三端柔性直流輸電系統雷電侵入波過電壓

厲天威，劉大鵬，雷園園，趙宇明，項陽，黎小林

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

0 引言

換流站是直流輸電系統最重要的組成部分，其雷害來源有2個方面:(1)直擊雷;(2)雷電侵入。因為雷擊線路的幾率遠比雷直擊換流站大，所以沿線路侵入換流站的雷電侵入過電壓行波是對換流站電氣設備構成威脅的主要來源［1-8］。南澳柔性直流輸電工程為三端±160 kV直流輸電系統，送端南澳島包括青澳換流站和金牛換流站，采用風電場接入，受端汕頭通過塑城換流站送出。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。

塑城換流站的直流進線段為電纜，且架空線路距離約為16 km，雷電侵入波對換流站內設備影響很小，可以忽略不計，但金牛換流站至塑城換流站的架空線路遭雷擊時雷電侵入波對兩邊與之相連的電纜會產生雷電過電壓;青澳換流站和金牛換流站間架空線路遭受雷擊后，雷電侵入波會對換流站設備造成雷電應力。由于交流側避雷器和變壓器等設備的阻尼作用，雷電過電壓不太嚴重，不進行相關計算。

本文采用PSCAD/EMTDC軟件，將直流架空輸電線路，包括桿塔、導地線、電纜和絕緣子等，連同換流站直流場和T接開關場設備，包括直流電抗器、隔離開關和接地開關、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行建模。仿真計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備和電纜受到的雷電過電壓，據此校核青澳換流站、金牛換流站設備和電纜雷電絕緣水平。

1 計算條件

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電壓計算分繞擊和反擊2種雷擊方式，分別以換流站附近進線段作為研究對象。當雷電繞擊導線時，繞擊點距離桿塔越近，在桿塔絕緣子兩端產生的過電壓幅值越大。當雷電反擊桿塔時，由于雷電波在地線上的折反射抵消作用，因此反擊過電壓在雷擊于第2～3基桿塔時最大。

雷電流模型采用2.6/50 μs的雙指數波進行模擬，雙指數波模擬雷電流為

式中:η為波形系數;Im為雷電流幅值;T1和T2分別為波頭時間常數和波尾時間常數。為計算設備最大過電壓值，反擊電流取為170 kA，對應雷電概率為1.17%。最大繞擊雷電流幅值根據電氣幾何模型法計算得到。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，而線路的參數隨頻率變化，不同頻率的諧波分量在線路中傳播時的衰減和畸變各不相同，因此本文傳輸線采用頻率相關模型。對換流站直流側進線段的前6號桿塔和線路分別建模，考慮桿塔結構、導地線型號、檔距和接地電阻等參數。耐張塔空氣間隙取3.3 m，直線塔空氣間隙長度為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構如圖2所示。桿塔塔身波阻抗取150 Ω，橫擔波阻抗取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。架空線路總長為8.1 km，雷擊架空線路產生的雷電侵入波會在與之相連的陸纜和海纜上產生過電壓，檔距見表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

根據青澳站和金牛站的線路參數，采用電氣幾何模型法計算得到近換流站段各基桿塔的最大繞擊電流值見表3。由于各桿塔保護角較小，因此繞擊電流值相對較小。

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 空氣間隙閃絡模型

雷電放電過程是沿最小空氣間隙對桿塔放電，絕緣閃絡判據采用相交法［10］，空氣間隙上過電壓較高時，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。空氣間隙伏秒特性曲線參考IEEE［11］，用空氣間隙長度函數來描述空氣間隙的伏秒特性，即

式中:L為空氣間隙長度，m;t為雷擊開始到閃絡所經歷的時間，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。由于負極性雷空氣間隙閃絡電壓比正極性高，仿真計算時，空氣間隙負極性放電電壓近似取正極性放電電壓的1.13倍［12］。

2.3 換流站電氣設備等效模型

青澳換流站和金牛換流站換流閥相對遠離進線，受極母線各設備的屏蔽作用影響較小，采用多個電容串聯等效。D型和SR型避雷器均采用分段線性函數模擬，D型參考電壓取為198 kV，SR型參考電壓取為165 kV。考慮到雷電侵入波等值頻率高、傳播速度快的特點，換流站設備如套管PB、隔離開關DS、接地開關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，由分布參數線路相隔。各設備等值入口電容見表4。

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

在研究雷電沖擊波對母線及其聯接線的作用時，導線一般應按分布參數考慮，對于各個設備間的電氣線路采用貝杰龍模型模擬，其長度為相鄰設備間的電氣距離，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電壓計算

青澳換流站直流場設備布置圖如圖3所示。根據青澳換流站各段母線的長度和設備布置位置，建立換流站設備的高頻等效模型，進行輸電線路雷電反擊與繞擊過電壓計算分析。桿塔1～6號最大繞擊雷電流值見表3，反擊雷電流采用170 kA。通過仿真計算，青澳站設備在雷電繞擊、反擊和不同雷擊點情況下的最大值，見表5。

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

表5 青澳站極線設備過電壓Tab.5 Overvoltage of pole equipment in Qing'ao stationkV

雷電過電壓計算考慮到正負極性雷電流、繞擊和反擊、各基桿塔遭受雷擊等多種工況。其中，負極性雷繞擊4號塔和正極性雷反擊3號塔時負極母線設備過電壓分別如圖4和圖5所示。

