雷擊情況下分布式潮流控制器的暫態(tài)特性分析

宋金根，周路遙，李時(shí)泰，孟祥瑞，邵先軍，盧鐵兵

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3. 華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

隨著輸電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)線路潮流大小和方向的實(shí)時(shí)控制越來(lái)越重要，穩(wěn)定、可靠、靈活的潮流控制器是柔性交流輸電的重要組成［1-2］。統(tǒng)一潮流控制器通過(guò)串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)兩個(gè)變流器產(chǎn)生可控的基波電壓，從而達(dá)到改變線路潮流的目的［3］。2007年，Divan采用分布式靜止串聯(lián)補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)了潮流控制［4］。隨后，Zhihui Yuan 等人進(jìn)一步提出了DPFC（分布式潮流控制器）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并闡述了其工作原理［5-6］。DPFC 的串聯(lián)側(cè)變流器采用分散布置的思路，可以更加有效地調(diào)控潮流［7-11］，具有小型化、加裝靈活等優(yōu)點(diǎn)［5-6］。眾多研究者從可靠性、潮流控制改進(jìn)策略和降低成本等方面對(duì)DPFC 進(jìn)行研究，并取得了諸多研究成果［12-22］。

輸電線路運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)雷擊線路或者避雷線的情況［23-25］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷害占高壓輸電線路故障的40%～70%。雷擊輸電線路時(shí)，DPFC 可能出現(xiàn)過(guò)電壓和過(guò)電流，從而危害DPFC 和輸電線路的正常運(yùn)行，因此需要分析雷擊時(shí)DPFC 的電磁暫態(tài)特性。目前，針對(duì)高壓輸電線路雷擊故障已開(kāi)展了大量仿真和分析工作。文獻(xiàn)［26］進(jìn)行了雷擊特高壓線路的小步長(zhǎng)仿真，分析了發(fā)生非故障性繞擊、故障性繞擊以及反擊時(shí)保護(hù)安裝位置的電壓、電流暫態(tài)過(guò)程。文獻(xiàn)［27-28］綜合架空線以及桿塔上的雷擊暫態(tài)過(guò)程，分析了特高壓輸電線路的耐雷特性。目前，對(duì)于雷擊情況下DPFC電磁暫態(tài)方面的研究仍然較少。

本文在介紹DPFC結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，分別搭建了雷電流模型、桿塔模型、絕緣子閃絡(luò)判據(jù)模型和DPFC 子模塊模型，并在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD中搭建了DPFC集中布置于變電站和分散布置于輸電線路時(shí)的雷電電磁暫態(tài)仿真模型。仿真分析了雷電反擊避雷線與繞擊輸電線路兩種狀況下DPFC 的電磁暫態(tài)特性，并對(duì)DPFC分散布置于輸電線路時(shí)不同DPFC 子模塊上的雷電過(guò)電壓、過(guò)電流進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 雷擊暫態(tài)仿真模型的建立

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，直擊雷是導(dǎo)致高壓輸電線路跳閘的主要原因。直擊雷導(dǎo)致的線路閃絡(luò)分為繞擊和反擊兩類。雷擊桿塔或避雷線時(shí)發(fā)生的線路閃絡(luò)稱為反擊，此時(shí)雷電流沿桿塔和避雷線流入大地，桿塔和避雷線的波阻抗及接地電阻使得塔頂電位驟升，當(dāng)絕緣子串兩端電壓差超出其耐受電壓時(shí)，線路發(fā)生閃絡(luò)。雷電流繞過(guò)避雷線直接擊中相線導(dǎo)線并產(chǎn)生雷電過(guò)電壓時(shí)稱為繞擊。以DPFC 子模塊分散布置為例，反擊和繞擊情況如圖1所示。

圖1 安裝DPFC的輸電線路雷電反擊與繞擊示意圖Fig.1 Schematic diagram of back strike and circling strike on the transmission line with DPFC installed

