摘要：500kV海缆终端站工程建设中，防雷接地设计、供货由外方承担；500kV线路、变电站由中方设计。由于采用设计标准不同，可能会使两方面计算结果产生差异。为此，在施工中现场工程管理人员力图采用统一的计算方法和参数，以施工现场简易方法，对防雷设计进行校核性计算。通过线路雷电入侵波分析，采用简化计算方法来分析定性，以实现工程质量控制目的。
关键词：海缆终端站；防雷设计；校核计算；工程控制
海南联网工程海南侧电力系统接线，由500kV海底电缆终端站、500kV输电线路和500kV变电站组成。海缆终端站的防雷设计由外方承担，由于和变电站与输电线路采用了不同的设计标准，可能会使计算结果形成差异而影响结论的正确性。因此，在工程质量控制过程中，有必要采用统一的计算参数和条件，对此进行校核性计算。
简化计算仅仅是为了满足工程质量控制的需要，由于施工现场计算条件受限不可能采用通用的电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC和进行复杂的计算精度过程。简化计算方法所得出的结果，以能满足工程控制对问题的定性和判定是否满足工程控制为目的，并以此来校核建设中的终端站绝缘配合。
一、500kV终端站防雷系统简述
500kV海底电缆在海南侧登陆后进入海缆终端站，海缆终端头装置通过软导线连接到#1站内龙门构架，而后通过14.5km架空输电线路进入500kV变电站。
终端站内为满足过电压保护要求，设置1组避雷器（3EP3 444-5PK54-2UA1 20KA），由西门子生产制造。站内防雷设计主要考虑直击雷保护，利用500kV#J1杆塔的双避雷线与#J0站内龙门构架两端连接形成覆盖。同时构架顶端设置避雷针，海缆终端头装置、配电装置、油泵房均在保护范围之内。其辅助设备间和备缆仓库设置避雷带。站内接地网，主要由埋深0.8m的水平接地网络和2.5m长的垂直接地极组成。
根据短路电流计算结果，工频接地电阻0.142Ω[1]。
二、计算条件的分析与判定
根据海缆终端站的防雷设计[1]，工程控制校核性计算的重点是福山至林师岛14.5km输电线路之间。即：输电线路对终端站近区、远区雷击形成雷电入侵波和杆塔绝缘子闪络。为此，对计算条件做进一步分析。
较早期的500kV变电站雷电侵入波计算，在工程中通常采用等值入波条件计算，一般取值近区雷击时2530kV 0.4/40μS，远区雷击时2040kV 1.75/40μS[2]。这种等值入波的方法虽然简化了计算，但近区和远区的等值入波仅考虑了线路挡避雷线的耦合条件和基杆塔接地的影响。而实际上当雷击杆塔电流超过200kA时，普遍会发生线多基杆塔的绝缘子串闪络，这将对侵入终端站的雷电波波形产生影响。而且忽略了终端站和进线段电磁暂态过程的联系，使得计算结果形成误差。为此，在取舍计算条件判定时，是将海缆终端站与架空线路作为统一整体网络来考虑，这样使计算结果更具合理性。
三、计算参数与计算结果的讨论
目前国内设计单位通用的防雷CAD程序与国外防雷计算程序采用标准多有不同[2]。因此，选择计算取值也会有所不同。为此，在计算中有必要对主要参数的选取，做进一步的讨论。
1.输电线路导线的波阻抗
高压输电线路导线的冲击电晕发展过程，主要取决于导线上电压的大小，即：导线波阻抗随电压的变化而变化。一般在工程应用中有两个通用公式对冲击电晕引起导线波阻抗变化的计算。选其中之一，即导线波阻抗计算式（1）。
式（1）
式中，Emm为导线冲击波阻抗（Ω），U为导线上的电压（kV），E。为导线几何波阻抗（Ω），UE为导线起始电晕电压（kV）。
2.导线电晕起始电压的确定
为进一步分析线路导线波阻抗随电压变化的情况，计算中参照规程[3]，其计算取值在实际工程中导线生产厂家资料和设计中获取。其中：1）导线型号为JL/LB1A-300/4；2）对地高度：h=20m；3）单根导线外径：d=24.43?；4）分裂间距：H=450?；5）导线等值半径：r=205。
导线电晕起始电压计算如下（式2）：
式（2）
3.导线波阻抗与雷电过电压灵敏度分析
