±500 kV混合直流受端VSC換流站的雷電侵入波過電壓研究

王 磊，萬 磊，殷幼軍，周 姣

(1.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074；2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢 430071)

0 引言

隨著電力電子器件的進步，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)的固有缺點如不靈活、較容易發(fā)生換相失敗，可以通過對受端換流站進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)運行特性，有助于解決長期困擾工程的直流落點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用發(fā)展價值。

對于已有工程的逆變側(cè)LCC換流站改造為VSC換流站，會沿用已有的架空輸電線路[6-8]，且VSC站內(nèi)設備需盡量緊湊以節(jié)省土地，這就導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備、互感器、平波電抗器等站內(nèi)設備和進線段輸電線路在內(nèi)的雷電作用下的高頻電磁暫態(tài)模型，基于電磁暫態(tài)仿真軟件對該VSC換流站進行雷電侵入波研究，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拓撲結(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，即主要設備有：雙12脈動換流器，換流變壓器、無功補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)裝設有大功率二極管閥組，可截斷發(fā)生直流故障時短路電流回路。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雷電流的強隔離作用，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個區(qū)域，分區(qū)描述列于表1。計算過程中將觀測各區(qū)域關鍵設備上雷電侵入波過電壓水平，并記錄該區(qū)域設備最高過電壓幅值，并記錄分區(qū)臨界設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拓撲結(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 計算用雷電參數(shù)

根據(jù)最新國標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，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%，由此獲得的計算結(jié)果相對來說是偏嚴的，可以滿足工程要求。

對于避雷線失效而造成繞擊進行研究時，關鍵是求出進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，不會擊中導線發(fā)生繞擊。

根據(jù)規(guī)程推薦，計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)計上來說屬于隨機變量。在進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，滿足設計規(guī)程要求一般不會發(fā)生，即使發(fā)生過電壓水平也比雷擊塔頂時更小得多。

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

對雷電的模擬，另一個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系如圖3所示。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，計算反擊侵入波過電壓時波阻抗取為300 Ω；繞擊時取為800 Ω。

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

2.2 進線段的模擬

直流側(cè)出線的模型準確與否對雷電引起的侵入波的計算影響很大[18-22]。雷電行波沿著架空線路傳播到換流站內(nèi)就會引起雷電侵入波過電壓，影響此過電壓幅值的因素很多，進線段的主要體現(xiàn)在以下方面：雷擊點距離換流站的距離(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，對進線段一般考慮2 km長度或6基桿塔，更遠的雷擊因傳播過程的損耗等因素，對站內(nèi)過電壓影響可以忽略。

由于輸電線路的元件參數(shù)是頻率相關的，且雷電波頻率較高(20 kHz至1 MHz)，本研究中針對輸電線路采用頻變的傳輸線時域分析模型。建模中需提取導線和地線型號、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)桿塔的詳細配置，反擊的受擊點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)生的過電壓來進行保護(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)對直流側(cè)的過電壓進行保護，站內(nèi)重要的設備應由與該設備緊密連接的避雷器來保護。

根據(jù)該原則，結(jié)合VSC換流站中需要進行過電壓防護的關鍵點，并參照已有VSC換流站的避雷器配置方案，確定的對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，對應的避雷器保護位置及其作用如表2所列。

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

換流站內(nèi)的主接線、設備之間的布置距離和設備參數(shù)，通過影響過電壓的折反射，也會對過電壓造成影響，該影響較為復雜。

計算中依據(jù)具體的雷擊條件，將雷電流直接施加于雷擊點，將換流站連同直流場設備，涵蓋內(nèi)部連線、平波電抗器、開關設備、閥廳、換流變壓器等設備作為一個網(wǎng)絡整體來建模，這樣更符合換流站的真實布置。

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

表3 主要設備符號和其入口電容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算

混合直流中VSC換流站雷電侵入波過電壓計算時，需選取設備數(shù)量最少的單極接地極線運行方式，此時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)的直流運行電壓±500 kV，計算中需要考慮系統(tǒng)本身的運行電壓對雷電侵入波過電壓的影響，即對比分析運行電壓為+500 kV和-500 kV時換流站設備雷電侵入波過電壓水平，選取最嚴重的運行方式。

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波方式。距離±500 kV換流站2 km正負極線路和接地極線路進線段的雷電侵入波過電壓確定了直流開關場極線設備和中性母線設備的避雷器布置和雷電沖擊保護水平以及相應的配合電流，因而直流開關場極線和中性母線設備的絕緣水平一般應由雷電侵入波過電壓計算所確定。

針對出線的前六基桿塔，我們計算其最大繞擊電流Im，根據(jù)EGM的原理，一般跟地面傾斜程度有關。表4列出了±500 kV直流極線采用EGM計算出的1～6號桿塔對應的最大繞擊電流，為了取整和偏嚴格，計算上實際選取的最大繞擊電流略大。當出現(xiàn)更大的雷電流時，其只能擊在桿塔的地線或者附近的大地上，而不會發(fā)生屏蔽失效而發(fā)生導線的繞擊。

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

計算繞擊過電壓時按表4列出的1號～6號桿塔的計算繞擊電流繞擊相應的桿塔，單極大地回線運行方式下，計算出的各設備上最高繞擊過電壓值如表4和表5所示。

表5 單極運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)

從計算結(jié)果可以看到，直流極線繞擊時，極線入口處過電壓水平最高，可高達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，平抗之后設備過電壓幅值均較低；雷電繞擊接地極線時中性線區(qū)域設備過電壓波形如圖8所示，中性線區(qū)域設備最高過電壓幅值為261.9 kV。

圖7 繞擊極線1號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算

本研究應用確定性法開展反擊侵入波過電壓的計算，運行方式選為單極-大地方式。如前所述，將仿真雷電流幅值取為215 kA，雷擊施加點選在進線段的1號～6號桿塔的塔頂。雷擊最近的1號塔時，因1號塔與門型塔的距離僅有200 m左右，地線上的負反射波因短時間內(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。因此，此時設備上承受的感應過電壓幅值都較低，不會對絕緣造成影響。

雷擊2號～6號塔，各桿塔所產(chǎn)生的反擊過電壓并不一致，這主要是因為：1)進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，隨后因負反射回到桿塔上的時間不一樣，整個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上電壓也就不同，閃絡時進入導線的雷電侵入波水平和波形都會有所不同；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)傳播路徑會發(fā)生改變，也會直接對波的折反射過程造成影響，進而影響到過電壓水平。

雷電侵入波會幅值會在進線段上衰減，表7和表8列出了最嚴酷的單極運行方式下雷電反擊極線和接地極線1～6號桿塔侵入波過電壓值。

表7 單極運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)

從計算結(jié)果可以得到，雷擊1號桿塔上的直流極線時，絕緣子串未發(fā)生閃絡，換流站內(nèi)過電壓水平相對較低；雷擊極線2號桿塔時換流站極線區(qū)域過電壓幅值較高，極線區(qū)域設備過電壓最大為1 256.2 kV，平波電抗器后的區(qū)域設備雷電過電壓幅值大幅度較低；雷擊接地極線時中性線區(qū)域過電壓幅值較高，閥廳外中性線設備過電壓在雷擊1號桿塔時幅值最高，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)計算選擇最嚴苛的單極運行方式，在此方式下，雷電侵入波最大，在其他運行方式下雷電侵入波會更小。計算得到極線區(qū)域設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號桿塔時，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號桿塔時；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，而平波電抗器對雷電侵入波有一定的抑制作用，平波電抗器之后設備的雷電侵入波過電壓大幅度降低。