王 磊，萬 磊，殷幼軍，周 姣

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074；2.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071)

0 引言

隨著電力電子器件的進(jìn)步，傳統(tǒng)的基于電網(wǎng)換相換流器高壓直流輸電(Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)的固有缺點(diǎn)如不靈活、較容易發(fā)生換相失敗，可以通過對(duì)受端換流站進(jìn)行全控型器件電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)的改造來克服，即形成LCC-VSC的混合直流輸電系統(tǒng)[1-5]。該混合直流系統(tǒng)可連接弱受端交流系統(tǒng)，改善與受端換流站相連的交流系統(tǒng)運(yùn)行特性，有助于解決長期困擾工程的直流落點(diǎn)過于集中可能造成電網(wǎng)重大安全隱患問題，因此LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)在我國具有很高的工程應(yīng)用發(fā)展價(jià)值。

對(duì)于已有工程的逆變側(cè)LCC換流站改造為VSC換流站，會(huì)沿用已有的架空輸電線路[6-8]，且VSC站內(nèi)設(shè)備需盡量緊湊以節(jié)省土地，這就導(dǎo)致了雷電可能沿著輸電線路侵入換流站內(nèi)，造成雷電侵入波危害。雷電侵入波的研究是換流站絕緣配合的重要研究方面之一。

以一個(gè)受端經(jīng)VSC改造后構(gòu)成的LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)為例，通過分析包括換流器設(shè)備、互感器、平波電抗器等站內(nèi)設(shè)備和進(jìn)線段輸電線路在內(nèi)的雷電作用下的高頻電磁暫態(tài)模型，基于電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)該VSC換流站進(jìn)行雷電侵入波研究，研究結(jié)果可作為后續(xù)改造工程或其他采用架空線結(jié)構(gòu)的柔性直流輸電工程的技術(shù)支撐。

1 改造后VSC換流站的系統(tǒng)參數(shù)

考慮到工程的經(jīng)濟(jì)性和安全性，本文所研究的混合直流輸電工程，采用雙極接線的LCC-D-MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中整流站與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)配置相同不做改變，即主要設(shè)備有：雙12脈動(dòng)換流器，換流變壓器、無功補(bǔ)償裝置和直流濾波器等[9-15]。逆變站由模塊化多電平換流器、接線形式為Y/Δ的換流變壓器、電抗器等組成。在逆變側(cè)裝設(shè)有大功率二極管閥組，可截?cái)喟l(fā)生直流故障時(shí)短路電流回路。整流站和逆變站的直流出口側(cè)，需要配置平波電抗器。換流站的電壓等級(jí)為±500 kV，單極額定功率1 500 MW，直流系統(tǒng)額定容量3 000 MW，額定直流電流3 000 A。

由于平波電抗器具有對(duì)雷電流的強(qiáng)隔離作用，穿透平波電抗器的匝間電容和并聯(lián)的避雷器的雷電流很小；另外由于改造后VSC換流站中性線安裝有二極管，因此根據(jù)極線平波電抗器和中性線二極管的位置可將改造后VSC換流站分為5個(gè)區(qū)域，分區(qū)描述列于表1。計(jì)算過程中將觀測各區(qū)域關(guān)鍵設(shè)備上雷電侵入波過電壓水平，并記錄該區(qū)域設(shè)備最高過電壓幅值，并記錄分區(qū)臨界設(shè)備極線平波電抗器和中性線二極管兩端電壓幅值。

圖1 LCC-D-MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology diagram of LCC-VSC hybrid DC system

表1 遭受雷擊的不同區(qū)域和區(qū)域內(nèi)設(shè)備名稱Table 1 Lightning strikes in various areas and names of equipment in the area

2 仿真模型的建立

2.1 計(jì)算用雷電參數(shù)

根據(jù)最新國標(biāo)GB/T 50064-2014，換流站所在區(qū)域的雷電流幅值，可以用概率曲線進(jìn)行表示：

式中:P代表大于某I(kA)的雷電流的幅值的概率。

按確定性法開展雷電作用下的反擊研究時(shí)，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程中換流站防雷可靠性規(guī)定，需選擇某一較低累積概率下的幅值。在計(jì)算中以215 kA作為產(chǎn)生反擊侵入波過電壓的雷電流，該幅值雷電流幅值概率曲線得到其出現(xiàn)概率約為0.35%，由此獲得的計(jì)算結(jié)果相對(duì)來說是偏嚴(yán)的，可以滿足工程要求。

對(duì)于避雷線失效而造成繞擊進(jìn)行研究時(shí)，關(guān)鍵是求出進(jìn)線段每基桿塔的最大繞擊電流Imax，本研究選取電氣幾何模型法(EGM)。根據(jù)EGM，幅值大于Imax的雷電流，不會(huì)擊中導(dǎo)線發(fā)生繞擊。

