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(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司,四川 成都 610021)

0 引 言

±1100 kV 是直流輸電工程中的全新電壓等級，其過電壓的抑制與絕緣配合的優(yōu)化國內(nèi)已經(jīng)做過很多研究[1-5]，得益于這些研究確定了設(shè)備的絕緣水平，使工程進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段。然而已有的±1100 kV工程有關(guān)過電壓的研究大多針對內(nèi)過電壓或雷電侵入波，對于換流站本身的直擊雷防護(hù)研究較少。

雷擊是造成電力系統(tǒng)故障的主要原因之一。直流換流站不同于交流變電站，主回路中很多設(shè)備都是電子設(shè)備,對雷電的耐受能力比交流系統(tǒng)的一次設(shè)備明顯更弱[6]。對于直擊雷的防護(hù)主要目的是防止雷電流通過直擊或繞擊直接流過電氣設(shè)備造成絕緣損壞，或者雷電流經(jīng)防雷裝置流入接地網(wǎng)帶來地電位抬升對電氣設(shè)備造成反擊。換流站的防雷保護(hù)若采用避雷針，則小的雷電流繞開避雷針的攔截進(jìn)入換流站的概率仍較大，因此對于換流站的直流開關(guān)場，必須采用密集的避雷線才能起到有效攔截小電流雷電直擊的作用[7]。對于±1100 kV換流站的雷電防護(hù)，尤其是其直流場的雷電防護(hù)而言，有很多問題亟待解決。下面首先通過對比分析目前國內(nèi)外常用的防雷設(shè)計方法，確定適用于±1100 kV換流站直流場的設(shè)計方法，然后分析研究±1100 kV換流站直流場防雷設(shè)計的特殊問題；隨后提出一種具有分層結(jié)構(gòu)，利用避雷線的空間位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)雷電防護(hù)的方案；最后采用三維建模在工程設(shè)計中進(jìn)行了實(shí)際校驗(yàn)。

1 ±1100 kV換流站直流場防雷計算方法的確定

目前國內(nèi)外常見的防雷設(shè)計方法主要有：經(jīng)驗(yàn)法[8-9]、電氣幾何模型法[8，10]、先導(dǎo)發(fā)展模型法[11]以及分形分析模型法[11]等。

1)經(jīng)驗(yàn)法。該方法是長期存在于防雷設(shè)計歷史中并且直到現(xiàn)在還在使用的一種方法。經(jīng)驗(yàn)法最初可分為固定角度法和經(jīng)驗(yàn)曲線法，后來總結(jié)發(fā)展成為了普通變電站常用的折線法。該方法的建立來自于對于比例縮微模型的直接試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[12]，其計算結(jié)果與雷電流大小無關(guān)，無法反應(yīng)雷電流的影響。

2)電氣幾何模型法(electrical geometry model,EGM)。該方法的原理是當(dāng)下行先導(dǎo)逼近大地或地面物體，只要到達(dá)某一擊距范圍內(nèi)，雷擊點(diǎn)就確定了。基于這一理論可以方便地通過幾何作圖確定防雷設(shè)施的位置。滾球法就是該理論的一種具體應(yīng)用。擊距是電氣幾何模型法中的重要概念，它決定了導(dǎo)線、避雷線、大地之間的受雷范圍。擊距與雷電的回?fù)綦娏?return stroke current)緊密相關(guān)，目前主要有以下經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

S=10I0.65,(Love)

(2)

(3)

S=8I0.65,(IEEE)

(4)

S=3.3I0.78,(Suzuki)

(5)

式中：I為回?fù)綦娏鳎珹；S為擊距，m。

結(jié)合換流站常見的最大允許雷電流。不同的公式所確定的擊距差異較大[13]。

根據(jù)國內(nèi)換流站設(shè)計工程經(jīng)驗(yàn)，一般按照文獻(xiàn)[8]計算擊距：

S=8kI0.65

，

(6)

式中，k為擊距系數(shù)。IEEE中規(guī)定對于避雷線，k取1；對于避雷針，k取1.2。但是對于系數(shù)k的選取并不是一成不變的，它還將受到導(dǎo)體高度等多種因素的影響[13]。

