雷电防护分析：±800kV直流换流站的侵入波排除

本节以云广±800kV特高压直流输电工程逆变侧广东穗东换流站为例，使用惯用法对其雷电侵入波过电压进行研究。

17.2.3.1　穗东换流站计算参数

在本书编写过程中，穗东换流站设计工作尚处于可研阶段，进线段、站内设备型号以及具体布置方案等尚未最终确定，以下提供的部分计算参数可能与实际情况略有差异。

1）穗东换流站的交流场计算参数

（1）交流场电气主接线

从严考虑，穗东换流站直流单极运行，对应的500kV交流侧运行方式选取为单交流进线/单母线/两小组交流滤波器，交流侧电气主接线见图17-6。穗东换流站交流侧有6回交流进线，偏严考虑仅一条线路增城乙投运行，供电极1换流变；母线Ⅱ退出检修，双母线仅母线Ⅰ投入运行；为满足最小滤波器要求，交流滤波器投入#4大组中的两小组；站用变全部退出运行。

图17-6　穗东换流站交流场防雷计算对应的电气主接线图

对于交流侧设备，交流滤波器FL和交流噪声滤波器PLC直接使用其物理模型等效即可，其他交流侧设备如换流变、电压互感器和断路器等可等值为冲击入口电容，各元件之间使用分布参数线路相连。各设备在雷击情况下的等值入口电容值如表17-4所示。

表17-4　交流设备的等值入口电容（单位：pF）

交流噪声滤波器PLC安装于换流变侧，电气接线图见图17-7。交流PLC的并联避雷器持续运行电压为36kV，具体伏安特性见表17-5。

图17-7　交流PLC的电气接线图

表17-5　交流PLC避雷器的伏安特性

（2）交流进线段参数

穗东换流站500kV交流进线段1塔为耐张塔2以后均采用直线塔，典型杆塔如图17-8所示。其中，导线采用4×LGJ-720/50型钢芯铝绞线，分裂间距为450mm；避雷线采用LBGJ-120-40AC铝包钢绞线和OPGW1耐张塔绝缘采用27片结构高度为170mm的绝缘子，导、地线弧垂分别为2m、1m1塔与门型塔间的档距为70m；直线塔绝缘采用结构高度为4500mm的复合绝缘子，导、地线弧垂分别为14m、10m，档距为450m。另外，进线段土壤电阻率取100Ω·m，杆塔接地电阻取为10Ω。

图17-8　穗东换流站交流进线段杆塔图示（图中数值单位为mm）

（3）交流侧避雷器

根据穗东换流站的初试设计方案，各条500kV出线入口处均安装MOA，各台换流变旁均安装MOA，母线未装MOA。MOA的伏安特性见表17-6。

表17-6　穗东换流站交流侧MOA的伏安特性

2）穗东换流站的直流场计算参数

（1）直流场电气主接线

从严考虑，极线雷电侵入波计算选取单极大地回线运行方式，中性母线雷电侵入波计算选取金属回线运行方式。直流侧电气主接线见图17-9。

图17-9　穗东换流站直流场防雷计算对应的电气主接线图

同样，对于直流侧设备，平波电抗器REA、直流滤波器FL和直流PLC直接使用其物理模型等效即可，其他直流侧设备可等值为冲击入口电容，如表17-7所示。

表17-7　直流设备的等值入口电容（单位：pF）

直流PLC安装于直流线路进线处，电气接线图见图17-10。由于缺少±800kV直流PLC并联避雷器的伏安特性参数，暂按ABB公司500kV直流PLC避雷器参数（雷电保护水平40kV/10kA）进行计算，具体伏安特性见表17-8。

表17-8　直流PLC避雷器的伏安特性

图17-10　直流PLC的电气接线图

直流滤波器调谐频率为12/24/36次，按照每极两组三调谐滤波器进行布置，具体接线图见图17-11。

图17-11　单组直流滤波器的电气接线图

（2）直流极线和接地极进线段参数

对于云广±800kV特高压直流线路和接地极线路，1塔为耐张塔，其他均采用直线塔，进线段杆塔分别如图17-12和图17-13所示。

图17-12　穗东换流站直流线路进线段杆塔图示（图中数值单位为mm）

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图17-13　穗东换流站接地极线进线段杆塔图示（图中数值单位为mm）

