如圖2所示，桿塔模型考慮了橫擔(dān)和支架對(duì)桿塔的影響，使計(jì)算的波響應(yīng)特性更接近實(shí)測(cè)值［4-5］。

a.主架部分波阻抗ZTk。

圖2 桿塔結(jié)構(gòu)與多波阻抗模型Fig.2 Tower structure and multi-wave impedance model

其中，hk和rek分別為桿塔第k個(gè)橫擔(dān)的高度和第k個(gè)橫擔(dān)各個(gè)部分的等效半徑，其中等效半徑rek可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

b.支架部分波阻抗ZLk。

試驗(yàn)表明，有支架的桿塔系統(tǒng)比沒有支架的系統(tǒng)到達(dá)最大電壓所需要的時(shí)間要長(zhǎng)，因此在模型中支架的長(zhǎng)度為相應(yīng)的主干長(zhǎng)度的1.5倍。增加了支架后，多導(dǎo)體波阻抗減小10%左右。因此支架部分波阻抗為：

c.桿塔橫擔(dān)部分波阻抗ZAk。

其中，rAk為第k個(gè)橫擔(dān)與桿塔相連處橫擔(dān)寬度的1/4。

2.2 絕緣子串閃落模型

本文判斷絕緣子串閃絡(luò)的方法為相交法。圖3為絕緣子閃絡(luò)原理圖，其中t1為閃絡(luò)時(shí)刻；U1為閃絡(luò)電壓，由絕緣子串電壓波形和絕緣子伏秒特性曲線共同決定。相交法通過比較絕緣子串電壓與伏秒特性曲線的關(guān)系來判斷絕緣子串是否閃絡(luò)［6］。

圖3 絕緣子閃絡(luò)判斷原理Fig.3 Principle of insulator flashover detection

2.3 雷電流模型

雷電放電一般經(jīng)歷先導(dǎo)放電階段、主放電階段和余光放電階段。經(jīng)研究表明，先導(dǎo)放電通道具有分布參數(shù)的特征，稱其為雷電通道。因此可以將雷電看作一個(gè)沿著一條固定波阻抗的雷電通道向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄟ^程。根據(jù)等值集中參數(shù)定量，可將其等效為一個(gè)彼德遜等值電路［7-8］。

設(shè)沿雷電通道來波u0=i0Z0，其中i0為來波電流，Z0為雷電通道的波阻抗。雷電傳播的彼德遜電路如圖4所示，圖中Z為雷擊物的波阻抗。雷擊小接地阻抗物體時(shí)，流過該物體的電流定義為雷電流，因此可知雷電流大小為：

圖4 彼德遜等值電路Fig.4 Peterson equivalent circuit

標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波波頭部分可用雙指數(shù)函數(shù)表示為［9］：

其中，I0為雷電流幅值；α、β為時(shí)間常數(shù)。

2.4 避雷器模型

避雷器為一個(gè)高度非線性電阻，當(dāng)避雷器上電壓低于其沖擊放電電壓時(shí)，避雷器的電阻接近于無(wú)窮大，相當(dāng)于開路。當(dāng)避雷器上過電壓達(dá)到或者超過其沖擊放電電壓時(shí)，過電壓波即被截?cái)?，這時(shí)避雷器呈現(xiàn)為小電阻［10-11］。 本文采用西瓷 Y10W1-200/496W 型避雷器，起始動(dòng)作電壓為 283 kV，8/20 μs雷電沖擊伏安特性如表1所示。

表1 避雷器的伏安特性Table 1 Volt-ampere characteristic of lightning arrester

根據(jù)避雷器伏安特性，采用ATP-EMTP軟件中type99非線性電阻來模擬避雷器，避雷器上端引線采用分布參數(shù)模型［12］。

2.5 雷擊過電壓模型

本文計(jì)算的架空線路為1回，全線裝設(shè)雙避雷線；系統(tǒng)采用220 kV回路導(dǎo)線鐵塔，左邊掛設(shè)導(dǎo)線。由于雷擊過程非常短暫，通常只有幾微秒到幾十微秒，距離較遠(yuǎn)的桿塔的分流作用可以忽略，因此建模計(jì)算時(shí)只需考慮雷擊點(diǎn)及其附近2座桿塔的折反射。而雷擊點(diǎn)離海纜越近，則海纜的侵入波幅值越大，考慮比較嚴(yán)重的情況，當(dāng)雷擊點(diǎn)位于與架空線相連的終端桿塔時(shí)，侵入波幅值最大［13-14］。本文對(duì)該線路計(jì)算時(shí)，考慮侵入波幅值最大的情況，即將最靠近海纜的桿塔塔頂作為雷擊點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，在ATP-EMTP軟件中建立如圖5所示的仿真模型。

圖5 雷擊過電壓計(jì)算的整體仿真模型Fig.5 Overall simulation model for lightning overvoltage calculation

3 過電壓計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 避雷器對(duì)過電壓的影響

計(jì)算過電壓時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)分別考慮以下3種不同避雷器布置方式下的雷擊過電壓：

a.海纜首末兩端均不裝設(shè)避雷器；

b.僅在海纜首端裝設(shè)避雷器；

c.海纜首末兩端均裝設(shè)避雷器。

分別采用單芯和三芯電纜時(shí)，在3種不同避雷器布置情況下，海纜首末兩端過電壓波形如圖6和圖7所示，對(duì)應(yīng)的過電壓最大值見表2。

從計(jì)算結(jié)果可看出，若海纜為單芯電纜，采用方式a、b時(shí)，海纜末端最大電壓值均較大，約為526kV，超過避雷器初始動(dòng)作電壓。而采用方式c時(shí)，海纜末端的大電壓會(huì)引起末端避雷器開始動(dòng)作，此時(shí)末端避雷器上電流如圖8所示。由圖8可見，電流最大值約為2.0 kA，限壓作用明顯，電壓降為457 kV，略低于殘壓，這其中包括避雷器電流在避雷器引線上的一定壓降。當(dāng)海纜為三芯電纜時(shí)，若采用方式a、b時(shí)，海纜末端電壓最大值不超過400 kV，但超過了避雷器起始動(dòng)作電壓；若采用方式c則此時(shí)避雷器開始動(dòng)作，但避雷器電流小于1 kA，避雷器電阻仍在線性段，阻值很大，限壓作用不明顯，海纜首端電壓僅下降30 kV，至355 kV左右。

