ABSTRACT

In order to save resources and protect the environment, the power grid of China will have more multiple-circuit transmission lines and high capacity AC/DC parallel transmission lines. This paper builds the simulation model of AC/DC parallel transmission lines and studies the transient process of transmission lines when lightning, which is one of the main reasons of line fault. The electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMTDC is employed to establish the simulation model of UHV DC model, and the AC/DC parallel transmission model is also set up. Based on the model established above, we simulate the transient simulation of lightning striking on the DC lines and AC lines, and parameters’ changes are analyzed. It turns out that the voltage and current of the transmission lines will rise abruptly when the lightning happens and many parameters of DC lines will have strong distortion and oscillation.

Keywords:Transient Analysis, Parallel Transmission Lines, Ultra-High Voltage Power Transmission

交直流并行线路雷击时电磁暂态仿真研究

彭澎

深圳供电局有限公司基建部技术经济中心，广东 深圳

Email: 824074768@qq.com

收稿日期：2015年9月10日；录用日期：2015年9月23日；发布日期：2015年9月29日

摘 要

为了节约资源和环境保护，我国特高压输电线路将形成大容量多回输电线路、交直流并行的格局。雷击是特高压线路跳闸的主要原因，论文搭建了交直流并行输电线仿真模型，对线路遭受雷击时的电磁暂态进行了仿真分析。首先采用PSCAD仿真软件建立了特高压直流输电工程的仿真模型，建立了特高压交直流并行输电线路模型。基于以上模型对雷击特高压直流线路进行了暂态仿真，分析了参数的暂态变化。结果表明线路电压与电流均迅速上升，两极各项参数发生了畸变和振荡。

关键词 :暂态分析，并行线路，特高压输电

1. 引言

特高压输电能够缓解我国电荷中心和能源中心的极不均匀分布的矛盾，也是一种更加方便、高效、经济、环保的输电方式。截止到目前，我国已经投入运行的直流工程达16项，其中包括2项特高压工程和3项背靠背工程。正建的高压工程有5项，其中包括2项特高压工程。预计在2020年，我国投运的特高压工程将达到18项，系世界上直流工程数目最多、容量最大、输送距离最长的国家[1] 。

由于特高压输电线路承担着长距离、大容量以及联网的任务，其安全性和稳定性变得尤其重要。国内外统计表明，雷击线路是造成输电线路跳闸的最主要原因之一 [2] 。由于杆塔高，引雷的面积大，工作电压对耐雷性能影响明显，特高压线路的防雷不同于现存普通的输电线路的防雷 [3] - [5] 。特高压线路由于其高电压，其输电线路结构特殊，故需要在此方面进行大量的理论研究和试验。关于普通线路的防雷研究工作已经国内外已经开展了很多。特高压线路由于其高电压，其输电线路结构特殊，故需要在此方面进行大量的理论研究和试验。论文以特高压交直流输电并行线路为对象，对特高压线路的雷击电磁暂态仿真进行研究，为我国特高压工程的防雷和安全运行提供理论依据 [5] - [9] 。

2. 雷击输电线路的理论分析

在高压输电线路上一般配置有避雷线保护，来防止导线直接遭受雷击。但由于雷击随机性较强，影响因素较多，如遭遇避雷线屏蔽保护失效时，就有可能发生雷绕过避雷线直接击中导线的情况，通常称之为绕击。

虽然绕击的概率较低，雷电流幅值较小，但因绕击发生时的所产生的冲击过电压较高，使线路绝缘子闪络的可能较大，或通过导线侵入变电站危及电气设备的安全。故对绕击进行研究是十分有必要的。

2.1. 绕击率

根据相关试验，绕击率与杆塔的高度、避雷线的保护角以及地貌等因素有关。有相关近似公式如下：

1) 平原线路

(1)

2) 山区线路

(2)

其中，为绕击率；为避雷线对外侧导线的保护角，˚；为杆塔的高度，m。

2.2. 绕击过电压的计算

忽略避雷线与导线的耦合作用，绕击过电压的简化计算模型如图1所示。导线A点被雷电流为I₀的雷电流波击中，假设导线无限长，即不考虑A点的反射波，根据彼得逊法则可得到相关计算简化模型如图1所示。