直流线路导线采用6×LGJ-630/45型钢芯铝绞线，分裂间距为450mm；避雷线采用LBGJ-180-20AC铝包钢绞线；导、地线弧垂分别为16m、11m。另外，线路绝缘直线塔采用62片结构高度为170mm的瓷绝缘子，耐张塔采用四串并联60片结构高度为195mm的瓷绝缘子；杆塔水平档距取为450m。

接地极线路导线型号为2×2×ACSR-720/50，分裂间距为500mm；避雷线型号为GJ-80；导、地线弧垂分别为10m、8m。

（3）直流侧避雷器

根据穗东换流站的初试设计方案，直流极线避雷器DL、DB分别安装于直流母线的平波电抗器线路侧和靠近直流滤波器的阀厅侧，用于直流母线设备的防雷保护，两种避雷器伏安特性参数可见表17-9中的D型。避雷器E1、E2、E2H、EL和EM为中性母线避雷器，其中，E1保护阀底设备；E2保护中性母线电容和直流滤波器底部设备；E2H由5个E型避雷器并联而成（其他中性母线避雷器均为E型），用于吸收操作过电压能量；EL安装于接地极线入口处；EM安装于金属回线。避雷器SR并联接于直流母线上的平波电抗器两端，用于平波电抗器的防雷保护。避雷器Fdc1、Fdc21、Fdc22和Fdc23安装于直流滤波器支路。直流侧避雷器参数详见表17-9。

表17-9　穗东换流站直流侧避雷器的伏安特性

17.2.3.2　交流场雷电侵入波过电压分析

为分析特高压直流换流站交流场的耐雷性能，选取“单进线/单极换流变/最小滤波器投入”的典型运行方式，分别计算了交流场的绕击和反击雷电侵入波过电压。计算过程考虑了在雷击时刻交流场设备的工作电压幅值和相位的随机性，以下提交的设备过电压幅值和避雷器通流电流计算结果均为在最苛刻工频电压条件下的峰值。

对于交流场设备的额定雷电冲击耐受电压，参考常规500kV变电站要求，换流变T、断路器CB和电流互感器CT选定为1550kV，母线M、电容式电压互感器CVT和隔离开关DS选定为1675kV。

1）绕击侵入波过电压

由第17.2.2节可知，绕击雷电流幅值一般取为杆塔附近导线的最大可绕击电流Imax。根据whitehead等人提出的W’S EGM模型，Imax与导地线布置情况（即杆塔塔型）和地面倾斜角（即地形）直接相关。而目前，尚缺乏进线段地形和准确的杆塔设计资料，偏严考虑，以20kA作为使用惯用法进行绕击侵入波计算时的雷电流幅值，雷击点为1杆塔附近导线。

为对比常规交流变电站和直流换流站交流场的耐雷性能优劣，在其他条件不变的前提下，还分别计算了直流单极全压/半压运行、最小滤波器组FL投运/不投运和PLC不投运等几种情况下的雷电侵入波过电压，计算结果见表17-10。

表17-10　换流站交流侧的绕击侵入波过电压

注：表中，“M”代表母线；“PS”代表支柱绝缘子；“MFL”代表滤波器母线。

由表17-10可知，在绕击雷电流幅值取为20kA的前提下，对于“单进线/单极换流变/最小滤波器投入”的典型运行方式，即使交流母线未安装避雷器，交流场各设备上的侵入波过电压仍远小于其雷电冲击耐受电压，因此，直流换流站交流场的防雷电侵入波性能要优于交流变电站。

另由表17-10可知，与典型运行方式相比，直流单极半压运行方式下的雷电过电压更高；交流滤波器FL支路投入有助于提高交流场的防雷性能；PLC投入虽使部分设备上的雷电过电压值增大，但可一定程度上降低FL支路上的过电压。FL和PLC等设备有利于提高交流场的防雷电侵入波性能。