雷擊DPFC 輸電系統(tǒng)的仿真中幾個(gè)重要環(huán)節(jié)分別是DPFC 子模塊模型、雷電流模型、桿塔模型和絕緣子閃絡(luò)判據(jù)模型，下面分別對(duì)它們進(jìn)行建模與分析。

1.1 DPFC子模塊模型

DPFC串聯(lián)子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由直流側(cè)電容、換流器、串聯(lián)電感、高速機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)、反并聯(lián)晶閘管和避雷器等元件組成。

圖2 DPFC串聯(lián)子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Topology of DPFC cascaded submodules

當(dāng)DPFC 子模塊投入運(yùn)行時(shí)，該模塊通過(guò)調(diào)控變流器的輸入信號(hào)控制晶閘管的通斷，將直流電容的直流電壓逆變?yōu)榉岛拖嘟蔷煽氐幕妷?，并通過(guò)端口串聯(lián)接到外部電路上，在多個(gè)子模塊的共同作用下，可有效控制系統(tǒng)潮流。DPFC 子模塊通過(guò)改變線路阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路潮流的控制。DPFC 子模塊補(bǔ)償呈容性時(shí)可以提升線路潮流，呈感性時(shí)可以降低線路潮流［29］。

1.2 雷電流模型

研究表明，可以采用可控電流源與雷電流波阻抗并聯(lián)的方式來(lái)等效雷電流，在工程中雷電流的等效形式主要有雙指數(shù)函數(shù)波形、斜角波形。本文仿真計(jì)算采用的是雙指數(shù)函數(shù)波形，其表達(dá)式為：式中：A為與雙指數(shù)波幅值相關(guān)的系數(shù)；IL為雷電流幅值；α為與平峰值時(shí)間相關(guān)的時(shí)間常數(shù)；β為與波前時(shí)間相關(guān)的時(shí)間常數(shù)；t為時(shí)間。

該仿真模型的各個(gè)參數(shù)值分別為AIL=100，α=20 000，β=1 666 666.6。

在雷擊線路仿真中，雷電流的波阻抗取值300 Ω。在仿真平臺(tái)中進(jìn)行仿真建模，得到的雷電流波形如圖3所示。

圖3 雷電流波形Fig.3 Waveform of lightning current

1.3 桿塔模型

在雷擊桿塔過(guò)程中，桿塔頂部的電位升高使得絕緣子串兩端的電壓大于閃絡(luò)臨界電壓而發(fā)生閃絡(luò)。線路桿塔的等效阻抗對(duì)雷擊暫態(tài)仿真計(jì)算有重要影響。在仿真研究中，桿塔可采用集中電感模型和波阻抗模型，其中波阻抗模型又分為單一波阻抗模型和多波阻抗模型。由于雷電波從塔的頂部傳播到塔基是需要時(shí)間的，故波阻抗模型優(yōu)越于集中電感模型，而多波阻抗模型精度高于單一波阻抗模型。

本文在暫態(tài)仿真中采用多波阻抗模型對(duì)桿塔進(jìn)行模擬。仿真中采用220 kV ZB1 酒杯型桿塔，結(jié)合桿塔的實(shí)際尺寸，得到相應(yīng)的等效模型如圖4所示。采用多波阻抗模型把桿塔波阻抗分為支柱波阻抗、支架波阻抗和橫擔(dān)波阻抗，支柱波阻抗計(jì)算值如表1所示。

表1 不同位置的波阻抗計(jì)算值Table 1 Calculated results of wave impedance at different positions Ω

圖4 ZB1酒杯型桿塔等效模型Fig.4 Equivalent model of cup-type tower ZB1

在對(duì)桿塔進(jìn)行建模時(shí)，采用傳輸線的Bergeron模型代替每一段支柱、支架及橫擔(dān)的波阻抗。接地電阻Rg一般小于30 Ω，本文中取值為10 Ω。

1.4 絕緣子閃絡(luò)模型

若絕緣子串兩端電壓的峰值超過(guò)絕緣子串的50%放電電壓時(shí)絕緣子串閃絡(luò)，判定為閃絡(luò)發(fā)生。絕緣子串的50%放電電壓經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：U50%為絕緣子串50%放電電壓；Lx為絕緣子串長(zhǎng)度。

