光伏電站交流集電系統雷電暫態的計算與分析

王 磊，譚奇特

(晶科電力科技股份有限公司，南京210000)

0 引言

經過多年發展，光伏電站的單體規模越來越大。在地形復雜的山地或丘陵地區建設的光伏電站，其交流集電系統通常采用架空線加電纜的混接方式，但在多雷地區，架空線路遭受雷擊的概率較高，導致匯集線路跳閘、設備損壞等事故頻發。出現此種事故的原因主要有以下兩方面。一方面是因為交流集電系統的電壓等級較低，通常為10 kV 或35 kV，耐雷水平較低，雷電流超過耐雷水平的概率很高，但超過耐雷水平的雷電流對設備絕緣水平的影響到底如何仍需要詳細研究。另一方面是因為光伏電站的交流集電系統屬于非有效接地系統，系統中性點一般是經小電阻接地，接地電流通常在100 A 以上。如此大的接地電流雖然保證了保護選擇的靈敏性，但在雷電入侵發生絕緣子閃絡后極易形成工頻續流，并且電弧不易熄滅，最終引發過流保護動作，導致線路跳閘，嚴重影響交流集電系統的安全穩定運行。

針對光伏發電場區的防雷研究，已有較多文獻[1-8]從發電系統端(光伏陣列、匯流箱、逆變器等)進行了雷電入侵時的仿真計算和研究，但針對交流集電系統的雷電過電壓研究依然較少。基于此，本文以某山地光伏電站為例，針對架空線加電纜的交流集電系統，利用ATP-EMTP 仿真軟件進行建模計算，研究分析了匯集方式、雷擊點、沖擊接地電阻及雷電流等因素作用下交流集電系統的耐雷和過電壓水平，最后探討了仿真模型對數值計算的影響，以期為大型地面光伏電站建設提供有益的參考。

1 仿真模型的建立

1.1 光伏電站交流集電系統

以位于中國西南部某山區的裝機容量為200 MWp的某山地光伏電站為例，電站所在地的年最高雷暴日數為50 天，屬于多雷區。該光伏電站的35 kV 交流集電系統將8 回集電線路進行匯集，最后經220 kV 主變升壓后接入電網；由于場地分散且光伏場區距離升壓站較遠，35 kV 交流集電系統采用架空線加電纜混接的方式，其中1 回集電線路的接線方式如圖1所示。圖中：L1-01 中L1表示區域編號，01 表示電纜編號，以此類推；粗實線部分表示架空線路。

圖1 35 kV 交流集電系統中1 回集電線路的接線方式Fig.1 Wiring mode of one circuit collecting line in 35 kV AC collecting system

從圖1可知：L1區域中7 臺35 kV 升壓變經電纜串接后架入一級架空線終端塔，L3區域中9臺35 kV 升壓變經電纜串接后架入另一級架空線終端塔，2個級別的架空線終端塔再經架空線在終端分支塔處匯合，最后通過同塔雙回架空線路送入升壓站。

1.2 雷電流模型

IEC 60071-2:1996《Insulation co-ordination——part 2: application guide》推薦以Heildler 模型作為防雷計算時的標準模型[9]，因此，本文采用ATP-EMTP 仿真軟件自帶的Heildler 模型。根據GB/T 311.2—2013《絕緣配合 第2 部分：使用導則》，雷電波波頭和波尾時間分別取2.6、50 μs，為負極性雷。

1.3 輸電線路模型

由于雷電的高頻特性，計算過程只有采用與頻率相關的模型才能完全反映雷電所造成的影響。JMarti 模型具有快速、穩定、準確性高的特點，被廣泛應用于雷電暫態計算[10]。本文架空線的導線型號為JL/G1A-240/30，地線型號為GJ-50；線路總長約9 km。電纜采用三芯35 kV 交聯聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護套鋁合金電纜，敷設時鎧裝層和電纜屏蔽層兩端分別接地；電纜截面以3×95、3×120 mm2為主，最后匯集部分的截面以3×150、3×185 mm2為主。不同截面尺寸電纜的主要參數如表1所示。