圖4 雷電反擊3號塔過電壓Fig.4 Overvoltage of lightning counterattack at 3rdtower

圖5 雷電繞擊4號塔過電壓Fig.5 Overvoltage of lightning shielding failure at 4thtower

4 金牛站雷電侵入波過電壓計算

金牛換流站直流場主接線圖和T接開關場接線圖(T接開關場至金牛換流站電纜tCab長55 m)如圖6和圖7所示。

金牛站正負極母線設備雷電過電壓計算考慮到正負極性雷電流、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號塔和反擊5號塔時正極母線設備過電壓分別如圖8和圖9所示。

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

圖7 金牛站T接開關場接線圖Fig.7 Connection diagram of T type switch yard in Jinniu station

圖8 雷電繞擊1號塔過電壓Fig.8 Overvoltage of lightning shielding failure at 1sttower

圖9 雷電反擊5號塔過電壓Fig.9 Overvoltage of lightning counterattack at 5thtower

金牛站正負極母線設備在雷電繞擊和反擊直流輸電線路各基桿塔時過電壓見表6。電抗器距離D1型避雷器較遠，過電壓最大值出現在反擊發生后直流電抗器處，為323 kV，同時由于電抗器的阻波作用，且距離相對較遠，因此換流站靠近換流閥的相關設備如GS、CT、PT和DS的過電壓值相對較低，最小值為226 kV。

表6 金牛站極母線設備過電壓Tab.6 Overvoltage of pole bus equipment in Jinniu stationkV

5 T接開關場及電纜過電壓計算

當青澳站單獨送電時(即圖7中雙極tDS3開路)，由于沒有金牛站直流場分流作用，T接開關場設備所受應力較三端直流運行時大。青澳站正負極母線設備雷電過電壓計算考慮到正負極性雷電流、繞擊和反擊、各基桿塔遭受雷擊等多種工況。其中，負極性雷繞擊4號塔和正極性雷反擊5號塔時T接開關場各設備過電壓分別如圖10和圖11所示。

圖10 雷電繞擊4號塔過電壓Fig.10 Overvoltage of lightning shielding failure at 4thtower

圖11 雷電反擊5號塔過電壓Fig.11 Overvoltage of lightning counterattack at 5thtower

通過對各種繞擊和反擊工況的計算，T接開關場各設備所受最大應力見表7，其中sCab和lCab分別對應金牛至塑城換流站輸電線路的海纜和陸纜。

表7 T接開關場設備過電壓Tab.7 Equipment overvoltage in T type switch yard kV

通過對金牛至塑城換流站之間的8.1 km架空線路兩端各6基桿塔進行雷電反擊和繞擊計算，分析與架空線路相連的陸纜和海纜的過電壓。陸地共6.5 km，將電纜1.3 km分段后接地，每個分段處采用直接接地的方式，接地電阻為10 Ω。海纜長約為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。海纜和陸纜過電壓情況如表8所示。

表8 電纜對地最大過電壓Tab.8 Maximum overvoltage of cable to ground kV

6 換流站各設備雷電絕緣水平

根據各換流站雷電侵入波過電壓結果，對3個換流站統一提出雷電絕緣水平，直流場極母線設備、T接開關場設備和電纜過電壓及絕緣水平見表9。

表9 設備過電壓和絕緣水平Tab.9 Equipment’s overvoltage and insulation level

對比上述結果可知，隔離開關最大電壓值出現在T接開關場金牛站側，不受避雷器直接保護，滿足1.05裕度要求。因此，在三端系統正常運行時，各設備絕緣裕度滿足雷電耐受電壓要求。

7 結論

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

(2)金牛站在正常運行時，架空線路遭雷擊時，極母線設備上雷電侵入過電壓的幅值在400 kV以下，最大值出現在直流電抗器處，其最大值為323 kV，滿足絕緣裕度要求。由于T接開關場分流作用，金牛站內設備雷電過電壓比青澳站稍低。

(3)青澳站單獨送電時，沒有金牛至塑城輸電線路的分流作用，T接開關場各設備的過電壓相對較大。其中進線套管的過電壓值達到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。靠近金牛側隔離開關的過電壓值達到505 kV，絕緣裕度為9%，該設備不受避雷器直接保護，滿足1.05絕緣裕度要求。

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

［1］Marti J.R.Accuarte modelling of frequency-dependent transmission lines in electromagnetic transient simulations［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1982，PAS-101(1):147-157.

［2］韓永霞，盧毓欣，陳輝祥，等.±800 kV換流站的雷電侵入波過電壓仿真分析［J］.高電壓技術，2010，36(1):218-223.

［3］李立涅，司馬文霞，楊慶，等.云廣±800 kV特高壓直流輸電線路耐雷性能的研究［J］.電網技術.2007，31(8):1-5.

［4］袁兆祥，李琥，項玲.桿塔模型對特高壓變電站反擊波過電壓的影響［J］.高電壓技術，2008，34(5):867-872.

［5］張永記，司馬文霞，張志勁.防雷分析中桿塔模型的研究現狀［J］.高電壓技術，2006，32(7):93-97.

［6］Hara T，Yamamoto O.Modelling of a transmission tower for lightning-surge analysis［J］.IEE Proceedings Generation，Transmission and Distribution，1996，143(3):283-289.

［7］楊慶，趙杰，司馬文霞，等.云廣特高壓直流輸電線路反擊耐雷性能［J］.高電壓技術，2008，34(7):1330-1335.

［8］谷定燮.我國500 kV輸變電工程過電壓設計方面存在的問題和改進措施［J］.電力建設，2002，23(7):26-30.

［9］DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］.

［10］周東平，黃煒綱.對線路防雷計算中絕緣閃絡判據的研討［J］.中國電力，1999，32(11):59-63.

［11］IEEE Std 1234—1997.IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines［R］.

［12］中國南方電網公司.±800 kV直流輸電技術研究［M］.北京:中國電力出版社，2006.