±1100 kV換流站直流場防雷設計研究

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(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司,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化國內已經做過很多研究[1-5]，得益于這些研究確定了設備的絕緣水平，使工程進入實質階段。然而已有的±1100 kV工程有關過電壓的研究大多針對內過電壓或雷電侵入波，對于換流站本身的直擊雷防護研究較少。

雷擊是造成電力系統故障的主要原因之一。直流換流站不同于交流變電站，主回路中很多設備都是電子設備,對雷電的耐受能力比交流系統的一次設備明顯更弱[6]。對于直擊雷的防護主要目的是防止雷電流通過直擊或繞擊直接流過電氣設備造成絕緣損壞，或者雷電流經防雷裝置流入接地網帶來地電位抬升對電氣設備造成反擊。換流站的防雷保護若采用避雷針，則小的雷電流繞開避雷針的攔截進入換流站的概率仍較大，因此對于換流站的直流開關場，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，尤其是其直流場的雷電防護而言，有很多問題亟待解決。下面首先通過對比分析目前國內外常用的防雷設計方法，確定適用于±1100 kV換流站直流場的設計方法，然后分析研究±1100 kV換流站直流場防雷設計的特殊問題；隨后提出一種具有分層結構，利用避雷線的空間位置關系實現雷電防護的方案；最后采用三維建模在工程設計中進行了實際校驗。

1 ±1100 kV換流站直流場防雷計算方法的確定

目前國內外常見的防雷設計方法主要有：經驗法[8-9]、電氣幾何模型法[8，10]、先導發展模型法[11]以及分形分析模型法[11]等。

1)經驗法。該方法是長期存在于防雷設計歷史中并且直到現在還在使用的一種方法。經驗法最初可分為固定角度法和經驗曲線法，后來總結發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經驗總結[12]，其計算結果與雷電流大小無關，無法反應雷電流的影響。

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

(1)

S=10I0.65,(Love)

(2)

(3)

S=8I0.65,(IEEE)

(4)

S=3.3I0.78,(Suzuki)

(5)

式中：I為回擊電流，A；S為擊距，m。

結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]。

根據國內換流站設計工程經驗，一般按照文獻[8]計算擊距：

S=8kI0.65

，

(6)

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

3)先導發展模型法(leader progression model,LPM)。該方法是基于雷電觀察和長間隙放電試驗的成果[14]，基本思想是在雷電先導向下發展的過程中，當地面物體的場強超過一定值時，會在地面物體產生迎面先導。隨著上、下行先導的發展，當兩者間的場強超過空氣間隙的臨界擊穿場強時，即發生雷擊。該方法物理意義清晰，具有優勢。但是由于缺少試驗和運行數據的驗證，對于先導發展模型的判據存在不同觀點[15-16]，許多計算參數也不盡相同，計算結果相差很大，工程實際中不宜使用。

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

以上方法應用于直流場的防雷設計，最直接的體現便是確定避雷線的間距。來自清華大學的團隊曾經依托±800 kV奉賢換流站工程對4種方法進行了比較[18]。表1為文獻[18]中根據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，滾球法計算出的結果較為保守，而對于較大雷電流則其計算結果與其他方法趨于一致。

采用SPSS 18.0軟件對數據進行分析處理，計量資料以（均數±標準差）表示，采用t檢驗；計數資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異具有統計學意義。

經過對不同防雷計算方法的分析，認為滾球法的防雷計算可靠性較高，且工程設計易于施行，推薦應用滾球法進行±1100 kV直流場的防雷設計。推薦滾球法的擊距計算引入系數ks，將式(6)修正為

S=8kksI0.65

(7)

系數ks取值如下：

根據以上原則，±1100 kV換流站直流場的最大允許雷電流與對應的擊距如表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計的特殊問題分析

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

1)空氣凈距與擊距的矛盾

根據±1100 kV直流場絕緣配合與空氣凈距計算的結論，±1100 kV導體對地的空氣凈距取值應為16～18 m。若±1100 kV等級導體附近存在最大允許雷擊電流為2 kA的區域，則根據表2該區域的雷電流擊距為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體交錯，兩根避雷線間可能存在高壓導體，空氣凈距的要求不允許兩根避雷線相互靠近；而為了保護下方的小雷電流區域，雷電擊距的要求又不允許兩根避雷線互相遠離。

2)小雷擊電流(≤2 kA)范圍擴大

直流場防雷設計的難點主要在小雷擊電流(≤2 kA)保護區域，該區域雷電流擊距小，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±800 kV換流站小雷電流保護區域。

圖1 ±800 kV直流場小雷電流保護區

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

如圖2所示，±1100 kV直流場的小雷電流保護區域(表2中2 kA區域)擴大為深色區域。無論橫向還是縱向，該區域都有很大程度的延展，且部分區域距離±1100 kV極線出線很近，該區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區域

3)直流場空間受限

±1100 kV直流場的空氣凈距(戶內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，在科研與設計過程中節省投資、節約用地是優化重點。±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置。

4)“危險剖面”難以確定

通常多根避雷線會被用來保護同一個區域，若這些避雷線組成一個平面上的規則圖形(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直流場的防雷設計中，為了克服所提的種種困難，在多根避雷線的協同保護設計過程中，可能會考慮將多根避雷線設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，是難以通過解析或是作圖的方式確定“危險剖面”的，防雷設計的校驗需要尋找新的方法。

3 ±1100 kV換流站直流場防雷設計方案的提出

針對±1100 kV換流站直流場防雷設計的特殊性，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體聯合防雷的方案。

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

圖3 ±1100 kV極線出線區域布置

如圖3可知，上面所提的幾個問題在此區域都很突出。首先，從空間上分析，該區域布置設備較多，且電壓等級跨度較大，從±1100 kV、±550 kV到中性線電壓等級，再加上較為復雜的濾波器低壓部分均在此區域交織，使得該區域難以設置避雷線塔。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。因為±1100 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16 m，因此避雷線只能從被保護區域外側繞。

如圖4所示，在h=23 m層增設避雷線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2 kA的雷擊(對應擊距12.55 m)。由于避雷線無法再進一步靠近被保護設備(550 kV管母線)，因此將耐受雷電雷擊水平更高的導體(極線出線、極線引下線)考慮成保護導體。

圖4 ±1100 kV極線出線區域的避雷線設置

如圖5所示，將極線及其引下線也納入防雷保護導體。

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線共同保護了下方2 kA的防雷區域。對于濾波器等低壓設備(最大允許雷電流為5 kA)同樣可以利用極線出線進行保護。而極線出線本身由其上方65 m高的避雷線保護。

圖6 防雷方案的分層結構

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線(導線與避雷線)的特性，徹底地發揮了滾球法的效用，最終提出了一種具有分層結構的防雷方案。

4 ±1100 kV換流站直流場防雷設計方案的校驗

對所提方案進行校驗計算時，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現。因此建立了設備與導體的比例三維模型，見圖7。

圖7 防雷方案的三維校驗

如圖7所示，在三維模型中，首先確定做出參與聯合保護的多根導體為中心，以擊距為半徑的“管道”，多根管道在空間中的交點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范圍。這對工程設計實踐有重大幫助。

5 結 語

從解決±1100 kV換流站直流場的防雷問題出發，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行工程設計，并指出滾球法的擊距系數應隨著雷擊電流的增大而減小，同時提出了擊距系數的推薦取值。

分析了±1100 kV換流站直流場的防雷設計特殊性主要體現在以下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)小雷電流保護區域范圍擴大；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的導體聯合保護，構建一種具有層次結構的防雷方案，并在工程設計中推薦采用三維建模進行校驗。

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