±800kV换流站直流场雷电侵入波过电压的仿真

摘 要

换流站中主要设备受到雷害，将造成大面积停电，因此对换流站进行雷电过电压研究是十分必要的。采用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对雷击进线段引起的站内过电压水平进行计算分析，计算结果为±800kV换流站直流场的防雷设计和运行提供了参考。

【关键词】PSCAD/EMTDC 雷电过电压 换流站

±800kV换流站，设备多，且绝缘成本高，因此研究±800kV换流站雷电侵入波过电压的计算分析具有现实的意义。本文以某±800kV换流站为例，雷电流波形取标准斜角波，运用PSCAD/EMTDC计算程序对其分析研究。将换流站和进线段同时纳入考虑，分别对进线端、绝缘子串、杆塔进行了模拟。

1 模型的建立

1.1 设备等值参数

换流站包含众多设备如隔离开关，互感器等，在雷电波作用下，可等值成冲击入口电容，这些设备由分布参数线路相隔。本文根据IEC60071-4标准给出了各直流设备在等值处理时的等效电容数值，换流变为5000pF，断路器为300pF，隔离开关是300pF，电压互感器是5000pF，穿墙套管300pF。所有设备均由无损耗均匀传输线来连接，波阻抗取300Ω，波速取 300m/μs。

1.2 带阻尼电感的多波阻抗模型

直流输电工程的运行方式、接线方式多种多样。本文中极线和接地极线侵入波过电压计算采用单极大地回线方式，金属回线侵入波过电压计算采用单极金属回线方式。雷电流波形选取标准波形，即2.6/50μs的斜角波。反击时雷电通道波阻抗取300Ω；绕击时雷电通道波阻抗取800Ω。由运行经验已知雷击塔顶时雷电过电压最为严重，因此在反击计算时采用雷击杆塔塔顶的方式，而不采用雷击档距中央避雷线的方式。因接地阻抗与杆塔自身电阻的存在，雷击杆塔塔顶时，导致绝缘子串反击闪络。杆塔模型采用带阻尼电感的多波阻抗模型，采取杆塔接地阻抗15Ω，塔身主支架取150Ω。

1.3 绝缘子串闪络判据

侵入波换流站过电压的幅值也由绝缘子闪络判据影响，本文采用伏秒特性结合U50%法作为绝缘子串的闪络判据，用以计算反击侵入波的过电压。当绝缘子串两端承受电压大于U50%时，发生闪络。

2 过电压计算

当下我国相关标准也由于雷电流的复杂性，并未对雷电流幅值作出明确的规定。根据运行经验，仿真中采用17kA作为直流线路极线和金属回线反击侵入波过电压计算中的雷电流幅值。对于雷击点的选取，在雷电侵入波过电压的研究时，远区落雷而言，传播过程中的衰减及波头的减缓，对于换流站内的设备造成的侵入波过电压较低。而近区雷击时，由于雷击点距离近，进线段的减缓作用很小，来波陡度大，如未正确防雷，对站内电气设备造成极为严重的危害。根据运行经验：变电站全部雷害事故的 30%发生于 300 米以内，48%发生于 1000米之内。根据国际大电网会议（CIGRE）的参考数据，本文参考起始于站外紧靠门型塔的耐张塔算起6 座杆塔分别遭受雷击时的过电压情况，只考虑雷击杆塔塔顶的情况。

本文通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真计算程序对换流站不同运行方式进行了大量的数据分析。

2.1 极性绕击侵入波过电压计算

极性极性绕击侵入波设备过电压，在击2号杆塔时，分别是：PS上1326Kv， PLC上1417Kv，DIV上1410kV。击6号杆塔时，分别是：PS上1300Kv，PLC上1400Kv，DIV上1404kV。极性绕击侵入波避雷器电流，在击2号杆塔时，分别是：D上5.5kA， Fdc1上9.8kA，Fdc2上6.4kA。在击2号杆塔时，分别是：D上3.25kA，Fdc1上8.9kA，Fdc2上6.23kA。

仿真表明，流过站内避雷器的最大电流小于标称电流，各设备的过电压也在安全范围内，极性绕击雷电侵入波过电压对换流站直流侧设备不构成威胁，均满足工程要求。

2.2 金属回线绕击侵入波过电压计算

见表1。

影响换流站雷电侵入波特性的因素很多且状况复杂多变，本文将换流站与进线段综合进行分析，区分远区落雷与近区落雷，则将雷击2#杆塔的近区雷与雷击6#杆塔的远区雷等因素综合考虑，更具有实际研究价值。经过电磁暂态仿真计算程序PSCAD/EMTDC的仿真数据显示，近区雷，也即换流站入口处的文中2#杆塔位置，雷电侵入波在电气设备上产生的过电压幅值较高，为换流站的防雷设计提供了参考。

综上，极性雷电侵入波过电压、金属回线绕击侵入波过电压均在绝缘裕度的运行范围内。

3 结论

通过选择伏秒特性结合U50%法作为绝缘子串的闪络判据，多阻尼杆塔模型等，建立了换流站直流侧雷电侵入波的仿真模型。在仿真的背景下，得出了直流电气设备可能承受的最大过电压，结果显示：本文采用伏秒特性结合U50%法作为绝缘子串的闪络判据，多阻尼杆塔模型。对换流站的雷电侵入波准确计算仍需深入研究不同绝缘子闪络判据、杆塔模型对结果的影响因素。且通过计算发现，近区落雷设备的过电压还是较高，且文中使用的雷电流较为保守17kA，实际落雷情况复杂多变，雷击区域越靠近换流站入口设备绝缘裕度较小。换流站直流侧的绕击侵入波过电压对直流场各设备造成的影响均在允许的范围内，可安全运行。

参考文献

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

作者单位

西华大学 四川省成都市 610039