表1 不同截面尺寸電纜的參數Table 1 Parameters of cables of different section sizes

1.4 桿塔模型

根據GB/T 311.4—2010《絕緣配合 第4 部分：電網絕緣配合及其模擬的計算導則》[11]，為減小誤差，仿真計算時架空線路桿塔按多波阻桿塔模型處理。35 kV 架空線路桿塔由單回塔和雙回塔構成，電纜上塔部分以單回塔為主，其余部分以雙回塔為主，架空線路平均檔距約為200 m；接地電阻暫取10 Ω。35 kV 架空線路的桿塔模型如圖2所示。

圖2 35 kV 架空線路的桿塔模型Fig.2 Tower models of 35 kV overhead line

1.5 35 kV 升壓變模型

本光伏電站35 kV 升壓變采用1.6 MVA 雙繞組美式箱變，該箱變不同于配電系統中使用的箱變，其核心仍是變壓器，因此文中的箱變均針對變壓器討論。在雷電暫態計算中，將箱變等效為入口電容。箱變高壓側入口電容取475 pF，低壓側繞組電容取125 pF，高低壓側繞組間的雜散電容取100 pF[10]。在箱變高壓側出口設置HY5W-51/134 型避雷器，避雷器標稱放電電流I為5 kA，該放電電流下的雷電沖擊殘壓U為134 kV。HY5W-51/134 型避雷器的I-U特性如表2所示。

表2 HY5W-51/134 型避雷器的I-U 特性Table 2 I-U characteristics of HY5W-51/134 arrester

1.6 絕緣子閃絡模型

絕緣子閃絡常用的判據主要有定義法、相交法及先導法。定義法將絕緣子的閃絡電壓視為固定值，主要比較絕緣子串兩端電壓和50%的絕緣子閃絡電壓，認為過電壓超過50%的絕緣子閃絡電壓時即判定為閃絡，某些文獻采用了該方法[10]；先導法因過于復雜，因此較少采用；相交法通過比較絕緣子串的伏秒特性曲線與其兩端過電壓是否相交來判斷閃絡，物理概念清晰且符合實際情況。

本文采用相交法建模，絕緣子串伏秒特性參考文獻[12]中提出的公式，即：

式中：Us-t為絕緣子閃絡電壓，kV；L為絕緣子串的長度，m；t為雷擊開始到閃絡的時間，μs。

2 計算結果與分析

光伏電站交流集電系統的防雷措施主要采用避雷線和避雷器，本電站中的避雷線全線架設；避雷器分別設置在電纜和架空線分接處及各箱變高壓側。箱變低壓側采用浪涌保護器保護。由于電纜全部為埋地敷設，埋地深度約0.8 m，雷電直接擊中電纜的概率不大，因此主要考察雷電擊中架空線路后雷電波造成的影響。

2.1 匯集方式的影響

光伏方陣中的箱變通常采用高壓側串接的方式進行匯集，雷電擊中架空線路后，隨著箱變串接數量的增多，雷電流的分流也相應增多。

選取交流集電系統中一回集電線路上的7 臺箱變(1#箱變～7#箱變)，分別計算箱變串接數量不同時箱變處的過電壓，計算結果如表3所示。表中，括號內的數值為避雷器吸收的能量，kJ，下同。

由表3可知：隨著箱變數量增多，箱變處過電壓水平和避雷器吸收的能量均有明顯降低，分流效果比較明顯。當箱變數量增多時，雖然有電纜間隔，但各個箱變處的過電壓相差不大；匯集線并聯后的過電壓計算結果與此相似。

表3 箱變串接數量不同時箱變處的過電壓計算結果 (單位：kV)Table 3 Calculation results of overvoltage at box transformer with different serial connection quantity(Unit：kV)

2.2 雷擊點影響

通常，2 km 內桿塔遭受雷擊對設備的影響最大。本架空線路平均檔距約200 m，對前6 級桿塔(桿塔1～桿塔6)遭受雷擊后箱變和電纜處的過電壓進行仿真計算。不同雷擊點下箱變和電纜處的過電壓計算結果如表4所示。

