直流换流站雷电侵入波计算方法优化

特高压直流换流站的雷电侵入波过电压计算一般采用国际通用的电磁暂态仿真软件EMTP，具体计算方法与交流变电站基本相同。

但考虑到直流换流站交直流场并存、运行方式复杂和设备绝缘水平差异较大等特点，在进行换流站的雷电侵入波计算时，运行方式和雷电流幅值等的选择具有其独特之处，以下分别予以说明。

17.2.2.1　运行方式选择

特高压直流换流站的运行方式较多，包括双极全压运行方式、双极半压运行方式、双极一极全压一极半压运行方式、单极全压金属回线方式、单极全压大地回路方式、单极半压金属回线方式、单极半压大地回路方式，并且交流场运行方式的选择又与直流场运行方式选择直接相关。因此，合理选择换流站运行方式对使用惯用法进行雷电侵入波计算是至关重要的。

1）交流场运行方式选择

参考交流变电站运行经验，直流换流站交流场投运的出线、条数越多、变压器和交流滤波器等设备越多，交流场设备上的雷电侵入波过电压也就越低。对应于特高压直流换流站的直流场典型运行条件—直流单极全压运行，则此时交流场防雷计算选择的运行方式为单线/单极双12脉动换流变/最小滤波器组投入（最小滤波器组应满足正常运行需要）。

另外，偏严考虑，直流换流站还存在双极半压或单极半压运行的情况，那么交流场运行方式应取为单线/单极单12脉动换流变/最小滤波器组投入。

2）直流场运行方式选择

首先，应当指出对于换流站直流场，站内设备上的最大雷电侵入波过电压幅值并不一定出现在同极性雷击的情况下。与交流场雷电侵入波过电压计算有所不同，由于换流站直流场的平波电抗器、PLC和直流滤波器等设备均串联有电感元件，雷击可能导致电感设备两端的过电压幅值很高，因此，直流场雷电侵入波研究不仅要计算以上各设备的对地电压，还要计算设备两端电压是否满足要求。值得注意的是，设备上的最大对地电压一般出现在雷电侵入波极性与设备工作电压极性相同的情况下（即直流电压与雷电流同极性，两者相加所得过电压值最大）；而设备两端的最大过电压一般出现在雷电侵入波与工作电压极性相反的情况下（即直流电压与雷电流异极性）。同时，考虑到自然界中负极性雷电流的出现概率一般在90%以上，换流站防雷计算同样应选用负极性雷。因此，计算设备最大对地电压时，极母线的直流工作电压选择负极性；计算设备两端最大电压时，直流电压选择为正极性。

考虑到直流场极母线和中性母线的绝缘水平和侵入波来源不同，直流场雷电侵入波计算分为极母线过电压和中性母线过电压两部分。

（1）极母线雷电过电压计算的运行方式选择

对于特高压直流极母线雷电过电压，偏严考虑，设备对地的雷电侵入波计算选择单极负极性大地回线运行方式，设备两端的雷电侵入波计算选择单极正极性大地回线运行方式。但实际上，特高压直流雷害主要是指雷电绕击正极性导线，雷电绕击负极性导线的概率是很小的。

对于直流滤波器组，偏严选取仅一组投运，另一组退出检修的情况。

（2）中性母线雷电过电压计算的运行方式选择

对于特高压直流中性母线雷电过电压，雷电侵入波来源主要是接地极线或者金属回线。为防止雷击导致的掉串事故，接地极线路的绝缘子串两端多装有招弧角。以云广特高压直流工程穗东换流站为例，其接地极线路招弧角间的空气间隙约0.5m，即使90%击穿电压也只有320kV，因此，通过接地极线路侵入中性母线的雷电过电压波幅值是很低的。

而金属回线所在的极线塔要远高于接地极杆塔，更易遭受雷击。并且，金属回线绝缘水平也远高于接地极线，由金属回线侵入换流站的雷电过电压幅值也就更高，因此，中性母线侵入波计算选用单极金属回线运行方式。另外，由于金属回线上运行电压很低，仅几千伏，故该运行电压极性的影响可以忽略。