3)先導(dǎo)發(fā)展模型法(leader progression model,LPM)。該方法是基于雷電觀察和長間隙放電試驗(yàn)的成果[14]，基本思想是在雷電先導(dǎo)向下發(fā)展的過程中，當(dāng)?shù)孛嫖矬w的場強(qiáng)超過一定值時，會在地面物體產(chǎn)生迎面先導(dǎo)。隨著上、下行先導(dǎo)的發(fā)展，當(dāng)兩者間的場強(qiáng)超過空氣間隙的臨界擊穿場強(qiáng)時，即發(fā)生雷擊。該方法物理意義清晰，具有優(yōu)勢。但是由于缺少試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，對于先導(dǎo)發(fā)展模型的判據(jù)存在不同觀點(diǎn)[15-16]，許多計算參數(shù)也不盡相同，計算結(jié)果相差很大，工程實(shí)際中不宜使用。

4)分形模型法。分形理論是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門新興科學(xué)。分形模型的關(guān)鍵參數(shù)是雷電通道的分形維數(shù)，主要通過分析世紀(jì)雷電放電圖片來得到[17]。

以上方法應(yīng)用于直流場的防雷設(shè)計，最直接的體現(xiàn)便是確定避雷線的間距。來自清華大學(xué)的團(tuán)隊曾經(jīng)依托±800 kV奉賢換流站工程對4種方法進(jìn)行了比較[18]。表1為文獻(xiàn)[18]中根據(jù)不同方法計算出的避雷線間距(此間距約等于擊距的2倍)。

表1 不同方法計算的避雷線間距比較

表1中，滾球法計算的擊距系數(shù)都按0.9考慮。由表1可以看出，對于小雷電流，滾球法計算出的結(jié)果較為保守，而對于較大雷電流則其計算結(jié)果與其他方法趨于一致。

采用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計量資料以（均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，采用t檢驗(yàn)；計數(shù)資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

經(jīng)過對不同防雷計算方法的分析，認(rèn)為滾球法的防雷計算可靠性較高，且工程設(shè)計易于施行，推薦應(yīng)用滾球法進(jìn)行±1100 kV直流場的防雷設(shè)計。推薦滾球法的擊距計算引入系數(shù)ks，將式(6)修正為

S=8kksI0.65

(7)

系數(shù)ks取值如下：

根據(jù)以上原則，±1100 kV換流站直流場的最大允許雷電流與對應(yīng)的擊距如表2。

表2 直流場雷擊電流與擊距

2 ±1100 kV換流站直流場防雷設(shè)計的特殊問題分析

由于電壓等級的提升，設(shè)備的外絕緣成為了限制設(shè)備制造的瓶頸，即使制造出了±1100 kV的戶外設(shè)備，其巨大的外形尺寸也會更加容易受到環(huán)境條件的影響，增加了運(yùn)行的不可靠性。因此±1100 kV宜采用戶內(nèi)直流場，將高電壓設(shè)備布置于戶內(nèi)，從而通過優(yōu)化電極形狀有效地降低設(shè)備制造難度。目前建設(shè)中的±1100 kV昌吉—古泉特高壓直流工程的直流場均采用戶內(nèi)直流場，在直流場的設(shè)計過程中，綜合考慮了空氣凈距、運(yùn)行方式、檢修需求、資源友好、經(jīng)濟(jì)適用等需求后，直流場的防雷設(shè)計可能面臨以下新問題。

1)空氣凈距與擊距的矛盾

根據(jù)±1100 kV直流場絕緣配合與空氣凈距計算的結(jié)論，±1100 kV導(dǎo)體對地的空氣凈距取值應(yīng)為16～18 m。若±1100 kV等級導(dǎo)體附近存在最大允許雷擊電流為2 kA的區(qū)域，則根據(jù)表2該區(qū)域的雷電流擊距為12.55 m，即兩根平行避雷線間的最大距離不得超過25.1 m。由于直流場不同電壓等級導(dǎo)體交錯，兩根避雷線間可能存在高壓導(dǎo)體，空氣凈距的要求不允許兩根避雷線相互靠近；而為了保護(hù)下方的小雷電流區(qū)域，雷電擊距的要求又不允許兩根避雷線互相遠(yuǎn)離。