由表4可知：雷擊桿塔1 時，箱變和電纜處的過電壓最為嚴重；隨著雷擊點后移，過電壓衰減較快，同時避雷器吸收的能量快速衰減；從桿塔5 開始，過電壓水平趨于相近，通過觀察過電壓波形發現，此時傳遞到箱變和電纜處的過電壓主要為折射和反射形成的振蕩波形，能量也很微弱。產生這種現象的原因與全線架設地線，同時地線分段接地有關，雷電擊中桿塔后電流通過桿塔和避雷線流入大地，經過多級桿塔的分流，傳遞到箱變處的能量就很有限。因此，為防范并降低雷擊跳閘對光伏電站的影響，多雷區架空匯集線宜全線架設地線。

表4 不同雷擊點下箱變和電纜處的過電壓計算結果Table 4 Calculation results of overvoltage at box transformer and cable under different lightning strike points

2.3 雷電流的影響

GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》中第5.3.1-6 條規定了有地線線路的耐雷水平，其中35 kV 電壓等級下的耐雷水平為24～36 kA。一般情況下，實際雷電流超過該值的概率約為38.9%～53.3%，概率較高，因此有必要計算不同雷電流下箱變處的過電壓和避雷器放電電流，計算結果如表5所示。

從表5可以看出：在雷電流低于33 kA 時，絕緣子未發生閃絡，避雷器也未動作，說明設備相對安全；隨著雷電流提高，箱變處的過電壓和避雷器放電電流同步提高，即使240 kA 雷電流入侵，箱變處的過電壓也在絕緣水平(200 kV)內，此時雷電流發生的概率是0.2%。由于電纜處的過電壓會略高于箱變處的，考慮絕緣裕度后，交流集電系統能夠承受200 kA 以內的雷電流沖擊，這主要依賴于良好的接地和避雷器的正常工作。但隨著雷電流增加，避雷器放電電流接近10 kA，遠超避雷器的標稱放電電流(5 kA)，這可能會導致避雷器損毀。因此，為保證設備安全可靠運行，在雷電流過大的地區宜采用標稱放電電流為10 kA 的氧化鋅避雷器(MOA)。

表5 不同雷電流下箱變處的過電壓和避雷器放電電流計算結果Table 5 Calculation results of overvoltage at box transformer and arrester discharge current under different lightning currents

2.4 避雷器脫網的影響

箱變和電纜設備的雷電沖擊絕緣水平均為200 kV，通過上文仿真可知，由于避雷器的保護，即使遭受較高的雷電流入侵，設備過電壓也能限制在絕緣水平之內。在35 kA 雷電流入侵下，若避雷器損壞或其他原因造成避雷器脫網，箱變處的過電壓如圖3所示。

圖3 避雷器脫網工況下箱變處的過電壓Fig.3 Overvoltage at box transformer under off grid condition of arrester

從圖3可以看出：在35 kA 雷電流入侵下，若僅箱變處的避雷器脫網，箱變處過電壓由116 kV(本文分析的是絕對值，下同)上升至194 kV；若箱變和電纜處的避雷器都脫網，箱變處過電壓進一步升至311 kV。綜上可知，假如避雷器脫網，即使在較小的雷電流入侵下，過電壓水平也會顯著升高并會危及設備絕緣安全，因此需要定期對相關設備進行檢修維護。

2.5 接地電阻的影響

GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中第5.1.3 條規定了線路桿塔工頻接地電阻要求的范圍，根據土壤電阻率的不同，取值在10～30 Ω 之間。在雷電入侵下，工頻接地電阻表現為沖擊接地電阻，取平均沖擊系數0.8，對不同沖擊接地電阻下箱變和電纜處的過電壓進行計算，計算結果如表6所示。

表6 不同沖擊接地電阻下箱變和電纜處的過電壓計算結果Table 6 Calculation results of overvoltage at box transformer and cable under different impulse grounding resistance

