特高壓換流站濾波器場(chǎng)入地沖擊電流對(duì)二次電纜騷擾特性的研究

嵇建飛， 彭文俊， 史如新， 張 偉， 閆 磊， 張衛(wèi)東， 時(shí)衛(wèi)東， 張兆華， 龐福濱

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000； 2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206； 3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213003； 4.國(guó)網(wǎng)北京昌平供電公司，北京 102206; 5．中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

0 引 言

近年來，特高壓直流輸電技術(shù)在我國(guó)得到了快速發(fā)展，已有多個(gè)工程投運(yùn)或在建[1-4]。伴隨著輸電電壓等級(jí)和電能輸送容量的不斷增大，以及換流站內(nèi)二次設(shè)備數(shù)字化、電子化，尤其是換流站采用分層分布式的保護(hù)和控制系統(tǒng)后，大量起保護(hù)、控制、通訊等作用的精密二次設(shè)備就地化布置，致使二次系統(tǒng)受到干擾的幾率大大增加[5-8]。在換流站存在的各種騷擾因素中，因雷擊，短路故障產(chǎn)生的沖擊性電流入地可能會(huì)對(duì)二次系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至損壞二次設(shè)備。2015年，在某±800 kV特高壓直流換流站因雷擊引起了嚴(yán)重的雙極閉鎖事故；2016年，在西北另一個(gè)類似的換流站中，由于斷路器分閘時(shí)其自身發(fā)生單相短路接地故障，許多控制設(shè)備的板卡遭到破壞。

當(dāng)沖擊性電流注入地網(wǎng)時(shí)會(huì)引起暫態(tài)地電位升，由于地電位升的分布很不均勻，因此在接地網(wǎng)的不同地點(diǎn)之間產(chǎn)生了顯著的地電位差[9]。隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、控制和通訊等場(chǎng)合都應(yīng)用的大量的二次屏蔽電纜，當(dāng)其屏蔽或者鎧裝層雙端接地時(shí)，兩個(gè)接地點(diǎn)間的地點(diǎn)位差會(huì)引起在電纜屏蔽層或鎧裝層上的電流流動(dòng)，該電流通過轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納對(duì)電纜芯線產(chǎn)生電磁騷擾[7]。此外，沖擊電流入地會(huì)在地網(wǎng)周圍空間激發(fā)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通過地網(wǎng)與芯線間的近場(chǎng)耦合(互容和互感耦合)也會(huì)對(duì)芯線產(chǎn)生騷擾。最終在芯線端口產(chǎn)生的騷擾電壓可能會(huì)致使二次設(shè)備異常工作甚至損壞。

為了分析二次屏蔽電纜的瞬態(tài)騷擾特性，有學(xué)者在二次電纜分布參數(shù)求解及數(shù)值方法研究、暫態(tài)地電位升和開關(guān)操作對(duì)二次電纜的耦合機(jī)理、二次電纜騷擾測(cè)試與仿真等方面開展了大量工作，取得了一系列成果并應(yīng)用于指導(dǎo)電廠、變電站的設(shè)計(jì)和建造，效果良好[10-20]。然而，現(xiàn)有的研究很少考慮地網(wǎng)對(duì)二次電纜芯線的近場(chǎng)耦合，同時(shí)在屏蔽電纜接地方式的選擇上始終沒有達(dá)成統(tǒng)一意見，而接地又恰是在不增加額外保護(hù)裝置的情況下提升二次電纜抗擾度最有效的措施，因此很有必要針對(duì)上述兩方面問題進(jìn)行更深入的研究。

本文基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和仿真計(jì)算的方法針對(duì)不同接地方式對(duì)電磁騷擾的抑制效果進(jìn)行了研究。在某±800 kV特高壓換流站的500 kV交流濾波器場(chǎng)實(shí)地進(jìn)行了基于沖擊電流入地的二次電纜騷擾試驗(yàn)，獲得了保護(hù)小室、端子箱和機(jī)構(gòu)柜處芯線端口騷擾電壓。利用仿真軟件建立了與實(shí)際布局一致的計(jì)算模型，研究傳導(dǎo)耦合和場(chǎng)耦合對(duì)二次電纜的騷擾特性。調(diào)整模型參數(shù)，對(duì)比多種二次電纜接地方式獲得了騷擾抑制效果較好甚至最佳的接地方式。本文所做的研究可以為換流站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 換流站二次電纜騷擾特性測(cè)試

