±1100 kV换流站直流场雷电侵入波过电压计算分析

陈秀娟,夏潮,时卫东,贺子鸣,雷挺,张兆华,卢甜甜  

(中国电力科学研究院有限公司,北京市 海淀区 100192)

摘要

昌吉换流站和古泉换流站是±1100 kV昌吉—古泉特高压直流输电工程枢纽,一旦发生雷击损坏事故,可能造成大面积停电,影响十分严重。首先给出了换流站直流侧雷电侵入波过电压的计算方法,然后利用电磁暂态计算程序(EMTP),对±1100 kV昌吉换流站和古泉换流站直流侧设备的雷电侵入波过电压进行了仿真计算。给出了典型运行方式下,换流站进线段遭受反击和绕击时,换流站直流设备上的雷电侵入波过电压,确定了换流站直流侧避雷器的配置方案,并校核了换流站直流侧设备的雷电冲击绝缘水平。研究成果对保障±1100 kV昌吉—古泉特高压直流输电工程的防雷安全具有重要意义,对后续工程亦具有参考价值。

关键词 : ±1100 kV 特高压直流;换流站;雷电侵入波; 避雷器;雷电冲击绝缘水平

基金项目: 国家重点研发计划“±1100 千伏直流工程过电压抑制与绝缘配合及雷电防护技术研究”(2016YFB0900801);国家电网公司科技项目“±1100 kV以上电压等级直流输电技术前期研究”(GYB17201600174)。

0 引言

随着中国电源开发的逐步西移和北移,以及中东部地区国民经济持续快速发展,未来能源产地与能源消费地区之间的距离将越来越大(一般在800~3 000 km),超出了±800 kV特高压直流的经济输电距离,迫切需要将直流系统的电压等级由±800 kV提升至更高电压等级。国家电网公司正开工建设的±1100 kV昌吉—古泉特高压直流输电工程线路长度约3 300 km [1] 

换流站是直流电力系统中的枢纽,一旦发生雷击损坏事故,有可能造成大面积停电,影响十分严重。因此,换流站要求有可靠的防雷保护措施。换流站的雷害来自两个方面:一是雷直接击到换流站上造成站内设备损坏,简称直击雷;二是雷击到输电线路的杆塔和避雷线上,造成绝缘子闪络(反击),或者直接击到导线上(绕击)产生雷电波,波沿输电线路传递到换流站,在换流站设备上产生雷电过电压引起设备绝缘损坏,简称侵入波。所以,换流站设备的防雷保护措施有两个方面,一个是直击雷的防护,另一个是雷电侵入波的防护。目前,正确设计和安装了避雷针和避雷线的换流站,其直击雷防护效果是可靠的,主要是雷电侵入波防护。

同交流变电站相同,直流输电工程换流站上的雷电过电压主要来自输电线路的雷电侵入波。交流侧设备上的雷电过电压是由交流输电线路传入的,而直流侧设备上的雷电过电压是由直流输电线路和接地极传入的。因此,换流站的雷电侵入波研究包括直流场的雷电侵入波研究和交流场的雷电侵入波研究。

±1100 kV交流场的雷电侵入波防护与一般交流变电站的雷电侵入波防护相差不大,研究较多 [2-7] ,本文不再赘述。对于直流场的雷电侵入波防护,±800 kV及以下雷电侵入波过电压研究较多 [8-14] ,但对±1100 kV级换流站雷电侵入波过电压研究较少。本文首先给出了换流站直流侧雷电侵入波过电压的计算方法。然后利用电磁暂态计算程序(ATP-EMTP),对±1100 kV昌吉和古泉换流站直流侧的雷电侵入波过电压进行仿真计算。给出典型运行方式下,换流站进线段遭受反击和绕击时,换流站直流设备上的雷电侵入波过电压,确定换流站直流侧避雷器的配置方案,校核换流站交、直流侧设备的雷电冲击绝缘水平。研究成果对保障±1100 kV昌吉—古泉特高压直流输电工程的防雷安全具有重要意义,对后续工程亦具有参考价值。