根据图1所示，雷击点的电位为：

(3)

绕击过电压极性与雷电流极性一致，波形相似，其幅值为：

(4)

2.3. 绕击耐雷水平

根据上述计算式可知，绕击过电压的幅值与雷电流I是正比例关系。当雷击中导线，绝缘子的是否闪络取决于到达杆塔过电压U_A与绝缘子串的冲击放电电压的大小。如果前者大于后者，则会引起绝缘子的闪络。所以，线路所能承受的最大雷电流幅值造成的过电压U_A不能大于绝缘子串U_50%，即U_A < U_50%。故线路绕击的耐雷水平I₁为：

(5)

另外，根据我国现行标准可近似估算线路绕击的耐雷水平为：

(6)

论文分析了雷击导线的基本理论，推导了雷电流绕击输电线路过电压的计算方法及公式，以及耐雷水平的求取及影响因素。为下文研究雷绕击导线提供了理论依据。

3. 雷击暂态仿真分析

3.1. 雷电流仿真

目前，国内外已经通过实测积累了大量关于雷电流的幅值、波头和波尾时间等参数。但由于雷电放电受到不同地域气象、地形和地质等多种自然条件的影响，本身具有很强的随机性，另外，各个地方的测量手段和测量技术水平也不尽相同，所以得到的具体数值还是有较大差别。虽然如此，各国所测得的雷电流的波形却基本一致。我国规程规定，在防雷设计中，雷电流的标准参数为2.6/50 μs。

本文针对防雷设计参数2.6/50 μs，采用双指数模型，通过PSCAD软件的逻辑控制模块与计算模块对雷电流波进行模拟，其中加入了延迟环节达到对仿真时间的控制，通过加入了滑动控制环节实现对雷电流幅值的控制，仿真结构如图2所示。

图3仿真结果中由于交直流系统于0.4 s左右达到稳定状态，故雷电流的起始时间为0.5 s。直流系统绕击的耐雷水平为26 kA，故雷电流幅值为20 kA模拟雷击。

图1. 雷击线路等效电路模型

图2. 雷电流仿真结构图

图3. 雷电流仿真波形

3.2. 雷击直流输电线路的暂态仿真

根据上述所建立的模型，雷击直流输电线路的仿真模型，并通过仿真，分别得到直流电压、直流电流、以及交流系统电压、绝缘子上的电压波形如图4~7所示。

另外，整流侧、逆变侧的触发角，逆变侧的关断角波形如图8~10所示。

其仿真结果具体参数如表1、表2所示。

图4~10表明在雷击时，在交流系统上产生了大约68 kV的振荡过电压，后导致交流波形发生畸变，几个周期之后恢复正常。线路杆塔上绝缘子与预期一致，未发生闪络。其电压的波形与直流线路上的基本一致。

图4. 绕击直流后直流线路上的电压波形

图5. 绕击直流后直流线路上的电流波形

图6. 绕击直流后交流线路上的电压波形

图7. 绕击直流后直流线路上的绝缘子两端的电压波形

图8. 绕击直流后整流侧触发角α的暂态波形

图9. 绕击直流后逆变侧超前触发角β的暂态波形

图10. 绕击直流后逆变侧关断角γ的暂态波形

表1. 雷击特高压直流线路正极暂态参数

表2. 雷击特高压直流线路负极暂态参数

4. 结论

论文首先建立了雷电流的仿真模型，通过对比，最后采用双指数模型这一最接近于实际波形的模型来模拟雷电流，基于电磁暂态软件PSCAD，对雷击直流输电线路进行了暂态仿真。得到了关于直流电压、电流、交流电压以及控制系统中的α、β和γ角在雷击之后的暂态变化过程。通过暂态仿真，详细分析了这些参数的电磁过程，以及其相互的影响。

文章引用

彭 澎. 交直流并行线路雷击时电磁暂态仿真研究
Investigation on the Electromagnetic Transient for AC/DC Parallel Line during Lightning Fault[J]. 智能电网, 2015, 05(05): 220-227. http://dx.doi.org/10.12677/SG.2015.55027

参考文献 (References)