從表6可以看出：隨著沖擊接地電阻的增大，線路的耐雷水平呈下降趨勢，而過電壓呈上升趨勢。

當雷電流為100 kA、沖擊接地電阻為4 Ω時，箱變處過電壓為126.9 kV，避雷器吸收能量為8.5 kJ；當沖擊接地電阻升至24 Ω 時，過電壓將升至165.8 kV，避雷器吸收能量達到52.8 kJ。因此，沖擊接地電阻較高時，交流集電系統的耐雷水平下降，導致絕緣子的閃絡幾率變高，對電氣設備和避雷器的危害更大。

2.6 對電纜的影響

選取一段電纜，長度約為438 m。雷電波傳遞到該電纜處時，電纜內部首端到尾端不同位置的過電壓情況如圖4a 所示，圖中：不同顏色曲線代表電纜內部不同位置的過電壓，下同。

從圖4a 可知：在電纜內部不同位置，過電壓水平相差不大，這與電纜長度較短有關。如果將電纜長度增至3 km，則雷電波傳遞到電纜處時，電纜內部首端到尾端不同位置的過電壓情況如圖4b 所示。

從圖4b 可知：最大過電壓出現的時間點出現了階梯性延遲，并且首、尾端過電壓程度差別較大，尾端過電壓較首端高出約33.9%，這與避雷器保護距離有限有關。

圖4 不同電纜長度下電纜內部不同位置的過電壓Fig.4 Overvoltage at different positions inside cable under different cable lengths

2.7 加裝避雷器

綜上分析可知，雖然有避雷器的保護，但當雷電流過大時依然會對設備的絕緣性能造成較大影響，若想降低這種不利影響，除了可以降低接地電阻外，還可考慮在線路上加裝避雷器。由于雷擊時對雷擊終端附近的桿塔影響最大，因此可考慮在離終端塔最近的2 級桿塔上加裝避雷器，避雷器類型可選擇氧化鋅避雷器。在雷電流取100 kA 工況下，避雷器加裝前、后箱變處過電壓計算結果如圖5所示。

圖5 在雷電流取100 kA 工況下，避雷器加裝前、后箱變處過電壓計算結果Fig.5 Under condition that lightning current is 100 kA，calculation results of overvoltage at box transformer before and after arrester installation

由圖5可知：在雷電流取100 kA 工況下，避雷器加裝前，箱變處過電壓為149.6 kV(絕對值，下同)；避雷器加裝后，箱變處過電壓降至112.5 kV。與此同時，加裝避雷器后，避雷器放電電流從5.17 kA 降至2.62 kA，因此加裝避雷器不僅可以有效抑制過電壓，還能分擔原避雷器通流壓力。但需要注意的是，該做法對交流集電系統的耐雷水平略有影響，避雷器加裝前其耐雷水平為33 kA，加裝后降低至31 kA。

通過分析實時數據發現，避雷器加裝前，導線上的感應電壓與絕緣子串兩端電壓差較小，未達到閃絡電壓；避雷器加裝后，起初雖未閃絡，但感應電壓超過100 kV，避雷器有放電現象，避雷器放電瞬間導線感應電壓被鉗位至避雷器初始放電電壓(約77 kV)，絕緣子串兩端電壓差瞬時變大，從而導致閃絡放電。因此，加裝避雷器僅對雷電流過大引起的防雷問題較為有效。

2.8 仿真模型對計算結果的影響

箱變入口電容是雷電暫態計算的重要參數，在高電壓等級(500/750 kV)的計算中，該值對過電壓的影響較大。因此，理論上應以箱變入口電容實測值作為原始數據，但由于各種原因導致實測值不易獲取，并且不同廠家設備之間的差異導致測量結果可能差別較大。GB/T 311.4—2010[11]和文獻[12-13]給出了一些參考值，而文獻[14]給出了箱變入口電容C的計算公式為：