2)小雷擊電流(≤2 kA)范圍擴(kuò)大

直流場防雷設(shè)計的難點(diǎn)主要在小雷擊電流(≤2 kA)保護(hù)區(qū)域，該區(qū)域雷電流擊距小，避雷線要求密集，而又往往受限于場地或帶電距離等。圖1示意了常規(guī)±800 kV換流站小雷電流保護(hù)區(qū)域。

圖1 ±800 kV直流場小雷電流保護(hù)區(qū)

對于±1100 kV直流場，其小雷電流保護(hù)區(qū)域分布大不相同。以與一字型閥廳布置相適應(yīng)的±1100 kV直流場為例，由于設(shè)備制造的限制采用了戶內(nèi)直流場方案，為了讓極線出線遠(yuǎn)離控制樓便將極線朝外側(cè)布置，這樣將直流濾波器高壓側(cè)布置到了戶內(nèi)直流場靠近控制樓的一側(cè)。又由于戶內(nèi)直流濾波器半壓檢修的需要，不得不將高低端閥廳間的聯(lián)絡(luò)母線(±550 kV等級)朝外側(cè)布置，造成2 kA防雷保護(hù)區(qū)域貫穿整個直流場。圖2示意了±1100 kV直流場2 kA雷擊電流的保護(hù)區(qū)域。

如圖2所示，±1100 kV直流場的小雷電流保護(hù)區(qū)域(表2中2 kA區(qū)域)擴(kuò)大為深色區(qū)域。無論橫向還是縱向，該區(qū)域都有很大程度的延展，且部分區(qū)域距離±1100 kV極線出線很近，該區(qū)域防雷面臨空氣凈距與擊距互相制約的困難局面。

圖2 ±1100 kV直流場小雷電流保護(hù)區(qū)域

3)直流場空間受限

±1100 kV直流場的空氣凈距(戶內(nèi)13～15 m，戶外18 m)明顯較±800 kV直流場(9 m)增大，且采用了戶內(nèi)方案也會帶來建筑物增加，因此似乎±1100 kV直流場的占地理所當(dāng)然地比±800 kV直流場大很多。但是由于±1100 kV工程投資浩大，在科研與設(shè)計過程中節(jié)省投資、節(jié)約用地是優(yōu)化重點(diǎn)。±1100 kV直流場占地與近期±800 kV換流站對比見表3。

表3 直流場占地對比表

可以看出±1100 kV古泉換流站直流場的占地面積僅比±800 kV直流場增加約1000 m2，足以見得±1100 kV直流場布置的緊湊程度。直流場空間的限制使得避雷線塔難以設(shè)置。

4)“危險剖面”難以確定

通常多根避雷線會被用來保護(hù)同一個區(qū)域，若這些避雷線組成一個平面上的規(guī)則圖形(例如矩形、三角形)，則可以方便地找到一個“危險剖面”從而快速完成滾球法防雷計算。但是在±1100 kV直流場的防雷設(shè)計中，為了克服所提的種種困難，在多根避雷線的協(xié)同保護(hù)設(shè)計過程中，可能會考慮將多根避雷線設(shè)置成空間上彼此不相交的形式，對于這類避雷線用滾球法校驗(yàn)，是難以通過解析或是作圖的方式確定“危險剖面”的，防雷設(shè)計的校驗(yàn)需要尋找新的方法。