根據(jù)規(guī)程推薦，計(jì)算中雷電流的波形可取2.6/50 μs的雙斜角波[16-17]，如圖2所示。

圖2 雙斜角雷電流仿真波形示意圖Fig.2 Double bevel lightning current waveform

自然界中，雷擊的位置不是固定的，統(tǒng)計(jì)上來說屬于隨機(jī)變量。在進(jìn)行雷電反擊過程的研究中一般只考慮雷擊塔頂，這種過電壓最嚴(yán)重的情況，而忽略位于桿塔間檔距中央的避雷線遭受雷擊情況。雷擊檔距中央的可能性和危害性都較低，滿足設(shè)計(jì)規(guī)程要求一般不會(huì)發(fā)生，即使發(fā)生過電壓水平也比雷擊塔頂時(shí)更小得多。

同理，繞擊計(jì)算也只考慮過電壓最嚴(yán)重的情況，即發(fā)生在位于桿塔上的導(dǎo)線因屏蔽失效直接遭受雷擊的情況，由于此時(shí)導(dǎo)線和避雷線處于相對(duì)較高的位置，因此繞擊電流也是相對(duì)較大的。

對(duì)雷電的模擬，另一個(gè)重要的方面是需要考慮雷電通道的波阻抗，且雷電通道等值波阻抗非恒定值，會(huì)隨雷電流幅值增大而變小，雷電通道等值波阻抗值與雷電流的幅值之間關(guān)系如圖3所示。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算反擊侵入波過電壓時(shí)波阻抗取為300 Ω；繞擊時(shí)取為800 Ω。

圖3 不同雷電流幅值下雷電通道波阻抗的計(jì)算取值Fig.3 Calculated values of lightning channel wave impedance under different lightning current amplitudes

2.2 進(jìn)線段的模擬

直流側(cè)出線的模型準(zhǔn)確與否對(duì)雷電引起的侵入波的計(jì)算影響很大[18-22]。雷電行波沿著架空線路傳播到換流站內(nèi)就會(huì)引起雷電侵入波過電壓，影響此過電壓幅值的因素很多，進(jìn)線段的主要體現(xiàn)在以下方面：雷擊點(diǎn)距離換流站的距離(一般來說距離越近過電壓越大)、桿塔的高度的變化(桿塔越高過電壓越大)、接地阻抗的大小(接地阻抗越大過電壓越高)。工程上，對(duì)進(jìn)線段一般考慮2 km長度或6基桿塔，更遠(yuǎn)的雷擊因傳播過程的損耗等因素，對(duì)站內(nèi)過電壓影響可以忽略。

由于輸電線路的元件參數(shù)是頻率相關(guān)的，且雷電波頻率較高(20 kHz至1 MHz)，本研究中針對(duì)輸電線路采用頻變的傳輸線時(shí)域分析模型。建模中需提取導(dǎo)線和地線型號(hào)、桿塔檔距、絕緣子串長和型式、桿塔結(jié)構(gòu)和接地電阻等參數(shù)。

根據(jù)桿塔的詳細(xì)配置，反擊的受擊點(diǎn)需選在離換流站最近的6基桿塔的塔頂，繞擊則選在直接作用在桿塔的導(dǎo)線上。桿塔的模擬主要基于其自然尺寸，分成若干分布參數(shù)進(jìn)行研究。桿塔的不同位置根據(jù)其特性需選取不同的波阻抗值，按照典型參數(shù)，桿塔橫擔(dān)波阻抗取為200 Ω，塔身主結(jié)構(gòu)波阻抗取150 Ω，桿塔的接地電阻取為10 Ω。進(jìn)線段所采用的典型桿塔見圖4。

圖4 換流站出線典型桿塔圖Fig.4 Typical tower diagram of converter station outlet

2.3 換流站內(nèi)避雷器配置及主要設(shè)備的模擬

避雷器是抑制過電壓的主要措施，換流站內(nèi)也存在大量的避雷器，高壓柔性直流換流站中避雷器的基本布置原則就近原則，即交流側(cè)避雷器限制該側(cè)產(chǎn)生的過電壓來進(jìn)行保護(hù)(主要是交流母線的避雷器)，直流側(cè)避雷器(極線避雷器、換流器避雷器等)對(duì)直流側(cè)的過電壓進(jìn)行保護(hù)，站內(nèi)重要的設(shè)備應(yīng)由與該設(shè)備緊密連接的避雷器來保護(hù)。

根據(jù)該原則，結(jié)合VSC換流站中需要進(jìn)行過電壓防護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)，并參照已有VSC換流站的避雷器配置方案，確定的對(duì)稱雙極情況下的避雷器具體配置方案如圖5所示。其中，與普通柔性直流換流站不同的地方在于，增加限流二極管兩端避雷器DA，保護(hù)二極管兩端絕緣。另外，考慮到改造后VSC換流站采用架空極線送出，在極線平波電抗器兩端裝設(shè)平波電抗器避雷器DR。