2）反击侵入波过电压

与交流变电站进线段相似，由于交流场进线段1塔和站内门型塔间档距一般小于100m，雷击1塔不易发生反击闪络事故。因此，在使用惯用法进行反击侵入波计算时，雷击点选为2塔塔顶，反击雷电流幅值取为250kA。

交流场的雷电反击侵入波计算结果见表17-11。

表17-11　换流站交流侧的反击侵入波过电压

由表17-11可知，在交流母线未安装避雷器的前提下，CVT设备上的过电压峰值最高，但仍在允许范围内（考虑15%的安全裕度系数，CVT允许过电压值为1675/1.15=1457kV）。其他设备上的过电压远小于其额定雷电冲击耐受电压，有足够的绝缘裕度。

综合表17-10和表17-11可知，即使本书所取的雷电侵入波计算条件非常苛刻，特高压直流换流站交流场的雷电侵入波过电压仍要比常规500kV交流变电站低得多，防雷电侵入波性能更优。另外，大量的计算结果也表明，交流场500kV母线可不安装避雷器。推荐的特高压直流换流站交流场MOA典型布置方式如下（该方案在实际应用时应使用数值计算加以校核）：

（1）各回500kV进线的入口处均安装一组MOA，并尽量靠近高抗和CVT；

（2）各换流变旁分别安装一组MOA；

（3）各交流滤波器母线分别安装一组MOA。

17.2.3.3　直流场雷电侵入波过电压分析

由第17.1.3节可知，即使在杆塔接地电阻为30Ω的条件下，云广±800kV特高压直流线路的反击耐雷水平可达300kA左右，因此，直流场反击雷电侵入波发生的概率极低。在此，主要对直流场的绕击侵入波过电压进行研究。

对于直流场设备的额定雷电冲击耐受电压，由于目前尚无相关标准，直流极线设备暂取1950kV，如极线平波电抗器REA、PLC、电压分压器DIV、隔离开关DS和极线穿墙套管BG等；中线母线的套管取为650kV，其他设备取为450kV。

1）极母线雷电侵入波过电压

由于缺乏进线段地形资料，偏严考虑，以-20kA作为使用惯用法进行绕击侵入波计算时的雷电流幅值，雷击点为1杆塔附近导线。表17-12为在各种情况下的极母线雷电侵入波过电压，对应的运行方式为单极大地运行方式。

表17-12　换流站极母线的绕击侵入波过电压

由表17-12可知，在直流滤波器组FL全不投运的最苛刻条件下，直流场设备对地最大过电压只有1543kV，设备两端最大过电压只有1566kV，参考IEC 60071-5考虑20%安全裕度（1950/1.2=1675kV），均满足绝缘要求。另外，FL的投运组数对直流场过电压影响较大，考虑正常工作需要，直流场防雷计算建议选用单滤波器组投运的典型运行方式。

另由表17-12可知，极母线工作电压极性对直流场设备雷电侵入波过电压计算影响较大，不容忽视。其中，最大的设备对地电压出现在单极负极性大地回路运行方式下；最大的设备两端电压出现在单极正极性大地回路运行方式下。因此，在计算直流场雷电侵入波时，设备对地电压计算应选用单极负极性大地回路运行方式，设备两端电压计算应选用单极正极性大地回路运行方式。

2）中性母线雷电侵入波过电压

偏严考虑，雷电绕击1杆塔附近导线，绕击电流幅值取为20kA。中性母线雷电侵入波计算选用单极金属回线运行方式，计算结果见表17-13。

表17-13　换流站中性母线设备上的绕击侵入波过电压

注：表中，BSM为金属回线上的套管；BS为极母线套管；DS为极母线上的隔离开关。

由表17-13可知，金属回线套管BSM上最大雷电过电压为902kV，大于其额定雷电冲击耐受电压（650kV），而其他设备过电压均满足要求。这是由于金属回线上的BSM为低压套管，雷电冲击耐受电压较低；而且，BSM离EM避雷器较远（近100m），不能得到有效保护，因此，建议在两极金属回线套管旁各安装一个EM避雷器。

综上，对于穗东换流站，在直流极母线、中性母线设备额定雷电耐受电压分别取为1950kV、450kV的前提下，直流场设备的雷电侵入波过电压在可接受的水平，防雷性能较好。