1 换流站直流侧雷电侵入波过电压的计算方法

1.1 概述

直流侧设备上的雷电过电压是由雷绕击到直流(含接地极)线路导线或雷击直流(含接地极)线路杆塔反击造成的雷电侵入波,经直流(含接地极)线路传入的。为确定直流侧设备的避雷器保护水平,需对直流侧设备上的反击过电压和绕击过电压进行具体计算。

1.2 直流极线雷电侵入波过电压计算方法

按确定法进行反击计算时,可根据换流站防雷可靠性要求,选取某一累积概率下的幅值。本研究中,选用250 kA作为反击侵入波过电压计算中的雷电流。250 kA的概率为0.14%,由于近区雷击的概率本来就小,再取概率为0.14%的雷电流是有很高可靠性的。

对于绕击雷电侵入波计算,可根据电气几何模型求出变电站出线的最大绕击电流I 。雷电流幅值大于I 的雷或击于避雷线,或击于地面而不会击中导线,即不会发生绕击。因此绕击雷电侵入波计算时雷电流幅值可取I 。用电气几何法求出的换流站直流侧出线杆塔的最大绕击电流小于13 kA,因此在仿真计算时最大绕击电流取为13 kA。

雷电通道的波阻抗在反击时取300 Ω,绕击时取800 Ω。

1.3 接地极线雷电侵入波过电压计算方法

雷击架空接地极线路时,架空接地极进线保护段按1 km考虑。进线段外雷击产生的侵入波传播到架空接地极末端的最严苛的侵入波参数可由线路绝缘的伏秒特性和1 km进线段保护段的冲击电晕的延时特性确定。

接地极线路的绝缘子串较短,其绝缘子串的伏秒特性可由下式给出

式中,U 50%(+) 为线路绝缘子正极性50%雷电放电电压,kV,按35 kV等级选为350 kV;U 50%(-) 为线路绝缘子负极性50%雷电放电电压,kV;t为放电时间,μs;T为计算系数,可由《330~500千伏输电线路电气部分的设计》一书中查出,为0.47。

负极性雷电压波沿导线运动时由冲击电晕引起的波延时效应比正极性雷电波要小。因此,为获得更严格的结果,按负极性波给出冲击电晕延时特性,具体计算公式如下

式中,∆t 为侵入波经进线段到线路末端后波头时间的延迟,μs;U为侵入波的幅值,MV;l 为进线保护段的长度;h 为进线保护段导线的平均高度,m;f 为系数。

由公式(1)和(2)计算出线路绝缘的伏秒特性曲线和由公式(3)计算出的冲击电晕延时特性曲线的交点,即决定了进线段以外雷击杆塔反击闪络产生的最严苛的作用于架空接地极线路末端的侵入波参数。经计算,侵入波幅值为530 kV,侵入波波头为0.8 μs。

2 换流站直流侧避雷器布置方式和设备雷电冲击绝缘水平推荐值

2.1 直流侧避雷器布置方式

±1100 kV特高压换流站直流侧接线方式以及避雷器的布置如图1所示。

图1 换流站直流侧电气主接线和避雷器布置图 
Fig.1 Electrical main circuit and lightning arrester layout on DC side of converter station

2.2 设备雷电冲击绝缘水平推荐值

换流站直流侧设备的操作冲击绝缘水平的推荐值见表1。

由于直流极母线有遭受雷电侵入波的情况,所以还需推荐直流极母线的雷电冲击绝缘水平,为2400 kV;其他设备的雷电冲击绝缘水平,可以根据操作冲击绝缘水平乘以1.1倍的系数来选取 [15-20] ,见表1。

表1 ±1100 kV直流输电工程直流侧设备雷电冲击绝缘水平的推荐值 
Table 1 Recommended values for lightning impulse insulation level of DC side equipment in ±1100 kV DC transmission projects

续表

3 换流站直流侧雷电侵入波过电压计算及设备绝缘水平校核

3.1 昌吉换流站

昌吉换流站直流侧设备上最大雷电侵入波过电压计算值见表2。

表2 昌吉换流站直流侧设备最大雷电侵入波过电压 
Table 2 Maximum lightning intruding overvoltage of DC side equipment in Changji converter station