通過(guò)絕緣子串等值電容與斷路器并聯(lián)構(gòu)建絕緣子串閃絡(luò)模型，如圖5所示。滿足絕緣子閃絡(luò)判據(jù)時(shí)，即絕緣子兩端電壓的瞬時(shí)值大于絕緣子串的50%放電電壓時(shí)控制斷路器導(dǎo)通，等效電容被短路，雷電流源與輸電線產(chǎn)生通路，發(fā)生閃絡(luò)；不滿足絕緣子閃絡(luò)判據(jù)時(shí)，桿塔與傳輸線之間通過(guò)等效電容連接，斷路器不導(dǎo)通。

圖5 絕緣子串閃絡(luò)模型Fig.5 Model of insulator string flashover

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 DPFC集中布置時(shí)的雷擊過(guò)電壓

DPFC子模塊集中布置下的輸電系統(tǒng)如圖6所示。在該系統(tǒng)中，三段相同的并聯(lián)架空輸電線路連接了兩端的變電站，其中兩段線路的一端集中布置了DPFC子模塊。

圖6 DPFC子模塊集中布置下的系統(tǒng)模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of the system model with centralized arrangement of DPFC sub-modules

2.1.1 雷電反擊避雷線

在輸電線路一端變電站中每相集中布置有9個(gè)DPFC 子模塊，仿真過(guò)程中DPFC 處于閉鎖狀態(tài)。設(shè)置雷擊發(fā)生在仿真開(kāi)始后50 ms，雷擊位置為變電站出口處的避雷線。雷電反擊后DPFC 對(duì)地電壓變化過(guò)程如圖7（a）所示，可以看出：在雷擊過(guò)后，線路中產(chǎn)生了較大的瞬時(shí)過(guò)電壓并立即衰減，其中DPFC 最大過(guò)電壓為464.5 kV；三相輸電線路在雷電反擊后過(guò)電壓明顯，過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間短。雷擊發(fā)生后流經(jīng)DPFC 的電流變化過(guò)程如圖7（b）所示，可以看出，在雷擊過(guò)后，線路中產(chǎn)生明顯的過(guò)電流并隨時(shí)間逐漸衰減，過(guò)電流最大值為3.13 kA。雷擊后9 個(gè)DPFC 子模塊端口總電壓波形如圖7（c）所示，可見(jiàn)端口間產(chǎn)生了較大的過(guò)電壓并隨時(shí)間逐漸衰減，過(guò)電壓最大值為47.38 kV。

圖7 雷電反擊避雷線時(shí)DPFC的電壓和電流波形Fig.7 Voltage and current waveforms of DPFC under back strike on lightning conductor

2.1.2 雷電繞擊相線

設(shè)置雷擊發(fā)生在仿真開(kāi)始后50 ms，雷擊位置為線路最左端的A 相導(dǎo)線。雷電反擊后DPFC 對(duì)地電壓變化過(guò)程如圖8（a）所示，可以看出：在雷擊過(guò)后，線路中產(chǎn)生了較大的瞬時(shí)過(guò)電壓并立即衰減，其中DPFC 最大過(guò)電壓為448.0 kV；三相輸電線路在雷電繞擊后過(guò)電壓更加明顯。雷擊發(fā)生后流經(jīng)DPFC 的電流變化過(guò)程如圖8（b）所示，可以看出，在雷擊過(guò)后，線路中產(chǎn)生明顯的過(guò)電流并隨時(shí)間逐漸衰減，其中過(guò)電流最大值為3.34 kA。雷擊后9 個(gè)DPFC 子模塊的端口總電壓波形如圖8（c）所示，可見(jiàn)端口間產(chǎn)生了較大的過(guò)電壓并隨時(shí)間逐漸衰減，過(guò)電壓最大值為46.28 kV。

圖8 雷電繞擊相線時(shí)DPFC的電壓和電流波形Fig.8 Voltage and current waveforms of DPFC under circling strike on live line