综上，特高压直流换流站雷电侵入波过电压计算选用的运行方式可归纳如下：

其中，在计算极母线过电压时，应注意区分设备对地过电压和设备两端过电压两种典型情况。

17.2.2.2　雷电流幅值选择

变电站或换流站设备上的雷电过电压值与侵入波波头陡度α成正比关系，而中国规程规定的标准雷电波波头时间为2.6μs，侵入波波头陡度α可近似视为雷电流幅值I/2.6μs，因而站内设备过电压值与选择的雷电流幅值成正比关系。因此，雷电流幅值的选取是非常重要的。

而目前，在使用惯用法评估直流换流站防雷电侵入波性能或进行站内设备绝缘配合设计时，由于中国电力行业相关标准并未对雷电流幅值予以明确规定，各科研机构或设计单位关于雷电流幅值I的选取尚存在较大的争议。交、直流系统的雷电侵入波计算均存在该问题，值得进一步思考和讨论。

1）反击雷电流幅值

对于反击雷电流幅值的选取，一般按照“变电站或换流站电压等级越高，选取的反击雷电流幅值出现概率越小”的原则进行选取。首先，根据变电站或换流站的防雷可靠性要求选择某一累计概率，然后由规程规定的雷电流幅值概率分布函数倒推求取反击雷电流幅值。但该方法在选取雷电流幅值的累计概率时，由于缺乏相关的标准和参考文献，各研究机构的取值不尽相同，具有一定的随机性和盲目性。因此，累计概率的取值方法值得进一步的讨论和商榷。

以日本为例，500kV、1000kV交流变电站反击雷电流幅值分别取为150kA、200kA，按日本使用的雷电流幅值概率分布曲线式（17-2）倒推可知，对应的出现概率分别是P（I＞150kA）=0.3%、P（I＞200kA）=0.1%。(www.xing528.com)

根据中国过电压保护规程DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》推荐的雷电流幅值累计概率分布函数式（17-3）推算可知，中国500kV、1000kV交流变电站反击雷电流幅值应为I（P=0.3%）=222kA、I（P=0.1%）=267kA。由上可知，与日本的防雷可靠性要求相比中国特高压直流换流站500kV交流场反击雷电流幅值取为250kA是偏严格的，是足够安全的。

根据中国过电压保护规程DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》推荐的雷电流幅值累计概率分布函数式（17-3）推算可知，中国500kV、1000kV交流变电站反击雷电流幅值应为I（P=0.3%）=222kA、I（P=0.1%）=267kA。由上可知，与日本的防雷可靠性要求相比中国特高压直流换流站500kV交流场反击雷电流幅值取为250kA是偏严格的，是足够安全的。

式中，I为雷电流幅值，kA；P为雷电流幅值大于I的概率。

另外，根据1000kV特高压交流国标GB/Z2484-2009《1000kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合》规定，计算特高压变电站雷电侵入波过电压时，最大反击雷电流取为250kA（进线段要求的反击耐雷水平宜不小于250kA）。在无相关标准规定的前提下，中国特高压换流站直流场反击雷电流幅值可参考该值。

综上，特高压换流站交、直流场雷电侵入波计算选用的雷电流幅值可参考特高压交流国标，暂取250kA。

2）绕击雷电流幅值

对于绕击雷电流幅值，大部分研究机构一般选取进线段各杆塔附近导线的最大可绕击电流Imax。

值得注意的是，对于变电站或换流站的进线段防绕击设计，规程只给出进线段的避雷线保护角要求，而未对进线段的最大允许绕击电流作具体规定。由于各变电站或换流站进线段的地形、塔型设计以及线路绝缘水平等都可能不同，防雷研究时所取的绕击雷电流幅值Imax可能差别很大，这将导致不同研究机构对一完全相同的变电站或换流站的雷电过电压计算结果或推求的绝缘配合设计方案相差较大。特别是进线段位于山区的情况，即使保护角满足规程要求，考虑山区地面倾角可能较大，使用EGM计算的最大可绕击电流仍可能达到30kA及以上。此时，变电站或换流站的防雷电侵入波设计难度是较大的，即不能很好地实现变电站和进线段间的绝缘配合。另外，在进行变电站或换流站的防雷设计时，线路防雷设计和变电站防雷设计一般由不同的设计人员完成，因而输电线路进线段和变电站之间的绝缘配合设计往往未予考虑。为更好地实现进线段对变电站或换流站的防雷保护作用，进线段允许的最大可绕击电流建议在行业标准宜作出具体规定，实现进线段防绕击设计规范化。