3 ±1100 kV換流站直流場防雷設(shè)計方案的提出

針對±1100 kV換流站直流場防雷設(shè)計的特殊性，下面提出一種利用多根避雷線的空間分布以及與耐雷能力高的導(dǎo)體聯(lián)合防雷的方案。

圖3示意了±1100 kV換流站直流場極線出線附近的布置，這是一處重點(diǎn)防雷區(qū)域。

圖3 ±1100 kV極線出線區(qū)域布置

如圖3可知，上面所提的幾個問題在此區(qū)域都很突出。首先，從空間上分析，該區(qū)域布置設(shè)備較多，且電壓等級跨度較大，從±1100 kV、±550 kV到中性線電壓等級，再加上較為復(fù)雜的濾波器低壓部分均在此區(qū)域交織，使得該區(qū)域難以設(shè)置避雷線塔。其次，從空氣凈距分析，±550 kV母線(最大允許雷電流為2 kA)位于±1100 kV絕緣子下方，這樣布置是可行的。因?yàn)椤?100 kV對±550 kV只有5.2 m的空氣凈距需求，而避雷線卻不能從二者之間穿過，而且±1100 kV對避雷線的空氣凈距需求達(dá)16 m，因此避雷線只能從被保護(hù)區(qū)域外側(cè)繞。

如圖4所示，在h=23 m層增設(shè)避雷線DCY-W9、DCY-W12、DCY-W14,這些避雷線滿足了空氣凈距的要求，但是卻無法防護(hù)2 kA的雷擊(對應(yīng)擊距12.55 m)。由于避雷線無法再進(jìn)一步靠近被保護(hù)設(shè)備(550 kV管母線)，因此將耐受雷電雷擊水平更高的導(dǎo)體(極線出線、極線引下線)考慮成保護(hù)導(dǎo)體。

圖4 ±1100 kV極線出線區(qū)域的避雷線設(shè)置

如圖5所示，將極線及其引下線也納入防雷保護(hù)導(dǎo)體。

圖5 引入極線及其引下線的防雷方案

圖5中，極線出線、極線引下線與避雷線DCY-W9、DCY-W12、DCY-W14幾根空間上不相交的保護(hù)線共同保護(hù)了下方2 kA的防雷區(qū)域。對于濾波器等低壓設(shè)備(最大允許雷電流為5 kA)同樣可以利用極線出線進(jìn)行保護(hù)。而極線出線本身由其上方65 m高的避雷線保護(hù)。

圖6 防雷方案的分層結(jié)構(gòu)

如圖6所示，±1100 kV直流場的防雷方案充分利用了空間中不相交保護(hù)線(導(dǎo)線與避雷線)的特性，徹底地發(fā)揮了滾球法的效用，最終提出了一種具有分層結(jié)構(gòu)的防雷方案。

4 ±1100 kV換流站直流場防雷設(shè)計方案的校驗(yàn)

對所提方案進(jìn)行校驗(yàn)計算時，由于無法確定“危險剖面”，無論從理論分析還是從作圖分析都難以實(shí)現(xiàn)。因此建立了設(shè)備與導(dǎo)體的比例三維模型，見圖7。

圖7 防雷方案的三維校驗(yàn)

如圖7所示，在三維模型中，首先確定做出參與聯(lián)合保護(hù)的多根導(dǎo)體為中心，以擊距為半徑的“管道”，多根管道在空間中的交點(diǎn)即為最終位置的滾球球心。做出此球后便可以在三維模型中求得保護(hù)范圍。這對工程設(shè)計實(shí)踐有重大幫助。

5 結(jié) 語

從解決±1100 kV換流站直流場的防雷問題出發(fā)，首先對比研究了目前常用的防雷計算方法，確定了采用滾球法進(jìn)行工程設(shè)計，并指出滾球法的擊距系數(shù)應(yīng)隨著雷擊電流的增大而減小，同時提出了擊距系數(shù)的推薦取值。

分析了±1100 kV換流站直流場的防雷設(shè)計特殊性主要體現(xiàn)在以下4個方面：1)較大的空氣凈距要求與相對較小的雷電擊距的矛盾；2)小雷電流保護(hù)區(qū)域范圍擴(kuò)大；3)場地受限；4)難以確定“危險剖面”。

提出了適用于±1100 kV換流站直流場，利用空間上多根相交或不相交的避雷線或耐受雷擊較強(qiáng)的導(dǎo)體聯(lián)合保護(hù)，構(gòu)建一種具有層次結(jié)構(gòu)的防雷方案，并在工程設(shè)計中推薦采用三維建模進(jìn)行校驗(yàn)。

所提出的相關(guān)方法解決了±1100 kV換流站直流場的防雷設(shè)計問題，有利于±1100 kV的順利推進(jìn)。