1.1 基于沖擊電流入地的二次電纜騷擾測(cè)試

使用便攜式的沖擊電流發(fā)生器對(duì)接地網(wǎng)注入沖擊電流來模擬雷擊、短路故障等產(chǎn)生的沖擊性入地電流，以此研究換流站接地網(wǎng)暫態(tài)電位差對(duì)二次電纜的影響。圖1分別展示接地網(wǎng)暫態(tài)電位分布測(cè)試及二次電纜騷擾特性測(cè)試布置。

圖1 沖擊電流入地試驗(yàn) Fig.1 Testing of impulse current injecting into ground

在西北某在運(yùn)特高壓換流站500 kV交流濾波器場(chǎng)展開測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)布局示意圖如圖2所示。該換流站的土壤電阻率采用對(duì)稱四極電測(cè)深法按加權(quán)平均值給出，站址59個(gè)測(cè)點(diǎn)在深度為0.0～50.0 m 的土壤電阻率算數(shù)平均值為281.1 Ω·m。該交流濾波器場(chǎng)的主接地網(wǎng)長(zhǎng)度約為337.5 m，寬度約為182.5 m，埋設(shè)深度為1.3 m，主接地網(wǎng)水平接地體采用185 mm2鍍錫銅絞線，設(shè)備本體接地引線為50×4 mm鍍錫銅排，主接地網(wǎng)垂直接地體采用φ14.2×2.5 m/根的鍍銅鋼棒，地網(wǎng)網(wǎng)格間距為15 m。圖2中圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)表示現(xiàn)場(chǎng)濾波器斷路器7 632所在位置，作為試驗(yàn)沖擊電流注入點(diǎn)；實(shí)線表示場(chǎng)區(qū)二次等電位銅排；雙點(diǎn)劃線表示被測(cè)隔離開關(guān)控制電纜走向，即控制電纜由保護(hù)小室至端子箱，從端子箱至B相機(jī)構(gòu)柜，再?gòu)腂相機(jī)構(gòu)柜分別至A、C相機(jī)構(gòu)柜。該控制電纜選用KYJYP2-22型七芯鎧裝屏蔽電纜，其中四根芯線分別做為分閘控制，合閘控制，允許就地控制及公共端，其余三芯線懸空，控制電纜總長(zhǎng)為114 m。被測(cè)電纜屏蔽層、鎧裝層接地方式如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)布局示意圖Fig.2 Distribution on site

圖3 現(xiàn)場(chǎng)二次電纜接地方式 Fig.3 Grounding way of secondary cables on site

注入波形為近似8/20 μs，電流幅值約為50 A的模擬沖擊電流，以保護(hù)小室所在位置作為零電位參考點(diǎn)，入地點(diǎn)電流波形及暫態(tài)電位差如圖4所示。交流濾波器場(chǎng)中地刀、隔刀及端子箱各設(shè)備處相對(duì)于保護(hù)小室的暫態(tài)地電位升的最大值標(biāo)注在如圖5 所示設(shè)備平面位置示意圖中。分析圖中數(shù)據(jù)可知，各設(shè)備相對(duì)于保護(hù)小室的暫態(tài)電位差值基本呈現(xiàn)隨距注入點(diǎn)越遠(yuǎn)，電位差值逐漸降低的規(guī)律。

圖4 入地沖擊電流及其暫態(tài)電位差波形Fig.4 Waveforms of impulse current and transient potential difference

圖5 濾波器場(chǎng)暫態(tài)電位差分布圖Fig.5 Distribution of transient potential difference in filter field

以波形近似為8/20 μs、幅值約為250 A的沖擊電流重復(fù)試驗(yàn)。測(cè)得地刀控制電纜在保護(hù)小室、端子箱、機(jī)構(gòu)柜處控制分閘、控制合閘芯線端口對(duì)地電壓波形及數(shù)值，分別如圖6、表1所示。

