一种特高压直流雷电电磁暂态工程分析方法

技术领域

本发明涉及特高压直流输电系统防雷技术领域，尤其涉及一种特高压直流雷电电磁暂态工程分析方法。

背景技术

随着电力系统的快速发展，特高压直流输电具有传输距离长、容量大和控制灵活等优点，有利于缓解我国能源储存和消耗分布不平衡的国情。

随着直流输电系统容量逐年增大，由雷击引起的输电线路闪络故障也日益增多。在输电线路防雷保护方面，国内外学者对不同电压等级的线路已做了大量研究。而超、特高压直流输电线路具有其自身结构的特点，在传输线和接地极线共塔及其交直流同塔在自身设计及其防雷保护计算和研究中，还缺少相应的经验及其成果。在特高压直流系统设计初期如何高效验证其防雷效果和设备配备成为重中之重。

雷电不仅可以从直流极线侵入，还可以从接地极线和交流侧输电线侵入，侵入源头之多，使其在换流站交直流侧防雷面临严重问题。由于实验需要价格高昂的设备，且操作复杂。相对而言利用仿真软件模拟电磁暂态的方法可以更加方便地对个交直流处设备过电压进行评估，目前国内外涉交直流侧联合防雷仿真计算较少，现有仿真仅限于局部分析，误差大，整体考虑不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种特高压直流雷电电磁暂态工程分析方法，本方法计算准确度高，考虑全面，使交直流侧设备避雷器及其其他设备配置更加合理。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种特高压直流雷电电磁暂态工程分析方法，包括以下步骤：

步骤1：对雷电流、交直流侧杆塔分别进行建模，建立多波阻抗模型；

步骤1.1：建立雷电流模型；利用电磁暂态软件双指数电流模块模拟雷电流，确定反击雷电流幅值以及绕击电流水平，计算方法如下：

r

式中，I为雷电流幅值；r

线路的最大绕击击距计算公式如式(3)所示：

式中，r

步骤1.2：对交直流侧杆塔分别建模，得到其多波阻抗模型；

所述多波阻抗模型将输电线路杆塔导体分割为不同段，每段利用波阻抗的计算公式得出各段导体的波阻抗，从而得到整个杆塔的等效模型；其中杆塔模型分为主架部分、支架部分以及横担部分；

主架部分波阻抗Z

横担波阻抗Z

支架波阻抗Z

Z

式中Z

步骤2：对换流站交流侧以及直流侧分别进行建模；

所述直流侧包括直流PLC、直流刀闸、直流断路器、平波电抗器、直流滤波器和支撑绝缘子；

所述交流侧包括隔离开关、断路器、电压互感器、电流互感器、GIS母线、避雷器、交流滤波器和换流变；

步骤3：根据步骤1和2建立的模型，利用电磁暂态软件搭建特高压直流输电雷电电磁暂态全仿真模型；选取直流侧运行方式为单极大地运行方式，交流侧为单进线/单极换流变/最小滤波器投入运行方式，对直流输电系统进行电磁暂态模型搭建。

步骤4：分析换流站交流侧和直流侧雷电侵入特性，分析其交直流侧避雷器布置、交直流侧滤波器布置，进行雷电过电压计算，根据换流站交直流侧实际电气距离，利用电磁暂态仿真软件，得到各设备在雷电侵入下的过电压，得到各避雷器工作情况及其泄放电流，分析其是否满足运行标准，若不满足标放电流时，改变避雷器布置方案或者增加避雷器并联支数，使之满足其过电压防护标准。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种特高压直流雷电电磁暂态工程分析方法；本方法依据特高压直流输电系统工程对于防雷方案进行验证考核，又可以对扩建的特高压换流站交直流侧设备布置方案提供参考意见，可以得到工程防雷布置下的最优解，本发明分析其避雷器配置下各设备过电压分布情况，可以得到设备在雷电侵入下的过电压分布，进而来分析设备横纵绝缘水平，为设备防护提供有力依据。此方法可以解决多种防雷分析问题，既能准确模拟特高压直流输电的避雷器配置可行性，又能应用到交流GIS变电站防雷计算中。复杂度较低，应用广泛，利用电磁暂态软件效率高，模拟更加精确，频率特性更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例提供的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的雷电侵入示意图；

图3为本发明实施例提供的某实际特高压直流输电电气主接线图；

图4为本发明实施例提供的直流侧杆塔、输电线模型图；

图5为本发明实施例提供的直流侧设备布置与整体模型示意图；

图6为本发明实施例提供的直流侧设备绕击下某设备处的雷电过电压波形图；

图7为本发明实施例提供的直流侧设备绕击下某避雷器处的雷电过电流波形图；

图8为本发明实施例提供的直流侧设备反击下某设备处的雷电过电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种特高压直流雷电电磁暂态工程分析方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：建立雷电流模型；利用电磁暂态软件双指数电流模块模拟雷电流，根据工程的不同确定反击雷电流幅值，根据杆塔结构确定绕击电流水平，具体计算方法如下：

本实施例中采用了IEEE1243标准所推荐的击距公式，见式(1)、式(2)。

r

式中，I为雷电流幅值；r

式(3)为线路的最大绕击击距计算公式：

式中，r

对交直流侧杆塔分别建模，得到其多波阻抗模型；根据公式(4)计算的得到图4各部分波阻抗值。

导体的波阻抗随其高度不同而变化，根据这一特点，多波阻抗模型将输电线路杆塔导体分割为不同段，每段利用波阻抗的计算公式得出各段导体的波阻抗，从而得到整个杆塔的等效模型。杆塔模型可分为主架部分、支架部分以及横担部分。

主架部分各部分波阻抗的经验公式为

式中，

横担波阻抗Z

支架波阻抗Z

Z

式中Z

步骤2：对换流站交直流侧进行建模，直流侧包括直流PLC、直流刀闸、直流断路器、平波电抗器、直流滤波器和支撑绝缘子，交流侧包括隔离开关、断路器、电压互感器、电流互感器、GIS母线、避雷器、交流滤波器和换流变。

交直流侧的断路器分闸状态等效为串联电容；合闸时等效为母线。隔离开关分闸和合闸都等效为对地电容，直流PLC、直流刀闸、支撑绝缘子、电压互感器、电流互感器和换流变等效为对地电容。平波电抗器、直流滤波器、避雷器、交流滤波器根据实际运行和电路图进行等效。

步骤3：在确定各设备模型下，根据图2入侵方式和图3电气主接线利用电磁暂态软件搭建特高压直流输电雷电电磁暂态全仿真模型。选取直流侧运行方式为单极大地运行方式，交流侧为单进线/单极换流变/最小滤波器投入运行方式，对直流输电系统进行电磁暂态模型搭建。如图5所示。

步骤4：在不同工程结构及其参数下，分别分析换流站交流侧和直流侧雷电侵入特性，着重分析其交直流侧避雷器布置、交直流侧滤波器布置等。在不同工程下，根据不同设备投入情况进行雷电过电压计算，根据换流站交直流侧实际电气距离，本实施例中利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP，得到各设备在雷电侵入下的过电压，如图6、图7和图8，根据实际工程避雷器布置方案，得到各避雷器工作情况及其泄放电流，分析其是否满足运行标准。在不满足标放电流时，改变避雷器布置方案或者增加避雷器并联支数，使之满足其过电压防护标准。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。