2.2 DPFC分散布置時(shí)的雷擊過(guò)電壓

DPFC子模塊分散布置下的輸電系統(tǒng)如圖9所示。與DPFC 子模塊集中布置時(shí)相比，該模型兩段線路上的9個(gè)DPFC子模塊在線路上為等間隔均勻布置。對(duì)于DPFC 子模塊不均勻分布的情況，可以同樣建模分析，結(jié)果會(huì)有一定的差異，本文不做深入討論。

圖9 DPFC子模塊分散布置下的系統(tǒng)模型示意圖Fig.9 Schematic diagram of the system model with decentralized arrangement of DPFC sub-modules

2.2.1 雷電反擊避雷線

每條輸電線路分散布置有9 個(gè)DPFC 子模塊，DPFC 子模塊、線路和桿塔均勻間隔布置，在仿真過(guò)程中DPFC 處于閉鎖狀態(tài)。設(shè)置雷擊發(fā)生在仿真開(kāi)始后50 ms，雷擊位置為變電站出口處的避雷線。雷電反擊后DPFC 對(duì)地電壓變化過(guò)程如圖10（a）所示，可以看出：在雷擊過(guò)后，線路中產(chǎn)生了較大瞬時(shí)過(guò)電壓并立即衰減，其中DPFC 最大過(guò)電壓為440.8 kV；三相輸電線路在雷電反擊后過(guò)電壓明顯，過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間短。雷擊發(fā)生后流經(jīng)DPFC的電流變化過(guò)程如圖10（b）所示，可以看出，在雷擊過(guò)后，線路中產(chǎn)生明顯的過(guò)電流并隨時(shí)間逐漸衰減，過(guò)電流最大值為3.29 kA。雷擊后線路三相DPFC子模塊的端口電壓波形如圖10（c）所示，可見(jiàn)端口間產(chǎn)生了較大的過(guò)電壓，并隨時(shí)間逐漸衰減，過(guò)電壓最大值為5.14 kV。

2.2.2 雷電繞擊相線

設(shè)置雷擊發(fā)生在仿真開(kāi)始后50 ms，雷擊位置為第一段線路A 相導(dǎo)線的最左端。雷電反擊后DPFC 對(duì)地電壓變化過(guò)程如圖11（a）所示，可以看出，在雷擊過(guò)后，線路中產(chǎn)生了較大的瞬時(shí)過(guò)電壓并立即衰減，其中DPFC 最大過(guò)電壓為491.4 kV。雷擊發(fā)生后流經(jīng)DPFC的電流變化過(guò)程如圖11（b）所示，可以看出，雷擊過(guò)后線路中產(chǎn)生明顯的過(guò)電流并隨時(shí)間逐漸衰減，其中過(guò)電流最大值為3.62 kA。雷擊后線路三相DPFC 子模塊的端口電壓波形如圖10（c）所示，可見(jiàn)端口間產(chǎn)生了較大的過(guò)電壓并隨時(shí)間逐漸衰減，過(guò)電壓最大值為6.47 kV。

圖11 雷電繞擊相線時(shí)DPFC的電壓和電流波形Fig.11 Voltage and current waveforms of DPFC under circling strike on live line

2.3 兩種DPFC 子模塊布置下過(guò)電壓和過(guò)電流的對(duì)比

兩種DPFC 子模塊布置下不同雷擊狀況時(shí)的過(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)比如表2所示。可以看出，雷電反擊避雷線時(shí)，集中布置的DPFC 對(duì)地過(guò)電壓和子模塊間過(guò)電壓要大于分散布置時(shí)的結(jié)果，但DPFC 子模塊中過(guò)電流和避雷器過(guò)電流要小于分散布置時(shí)的結(jié)果；雷電繞擊相線時(shí)，集中布置的DPFC對(duì)地過(guò)電壓、子模塊間過(guò)電壓、DPFC子模塊中過(guò)電流和避雷器過(guò)電流都要小于分散布置時(shí)的結(jié)果。