圖6 二次電纜芯線端口電壓波形 Fig.6 Voltage waveform of secondary cable core wires

表1 二次電纜芯線端口電壓數(shù)值Tab.1 Voltage value of secondary cable core wires

1.2 不同接地方式下二次電纜騷擾測(cè)試

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》，二次電纜應(yīng)采用屏蔽電纜。該文件對(duì)二次電纜屏蔽層的接地方式和位置選擇也都有相應(yīng)的規(guī)定。然而，目前二次電纜普遍采用帶鎧裝層的屏蔽電纜，對(duì)于電纜鎧裝層和屏蔽層的接地方式一直存在爭(zhēng)議，現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行方式不統(tǒng)一。電纜鎧裝層和屏蔽層接地方式不同，其抗干擾效果也不同。因此，有必要研究鎧裝層和屏蔽層不同接地方式下的抗干擾效果。

雷擊或短路故障導(dǎo)致的入地電流能夠達(dá)到上百kA，在變電站/換流站電磁騷擾故障中所占比例最大，達(dá)到了72%[19]。本文以圖2、圖3所展示的控制電纜為研究對(duì)象，在保證入地沖擊電流(波形近似為8/20 μs、幅值約為250 A)不變的前提下，改變?cè)摲侄坞娎|接地方式，測(cè)試電纜端口騷擾電壓。受到換流站在運(yùn)影響，不可以隨意改變二次電纜鎧裝層屏蔽層接地方式，因而現(xiàn)場(chǎng)共開展了如附錄A中表A1所示的6種接地方式下的測(cè)試工作，其中接地方式I為換流站濾波器場(chǎng)控制電纜原始接線方式，接地方式IV為現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)后的接線方式。表2展示了接地方式II-VI相對(duì)于接地方式I電纜端口騷擾電壓降低情況。

表A1 現(xiàn)場(chǎng)控制電纜接地方式Tab.A1 Grounding ways of control cable on site

表2 接地方式Ⅱ-Ⅳ下電纜芯線端口騷擾電壓降低情況Tab.2 Voltage reduction of cable core wires under grounding way Ⅱ-Ⅳ

由表2可見，鎧裝層、屏蔽層不同接地方式對(duì)二次電纜騷擾電壓有不同程度的抗干擾作用。試驗(yàn)中，接地方式IV抗干擾能力最強(qiáng)，說明現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)后的接線方式效果顯著。接地方式I和IV下，保護(hù)小室處控制分閘和控制合閘芯線端口騷擾電壓波形對(duì)比如圖7所示。

圖7 接地方式I和IV電纜芯線端口電壓波形Fig.7 Voltage waveform of cable core wires at grounding way I and IV

2 仿真分析

建立了與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布局一致的二次電纜仿真模型，研究現(xiàn)場(chǎng)傳導(dǎo)耦合和場(chǎng)耦合對(duì)二次電纜的電磁騷擾。在模型電路結(jié)構(gòu)圖層中將各電纜屏蔽層、鎧裝層所對(duì)應(yīng)的端口連接電阻、電感、電容等元器件，實(shí)現(xiàn)“接地”或“懸空”；在模型電流注入點(diǎn)處向地網(wǎng)注入沖擊電流，計(jì)算電纜芯線的騷擾電壓。圖8展示了接地方式I的接線情況，圖中×表示鎧裝和屏蔽層都懸浮不接地；未標(biāo)記則表示鎧裝和屏蔽層均接地。

圖8 接地方式IFig.8 Grounding way I

計(jì)算結(jié)果如圖9所示。對(duì)比圖6，可見仿真結(jié)果在電壓波形和數(shù)值大小上與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度較高。表3展示了接地方式IV與接地方式I實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況。盡管仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定程度上的誤差，但該模型的有效性對(duì)二次電纜受擾特性滿足工業(yè)應(yīng)用中的要求。

表3 部分測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of measured data and simulation results