式中：K和n均為擬合參數，35 kV 電壓等級推薦K取350、n取3；S為箱變容量，MVA，本文取1.6。

根據式(2)可得到，35 kV 交流集電系統的箱變入口電容為409 pF。

文獻[15]利用有限元分析軟件對箱變進行電磁場建模，提取了繞組間和對地的電容。為避免設備參數對計算結果的影響，針對不同設備參數下的箱變過電壓進行計算很有必要。因此，對箱變入口電容分別取300、475、2000、5000 pF 時箱變處的過電壓進行仿真，仿真結果如圖6所示。

圖6 不同箱變入口電容時箱變處的過電壓仿真結果Fig.6 Simulation results of overvoltage at box transformer with different transformer inlet capacitance

由圖6可知：不同箱變入口電容下的仿真結果差別不大。

絕緣子閃絡模型也是雷電暫態計算的重要組成部分，因相交法和定義法均可用于判定閃絡，因此本文針對這2 種方法分別建立了絕緣子閃絡模型，用于箱變處過電壓計算。不同絕緣子閃絡模型下箱變處過電壓如圖7所示。

圖7 不同絕緣子閃絡模型下箱變處過電壓Fig.7 Overvoltage at box transformer under different insulator flashover models

從圖7可知：2 種方法得到的箱變處過電壓結果相差不大，這是因為35 kV 架空線絕緣子串長度很短，閃絡特性曲線非常陡峭，雷擊發生后在很短的時間里即達到50%的絕緣子閃絡電壓，因此結果差別不大；但相交法得到的結果比定義法得到的略高。

另外，絕緣子串長度對絕緣子閃絡特性和50%的絕緣子閃絡電壓都有決定性影響，35 kV架空線路通常采用3～4 片U70BP/146D 型瓷絕緣子，在計算中，若將終端塔附近桿塔的絕緣子片數調整為5～6 片后，交流集電系統的耐雷水平將由33 kA 上升至48 kA；調整為9～10 片后，耐雷水平將上升至70 kA。這種方法對提高交流集電系統耐雷水平比較有用，但若防雷問題不是由耐雷水平不夠引起，而是由雷電流過大引起的，此種方法效果不大，并且有可能增加閃絡后的過電壓水平。另外，增加絕緣子串長度相當于提高電壓等級，相應的桿塔塔型和塔材都會改變，成本也會增加，因此需要綜合考慮。

3 結論

本文以某山地光伏電站為例，針對架空線加電纜的交流集電系統，利用ATP-EMTP 軟件建立相關模型，研究了多種因素作用下交流集電系統的耐雷和過電壓水平，并探討了仿真模型對計算結果的影響，得出以下結論：

1)架空地線具有引雷、分流、耦合、屏蔽等效果，對降低雷電危害至關重要。因此為防范并降低雷擊跳閘對光伏電站的影響，多雷區架空匯集線宜全線架設地線。

2)在地線分段接地、避雷器狀態良好的情況下，匯集線系統能夠承受較大的雷電流沖擊，但在雷電流過大時，避雷器放電電流將會超過額定值，宜采用標稱放電電流為10 kA 的氧化鋅避雷器。同時，若避雷器損壞或脫網，即使較小的雷電流入侵也能造成很大的過電壓沖擊，危及設備絕緣。

3)交流集電系統的耐雷水平和過電壓水平均與接地電阻值密切相關，因此在多雷區，應盡可能保持桿塔沖擊接地電阻在較低的水平。

4)雷擊難以避免，尤其是在多雷區，為盡可能降低雷擊造成的影響，減少損失，應從全線架設地線、地線良好接地、降低沖擊接地電阻、增加絕緣子串長度、線路加裝避雷器等方面入手，但增加絕緣子串長度和線路加裝避雷器這2 種方法有利有弊，需要依據現場情況綜合考慮。

5)在35 kV 電壓等級下，當電纜長度不是太長時，電纜內部過電壓與端部基本一致；且變壓器入口電容大小和絕緣子閃絡模型類型對計算結果的影響不大。

6)由于升壓站端的匯集線系統同樣為架空線加電纜混合進線的方式，因此本文中的相關結論同樣適用于升壓站端。