圖6 在不同避雷器布置方式下的單芯海纜首末兩端雷擊過電壓波形Fig.6 Lightning overvoltage waveforms of both mono-core submarine cable terminals for different arrester arrangement modes

圖7 在不同避雷器布置方式下的三芯海纜首末兩端雷擊過電壓波形Fig.7 Lightning overvoltage waveforms of both tri-core submarine cable terminals for different arrester arrangement modes

表2 不同避雷器布置情況下的雷擊過電壓計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculative results of lighting overvoltage for different arrester arrangement modes

圖8 海纜末端避雷器電流波形Fig.8 Current waveform of arrester at end terminal of submarine cable

DL401—91《高壓電纜選用導(dǎo)則》對(duì)不同電壓等級(jí)電纜的主絕緣雷電沖擊耐受電壓作出了明確規(guī)定，對(duì)于220 kV電纜，其主絕緣雷電沖擊耐受電壓約為950～1050 kV。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，即使在相電壓達(dá)到極值時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，海纜首末兩端過電壓均未超過海纜的主絕緣水平。

3.2 桿塔沖擊接地電阻對(duì)雷擊過電壓的影響

本文計(jì)算了不同接地電阻情況下的海纜過電壓，分析其對(duì)雷擊過電壓大小的影響。采用圖5所示仿真模型，改變桿塔沖擊接地電阻值，分別計(jì)算沖擊電阻為 5、7、10、15 Ω 情況下海纜的末端電壓，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同沖擊接地電阻下的海纜過電壓Table 3 Lightning overvoltage of submarine cable for different impulse grounding resistances

從表3中可知，在接地電阻為5～15 Ω時(shí)，海纜的末端過電壓隨著沖擊接地電阻的增加而逐漸增加。這是由于在相同雷電流情況下，沖擊接地電阻越大，桿塔橫擔(dān)上過電壓越大，這使得發(fā)生閃絡(luò)后架空線上的過電壓越大，即從架空線侵入電纜的過電壓幅值也越大（接地電阻為 5、7、10、15Ω時(shí)，架空線電壓分別為 0.95、1.10、1.35、1.75MV）。

3.3 海纜長(zhǎng)度對(duì)雷擊過電壓的影響

對(duì)不同海纜長(zhǎng)度情況下的海纜過電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，分析本系統(tǒng)中海纜長(zhǎng)度對(duì)其雷擊過電壓大小的影響。采用如圖5所示仿真模型，不考慮電纜首末兩端避雷器，改變電纜長(zhǎng)度，分別計(jì)算電纜長(zhǎng)度為50、100、200、400、1000、1500、5000、15000 m 情況下海纜的首末端電壓，計(jì)算結(jié)果如表4、5所示。

表4 不同長(zhǎng)度單芯海纜的雷擊過電壓Table 4 Lightning overvoltage of mono-core submarine cable for different lengths

表5 不同長(zhǎng)度三芯海纜的雷擊過電壓Table 5 Lightning overvoltage of tri-core submarinecable for different lengths

從表4、5可知，隨著海纜長(zhǎng)度的增加，海纜的首末兩端的過電壓均逐漸減小，且當(dāng)海纜增加到一定長(zhǎng)度時(shí)，海纜的首末兩端的過電壓基本不再降低。當(dāng)海纜長(zhǎng)度小于400 m時(shí)，海纜的首末兩端的過電壓大小基本相等，這是由于海纜長(zhǎng)度較小時(shí)雷電波通過波尾之前發(fā)生了多次折反射；當(dāng)海纜長(zhǎng)度大于400 m時(shí)，海纜末端電壓超過首端電壓，但低于首端電壓2倍值，這是由于海纜末端為GIS母線和變壓器，其波阻抗不是無(wú)窮大，沖擊電壓在海纜末端沒有發(fā)生全反射。

4 結(jié)論

本文利用ATP-EMTP軟件建立了海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的雷擊過電壓模型，分析了海纜的雷電侵入波過電壓水平及其影響因素，得出如下結(jié)論。

a．海纜的雷擊過電壓值受其海纜單芯或三芯特性的影響。當(dāng)采用不同形式（單芯或三芯）海纜時(shí)，海纜末端過電壓的幅值有很大的區(qū)別，但對(duì)于該海上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)論是否考慮海纜兩端避雷器的影響，其首末兩端過電壓均未超過海纜主絕緣水平。

b．沖擊接地電阻對(duì)海纜末端電壓會(huì)產(chǎn)生較大影響。無(wú)論是采用三芯還是單芯電纜，當(dāng)接地電阻為5～15Ω時(shí)，海底電纜的末端過電壓隨著沖擊接地電阻的增加而逐漸增加。

c．海纜首末兩端過電壓值受海纜長(zhǎng)度的影響。當(dāng)海纜長(zhǎng)度小于400 m時(shí)，海纜的首末兩端的過電壓大小基本相等；當(dāng)海纜長(zhǎng)度大于400 m時(shí)，海纜末端電壓超過首端電壓，但低于首端電壓2倍值。