圖5 換流站內(nèi)避雷器的配置方案示意圖Fig.5 Arrester configuration scheme

本方案共采用8種避雷器，對(duì)應(yīng)的避雷器保護(hù)位置及其作用如表2所列。

表2 避雷器保護(hù)位置及作用Table 2 Arrester protection positions and functions

換流站內(nèi)的主接線、設(shè)備之間的布置距離和設(shè)備參數(shù)，通過影響過電壓的折反射，也會(huì)對(duì)過電壓造成影響，該影響較為復(fù)雜。

計(jì)算中依據(jù)具體的雷擊條件，將雷電流直接施加于雷擊點(diǎn)，將換流站連同直流場設(shè)備，涵蓋內(nèi)部連線、平波電抗器、開關(guān)設(shè)備、閥廳、換流變壓器等設(shè)備作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體來建模，這樣更符合換流站的真實(shí)布置。

在快波前過電壓(雷電過電壓)的計(jì)算中，換流站內(nèi)位于直流場和閥廳內(nèi)的設(shè)備如換流變、電抗器、電流互感器、各類套管等，均采用該設(shè)備的入口電容進(jìn)行模擬等效，換流站主要設(shè)備的符號(hào)意義及入口電容值如表3所示。

表3 主要設(shè)備符號(hào)和其入口電容Table3 Main equipment abbreviation and its entrance capacitance

其中平波電抗器采用特定的雷電等值模型，模型示意圖如圖6所示。

圖6 平波電抗器模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of smooth reactor model

3 繞擊侵入波的仿真計(jì)算

混合直流中VSC換流站雷電侵入波過電壓計(jì)算時(shí)，需選取設(shè)備數(shù)量最少的單極接地極線運(yùn)行方式，此時(shí)因波形傳輸衰減等因素造成過電壓水平降低的概率較小。本混合直流系統(tǒng)的直流運(yùn)行電壓±500 kV，計(jì)算中需要考慮系統(tǒng)本身的運(yùn)行電壓對(duì)雷電侵入波過電壓的影響，即對(duì)比分析運(yùn)行電壓為+500 kV和-500 kV時(shí)換流站設(shè)備雷電侵入波過電壓水平，選取最嚴(yán)重的運(yùn)行方式。

雷電侵入波過電壓分別考慮從直流極線和接地極線兩種進(jìn)波方式。距離±500 kV換流站2 km正負(fù)極線路和接地極線路進(jìn)線段的雷電侵入波過電壓確定了直流開關(guān)場極線設(shè)備和中性母線設(shè)備的避雷器布置和雷電沖擊保護(hù)水平以及相應(yīng)的配合電流，因而直流開關(guān)場極線和中性母線設(shè)備的絕緣水平一般應(yīng)由雷電侵入波過電壓計(jì)算所確定。

針對(duì)出線的前六基桿塔，我們計(jì)算其最大繞擊電流Im，根據(jù)EGM的原理，一般跟地面傾斜程度有關(guān)。表4列出了±500 kV直流極線采用EGM計(jì)算出的1～6號(hào)桿塔對(duì)應(yīng)的最大繞擊電流，為了取整和偏嚴(yán)格，計(jì)算上實(shí)際選取的最大繞擊電流略大。當(dāng)出現(xiàn)更大的雷電流時(shí)，其只能擊在桿塔的地線或者附近的大地上，而不會(huì)發(fā)生屏蔽失效而發(fā)生導(dǎo)線的繞擊。

表4 換流站出線段各桿塔最大繞擊電流Table 4 Maximum shielding failure current of base tower in substation

計(jì)算繞擊過電壓時(shí)按表4列出的1號(hào)～6號(hào)桿塔的計(jì)算繞擊電流繞擊相應(yīng)的桿塔，單極大地回線運(yùn)行方式下，計(jì)算出的各設(shè)備上最高繞擊過電壓值如表4和表5所示。

表5 單極運(yùn)行方式下繞擊侵入波過電壓結(jié)果(一)Table 5 Results of overvoltage when shielding failure in unipolar operation mode (1)

表6 單極運(yùn)行方式下繞擊侵入波過電壓結(jié)果(二)Table 6 Results of overvoltage when shielding failure in unipolar operation mode (2)

從計(jì)算結(jié)果可以看到，直流極線繞擊時(shí)，極線入口處過電壓水平最高，可高達(dá)1 251.0 kV，波形圖如圖7所示；由于極線平抗兩端避雷器的限制，使平波電抗器兩端過電壓大幅降低，且由于平波電抗器本身的限制高頻電流作用，平抗之后設(shè)備過電壓幅值均較低；雷電繞擊接地極線時(shí)中性線區(qū)域設(shè)備過電壓波形如圖8所示，中性線區(qū)域設(shè)備最高過電壓幅值為261.9 kV。