圖9 接地方式I仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of grounding way I

通過改變鎧裝和屏蔽層在保護(hù)小室、端子箱和機(jī)構(gòu)柜處元器件連接情況實(shí)現(xiàn)相應(yīng)浮地或良好接地，一共進(jìn)行了19種情況下芯線對(duì)屏蔽層騷擾電壓求解分析，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 19種接地方式下芯線端口騷擾電壓峰值Tab.4 Disturbance voltage peak in core wires under nineteen grounding ways in simulation

結(jié)合表3和表4仿真結(jié)果進(jìn)行分析可得到如下結(jié)論：

(1)換流站交流濾波器場(chǎng)原始接地方式，即接地方式I，不能很好地抑制因地電位升引起的對(duì)保護(hù)小室和端子箱處控制電纜芯線端口的騷擾。接地方式IV為施工改造后現(xiàn)場(chǎng)重新采用的接地方式，與接地方式I相比，保護(hù)小室處合閘芯線端口騷擾電壓降低了近54.6%，分閘芯線端口騷擾電壓降低近10.1%；端子箱處合閘芯線端口騷擾電壓降低近50.6%，分閘芯線端口騷擾電壓降低近51.3%，這從仿真角度證實(shí)了現(xiàn)場(chǎng)改造對(duì)加強(qiáng)騷擾抑制的有效性。

(2)仿真設(shè)定合、分閘芯線所接負(fù)載不同，此時(shí)得到的合、分閘芯線端口騷擾電壓也有所差別，同時(shí)在不同接地方式下合、分閘芯線端口電壓差異也不同，因此可推測(cè)芯線端口騷擾電壓大小會(huì)受所接負(fù)載和接地方式的共同的影響。

(3)附錄B中，接地方式4對(duì)應(yīng)的是對(duì)多分段電纜，每段電纜都采用鎧裝雙端接地，在敏感設(shè)備處屏蔽單端接地的接地方式，接地方式17對(duì)應(yīng)的是每段電纜都采用鎧裝和屏蔽雙端接地的接地方式，這兩種極端的接地方式對(duì)抑制地電位升對(duì)二次電纜芯線騷擾的效果并不是最好的。綜合考慮接地對(duì)保護(hù)小室及端子箱處芯線端口騷擾電壓的抑制效果，本文根據(jù)仿真結(jié)果推薦采用接地方式2，即保護(hù)小室—端子箱段電纜鎧裝層雙端接地，屏蔽層只在保護(hù)小室處接地，端子箱—B相機(jī)構(gòu)柜段電纜鎧裝層雙端接地，屏蔽層只在端子箱處接地，機(jī)構(gòu)柜之間的電纜鎧裝和屏蔽層只在B相機(jī)構(gòu)柜處接地。

3 結(jié) 論

雷擊或短路故障導(dǎo)致的沖擊性電流入地以及現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)操作能夠通過傳導(dǎo)耦合和場(chǎng)耦合對(duì)二次電纜芯線產(chǎn)生騷擾，進(jìn)而影響端接二次設(shè)備的正常工作甚至損壞二次設(shè)備?；跊_擊電流入地試驗(yàn)，測(cè)試獲得了現(xiàn)場(chǎng)二次電纜6種不同接地方式下的騷擾電壓。結(jié)果顯示，不同接地方式二次電纜的抗干擾能力不同。借助仿真軟件建立了二次電纜電磁騷擾計(jì)算模型，并驗(yàn)證了其有效性。通過該模型可有效預(yù)測(cè)二次電纜騷擾電壓，評(píng)估二次電纜接地方式適用性。最后，基于研究結(jié)果推薦保護(hù)小室—端子箱—機(jī)構(gòu)柜二次電纜接地方案：保護(hù)小室—端子箱電纜鎧裝層雙端接地，屏蔽層只在保護(hù)小室處接地，端子箱—B相機(jī)構(gòu)柜電纜鎧裝層雙端接地，屏蔽層只在端子箱處接地，機(jī)構(gòu)柜間的電纜屏蔽和鎧裝層均只在B相機(jī)構(gòu)柜處接地。