续表

从表2给出的±1100 kV直流输电工程昌吉换流站直流侧设备雷电冲击绝缘水平的推荐值和最大雷电侵入波过电压计算结果的比较可知,绝缘裕度至少为20.1%,均大于标准要求的15%,满足绝缘配合的要求,即在图1所示的避雷器保护方案满足防雷保护的要求。

3.2 古泉换流站

古泉换流站直流侧设备上最大雷电侵入波过电压最大值见表3。

表3 古泉换流站直流侧设备最大雷电侵入波过电压 
Table 3 Maximum lightning intruding overvoltage of DC side equipment in Guquan converter station

由表3给出的±1100 kV直流输电工程古泉换流站直流设备雷电冲击绝缘水平的推荐值和最大雷电侵入波过电压计算结果的比较可知,绝缘裕度至少为23.5%,均大于标准要求的15%,绝缘裕度满足绝缘配合的要求,即图1所示的避雷器保护方案满足防雷保护的要求。

4 结论

1)直流侧设备上的雷电过电压是由雷绕击到直流(含接地极)线路导线或雷击直流(含接地极)线路杆塔反击造成的雷电侵入波,经直流(含接地极)线路传入的。为确定直流侧设备的避雷器保护水平,需对直流侧设备上的反击过电压和绕击过电压进行具体计算。

2)由±1100 kV昌吉换流站直流设备雷电冲击绝缘水平的推荐值和最大雷电侵入波过电压计算结果的比较可知,绝缘裕度至少为20.1%,均大于标准要求的15%,满足绝缘配合的要求,避雷器保护方案满足防雷保护的要求。

3)由±1100 kV古泉换流站直流设备雷电冲击绝缘水平的推荐值和最大雷电侵入波过电压计算结果的比较可知,绝缘裕度至少为23.5%,均大于标准要求的15%,绝缘裕度满足绝缘配合的要求,避雷器保护方案满足防雷保护的要求。

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Simulation and Analysis on Lightning Invasion Wave Overvoltage for DC Side of±1100 kV Converter Station  

CHEN Xiujuan, XIA Chao, SHI Weidong, HE Ziming, LEI Ting, ZHANG Zhaohua, LU Tiantian 
(China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Haidian District, Beijing 100192, China)

Abstract: Changji converter station and Guquan converter station are key of the ±1100 kV Changji-Guquan UHVDC power transmission project.Once a lightning damage accident occurs, it may cause a large area blackout, w hich is very serious.Firstly, the calculation method of lightning intruding overvoltage on DC side of converter station was given.Then the electromagnetic transient calculation program (EMTP) was used to simulate the lightning intruding overvoltage on the DC side equipments in the ±1100 kV Changji converter station and Guquan converter station.In this paper, the lightning intruding overvoltage on DC equipments of converter station was given under typical operation mode when the input line of converter station was exposed to back flashover and shielding failure.The configuration of lightning arrester on DC side of converter station was determined.The lightning impulse insulation levels of DC side equipments in converter station were checked.The research results are of great significance for the lightning protection in the±1100 kV Changji-Guquan UHVDC transmission project, and also of reference value to the follow-up projects.

Keywords: ±1100 kV UHVDC; converter station; lightning invasion wave; arrester; lightning impulse insulation level

National Key Research and Development Program of China‘Research on Overvoltage Suppression and Insulation Coordination and Lightning Protection Technology for ±1100 kV DC Project’(2016YFB0900801); Science and Technology Foundation of SGCC‘Preliminary Study on DC Transmission Technology ±1100 kV and Above’ (GYB17201600174).

陈秀娟

作者简介:

陈秀娟(1975),女,博士,高级工程师,主要从事电力系统防雷、过电压与绝缘配合、避雷器方面的研究工作,E-mail:xjchen@epri.sgcc.com.cn。

夏潮(1974),男,硕士,高级工程师,主要从事电力系统仿真、励磁控制系统研究与电力系统稳定分析方面的研究工作,E-mail:xiachao@epri.sgcc.com.cn。

(责任编辑 赵杨)


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