表2 兩種DPFC子模塊布置下不同雷擊狀況時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)比Table 2 Comparison of overvoltage and overcurrent of two DPFC sub-module layouts under different lightning strikes

同樣可以看出，雷電繞擊相線時(shí)，DPFC 子模塊中過(guò)電流和避雷器過(guò)電流都遠(yuǎn)大于反擊避雷線時(shí)的結(jié)果。這是因?yàn)槔讚舯芾拙€時(shí)絕緣子沒(méi)有發(fā)生閃絡(luò)，大部分雷電流通過(guò)避雷線和桿塔流入了大地，因此對(duì)線路的影響較小。同時(shí)也說(shuō)明加裝避雷線對(duì)減小雷擊危害具有重要意義。

2.4 分散布置時(shí)不同DPFC子模塊過(guò)電壓對(duì)比

對(duì)于DPFC 子模塊分散布置情況，以第一個(gè)DPFC子模塊上過(guò)電壓為基準(zhǔn)，將雷電繞擊線路A相相線后不同位置的DPFC 子模塊對(duì)地過(guò)電壓的最大值進(jìn)行歸一化，結(jié)果如圖12所示。

圖12 繞擊時(shí)不同線路上DPFC子模塊對(duì)地電壓最大值Fig.12 Maximum value of voltage to ground of DPFC submodules on different lines in the case of circling strikes

同樣，針對(duì)DPFC 子模塊分散布置情況，將雷電反擊避雷線后A 相相線不同位置的DPFC 子模塊對(duì)地過(guò)電壓最大值進(jìn)行歸一化，結(jié)果如圖13所示。

圖13 雷電反擊時(shí)不同線路上DPFC子模塊對(duì)地電壓最大值Fig.13 Maximum value of voltage to ground of DPFC submodules on different lines in the case of back strikes

可以看出，繞擊相線時(shí)過(guò)電壓比反擊避雷線時(shí)過(guò)電壓更大。而且，隨著距離雷擊點(diǎn)距離增加，不同線路上DPFC 子模塊上的對(duì)地電壓瞬時(shí)最大值呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，且距離雷擊點(diǎn)最近的桿塔上過(guò)電壓值最大。經(jīng)分析，這是因?yàn)槔纂姴ㄔ诰€路上傳播時(shí)其振蕩幅值會(huì)逐漸衰減，所以前半段呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；但在線路末端雷電波發(fā)生折反射，實(shí)際電壓由工頻電壓、前行的雷電波與反射的雷電波疊加而成，雷電反射波在傳播過(guò)程中也會(huì)衰減，因此輸電線路上DPFC 子模塊過(guò)電壓先減小后增加，且在線路后段越靠近線路末端，過(guò)電壓水平越高。

3 結(jié)論

本文對(duì)DPFC 子模塊集中布置與分散布置兩種情況下的雷擊電磁暫態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，獲得了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓和過(guò)電流水平，結(jié)果可為實(shí)際工程中DPFC 的絕緣設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供參考。具體結(jié)論如下：

1）雷電反擊避雷線時(shí)，集中布置的DPFC 對(duì)地過(guò)電壓和子模塊端口過(guò)電壓大于分散布置時(shí)的結(jié)果，但DPFC 子模塊過(guò)電流和避雷器過(guò)電流要小于分散布置時(shí)的結(jié)果。雷電繞擊相線時(shí)，集中布置的DPFC 對(duì)地過(guò)電壓、子模塊端口過(guò)電壓、子模塊和避雷器過(guò)電流均小于分散布置時(shí)的結(jié)果。

2）對(duì)于DPFC 分散布置情況，雷電反擊避雷線和繞擊相線時(shí)，從輸電線路首端到末端，DPFC子模塊過(guò)電壓先減小后增加。雷電波在線路上傳播時(shí)，其振蕩幅值會(huì)逐漸衰減，因此前半段呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；但在線路末端雷電波發(fā)生折反射，靠近線路末端的DPFC子模塊的過(guò)電壓有所升高。