圖7 繞擊極線1號(hào)塔極線入口過電壓波形Fig.7 Overvoltage waveform of shielding failure on pole line at 1st tower

圖8 繞擊接地極線1號(hào)塔中性線上過電壓波形Fig.8 Overvoltage waveform of shielding failure on grounded pole line at 1st tower

4 反擊侵入波的仿真計(jì)算

本研究應(yīng)用確定性法開展反擊侵入波過電壓的計(jì)算，運(yùn)行方式選為單極-大地方式。如前所述，將仿真雷電流幅值取為215 kA，雷擊施加點(diǎn)選在進(jìn)線段的1號(hào)～6號(hào)桿塔的塔頂。雷擊最近的1號(hào)塔時(shí)，因1號(hào)塔與門型塔的距離僅有200 m左右，地線上的負(fù)反射波因短時(shí)間內(nèi)發(fā)生反射現(xiàn)象，可以降低受雷擊的塔頂電壓，絕緣子串較難出現(xiàn)閃絡(luò)。因此，此時(shí)設(shè)備上承受的感應(yīng)過電壓幅值都較低，不會(huì)對(duì)絕緣造成影響。

雷擊2號(hào)～6號(hào)塔，各桿塔所產(chǎn)生的反擊過電壓并不一致，這主要是因?yàn)椋?)進(jìn)線段的每基桿塔的高度不完全相同，桿塔越高，雷電流從塔頂沿著塔身傳播至接地體，隨后因負(fù)反射回到桿塔上的時(shí)間不一樣，整個(gè)波的折反射過程隨之發(fā)生改變。那么與絕緣子串相連的塔身或橫擔(dān)上電壓也就不同，閃絡(luò)時(shí)進(jìn)入導(dǎo)線的雷電侵入波水平和波形都會(huì)有所不同；2)雷電過電壓行波在架空線的傳播過程中不可避免地會(huì)因電暈等因素的損耗，使其幅值和頻率減緩，那么侵入波的水平也隨之發(fā)生改變；3)由于換流站不止一條出線或一臺(tái)換流變，那么不同的方式下，雷電過電壓在整站內(nèi)傳播路徑會(huì)發(fā)生改變，也會(huì)直接對(duì)波的折反射過程造成影響，進(jìn)而影響到過電壓水平。

雷電侵入波會(huì)幅值會(huì)在進(jìn)線段上衰減，表7和表8列出了最嚴(yán)酷的單極運(yùn)行方式下雷電反擊極線和接地極線1～6號(hào)桿塔侵入波過電壓值。

表7 單極運(yùn)行方式下反擊侵入波過電壓結(jié)果(一)Table 7 Results of overvoltage when backflash in unipolar operation mode (1)

表8 單極運(yùn)行方式下反擊侵入波過電壓結(jié)果(二)Table 8 Results of overvoltage when backflash in unipolar operation mode (2)

從計(jì)算結(jié)果可以得到，雷擊1號(hào)桿塔上的直流極線時(shí)，絕緣子串未發(fā)生閃絡(luò)，換流站內(nèi)過電壓水平相對(duì)較低；雷擊極線2號(hào)桿塔時(shí)換流站極線區(qū)域過電壓幅值較高，極線區(qū)域設(shè)備過電壓最大為1 256.2 kV，平波電抗器后的區(qū)域設(shè)備雷電過電壓幅值大幅度較低；雷擊接地極線時(shí)中性線區(qū)域過電壓幅值較高，閥廳外中性線設(shè)備過電壓在雷擊1號(hào)桿塔時(shí)幅值最高，為425 kV。

5 結(jié) 論

1)送端LCC和受端VSC構(gòu)成的混合直流輸電，雷電可經(jīng)架空輸電線路傳播至VSC換流站，造成雷電侵入波危害；

2)計(jì)算選擇最嚴(yán)苛的單極運(yùn)行方式，在此方式下，雷電侵入波最大，在其他運(yùn)行方式下雷電侵入波會(huì)更小。計(jì)算得到極線區(qū)域設(shè)備最大雷電侵入波過電壓為1 251.0 kV，出現(xiàn)在雷電繞擊1號(hào)桿塔時(shí)，換流站極線入口區(qū)域；中性線區(qū)域最大雷電侵入波過電壓為425 kV，出現(xiàn)在雷電反擊接地極線1號(hào)桿塔時(shí)；極線平波電抗器兩端避雷器能夠很好地抑制平抗端間過電壓，而平波電抗器對(duì)雷電侵入波有一定的抑制作用，平波電抗器之后設(shè)備的雷電侵入波過電壓大幅度降低。