经验表明，500kV交流线路的绕击电流一般小于20kA，而按规程要求，进线段的避雷线保护角一般也小于常规路径线路，因此进线段的绕击电流更小。偏严考虑，超高压、特高压变电站或换流站进线段的防雷设计可参考该值，即进线段防绕击设计以20kA为限。对于直流线路，直流杆塔的绕击耐雷水平一般不会超过20kA。这样，当变电站或换流站处于初始设计阶段时（进线段尚未设计完成），如使用惯用法进行超、特高压变电站或换流站的初期防雷设计，也就可直接采用20kA作为绕击雷电流幅值。

综上，特高压直流换流站雷电侵入波计算选用的雷电流幅值如下：

对于交流场，反击雷电流幅值取250kA，绕击取进线段各杆塔附近导线的最大可绕击电流Imax（换流站防雷初设时，可取20kA）。

对于直流场，反击雷电流幅值取250kA，绕击取Imax（换流站防雷初设时，可取20kA）。

式中，I为雷电流幅值，kA；P为雷电流幅值大于I的概率。

另外，根据1000kV特高压交流国标GB/Z2484-2009《1000kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合》规定，计算特高压变电站雷电侵入波过电压时，最大反击雷电流取为250kA（进线段要求的反击耐雷水平宜不小于250kA）。在无相关标准规定的前提下，中国特高压换流站直流场反击雷电流幅值可参考该值。

综上，特高压换流站交、直流场雷电侵入波计算选用的雷电流幅值可参考特高压交流国标，暂取250kA。

2）绕击雷电流幅值

对于绕击雷电流幅值，大部分研究机构一般选取进线段各杆塔附近导线的最大可绕击电流Imax。

值得注意的是，对于变电站或换流站的进线段防绕击设计，规程只给出进线段的避雷线保护角要求，而未对进线段的最大允许绕击电流作具体规定。由于各变电站或换流站进线段的地形、塔型设计以及线路绝缘水平等都可能不同，防雷研究时所取的绕击雷电流幅值Imax可能差别很大，这将导致不同研究机构对一完全相同的变电站或换流站的雷电过电压计算结果或推求的绝缘配合设计方案相差较大。特别是进线段位于山区的情况，即使保护角满足规程要求，考虑山区地面倾角可能较大，使用EGM计算的最大可绕击电流仍可能达到30kA及以上。此时，变电站或换流站的防雷电侵入波设计难度是较大的，即不能很好地实现变电站和进线段间的绝缘配合。另外，在进行变电站或换流站的防雷设计时，线路防雷设计和变电站防雷设计一般由不同的设计人员完成，因而输电线路进线段和变电站之间的绝缘配合设计往往未予考虑。为更好地实现进线段对变电站或换流站的防雷保护作用，进线段允许的最大可绕击电流建议在行业标准宜作出具体规定，实现进线段防绕击设计规范化。

经验表明，500kV交流线路的绕击电流一般小于20kA，而按规程要求，进线段的避雷线保护角一般也小于常规路径线路，因此进线段的绕击电流更小。偏严考虑，超高压、特高压变电站或换流站进线段的防雷设计可参考该值，即进线段防绕击设计以20kA为限。对于直流线路，直流杆塔的绕击耐雷水平一般不会超过20kA。这样，当变电站或换流站处于初始设计阶段时（进线段尚未设计完成），如使用惯用法进行超、特高压变电站或换流站的初期防雷设计，也就可直接采用20kA作为绕击雷电流幅值。

综上，特高压直流换流站雷电侵入波计算选用的雷电流幅值如下：

对于交流场，反击雷电流幅值取250kA，绕击取进线段各杆塔附近导线的最大可绕击电流Imax（换流站防雷初设时，可取20kA）。

对于直流场，反击雷电流幅值取250kA，绕击取Imax（换流站防雷初设时，可取20kA）。