通过计算电晕起始电压值，并将其代入导线波阻抗计算式（1）中，经计算得知：由电压U=741kV到U=4000kV范围内，波阻抗的变化幅度仅有17%左右。在确认500kV输电线路上雷电过电压一般不超过2000kV的条件下，可判定波阻抗的变化范围在9%之内，这就可以认为波阻抗在电晕起始电压范围内。在计算中将波阻抗设为常数值时，即简化了计算，亦可满足工程控制校核计算的精度。
导线波阻抗对过电压灵敏度分析，结合波阻抗在电晕起始电压范围内的变化情况，在计算时，其波阻抗取几何波阻抗的90%，这样计算出的结果与波阻抗随电压变化所得结果之间的偏差在5%之内。其结果是可以判定其性质的。
4.杆塔波阻抗与波速对过电压灵敏度分析
对杆塔波阻抗的灵敏度分析认为，杆塔波阻抗变化10%时，可能会使过电压变化25%[4]。这样就会对终端站近区雷击产生较大影响。因此，仍需对杆塔波阻抗做进一步分析。
据有关的实验数据表明[4]，杆塔波阻抗由塔顶部到塔底部之间，与波速时间呈函数关系。而从杆塔暂态分量分析，也可以将低位杆塔的波阻抗视为常数。当杆塔高度增加到雷击波在杆塔中往返时间大于雷电波实际时间时，杆塔顶部电压峰值决定于杆塔与避雷线综合冲击特性的影响，而接地电阻分流量很少。
海南500kV线路杆塔高度均在60m以下，当设塔位高为60m时，杆塔的雷电波速为光速C值的70%，即0.7C[4]。其波速往返的时间按下式计算（式3）：
式（3）
规程中[2]规定了雷电冲击电压波速，波头时间1.2μs，波尾50μs。据此，现场工程管理人员对终端站和变电站防雷校核计算时，仍可将杆塔波阻抗视为常数。
基于此，计算中采用下式（4）计算杆塔的波阻抗：
式（4）
式中：h为杆塔高度，r为杆塔等值圆柱半径
对杆塔中波的速度，主要计算为经验公式，或通过测量值进行数学回归得出的结论。杆塔的波速为光速的70%-80%左右。而杆塔波速对过电压灵敏度变化10%时，将带来过电压7%-8%左右的变化。为此，取75%的光速作为杆塔的波速是在合理范围之内。
5.线路绝缘子串放电的V-t特性分析
线路绝缘子放电的V-t特性，对终端站、变电站有较大的影响。绝缘子串放电过程变化10%时，可使雷电过电压变化12%，较远区雷击过电压也会有7%以上的变化。因此，在计算中应力图准确。根据分析已有的资料，采用较多的计算方法是以实测数据为基础，归纳特定的函数，用最小二乘法计算式曲线拟合，也可采用高列夫基本方程式进行特定项归纳公式拟合，绝缘子串的V-t特性计算为式（5）。
式（5）
式中A、T为实验数据式厂家资料特定值
当只能得到绝缘子串50%放电压实测数据时，也可采用以下经验式（6）、（7）计算：
式（6）
式（7）
式中：λmin为绝缘子串长（mm），U50为绝缘子串50%放电电压（kV）
6.绝缘配合计算结果分析
在端站绝缘配合计算中，现场工程管理人员主要考虑，线路绝缘子串放电的V-t特性计算值与试验值进行比较、判定。计算中分别采用了上述V-t特性分析中的式（5）、式（6）、式（7），同时以计算结果验证采用计算式的准确性。V-t特性计算结果表见表1。
从表1计算结果比较中得知，校核性计算结果与试验值相接近，其差异不影响分析问题和定性。由此判定500kV海缆终端站设备绝缘配合满足中方设计要求。
相关的500kV电气设备等值入口电容，见表2。
四、有关运行的分析及建议
1.海南侧500kV输电线路，虽然送电距离较短，但地处强雷电活动区（年平均雷电日为120）[1]，又属于高盐雾地区。有鉴于此，设计中按规程要求，仅考虑采用降低杆塔接地电阻值和减小避雷线保护角等方法来满足雷击跳闸率要求，对运行仍有一定隐患。现场工程管理人员认为：线路中有选择地加装线路避雷器，以减少绝缘子串闪络跳闸机率。
2.雷电过电压的影响虽然仅仅是或然率，但根据海南500kV输电线路在系统中的地位和重要性，设计中以雷击跳闸率不超过规程中规定的一定限度，来确认选择绝缘子片数还有待商榷。现场工程管理人员认为：应考虑以大气过电压来决定选择绝缘子片数。满足极端情况下的影响。尤其是事故运行方式下的相关计算校核绝缘配合，例如；当高抗退出运行，电容电流增加时，雷电过电压对终端站和变电站的影响等计算。
五、结论
1.根据计算结果，外方在海缆终端站的防雷接地设计中，所采用的标准和计算条件在中方已确认的设计范围之内，绝缘配合符合中方设计标准，满足工程建设要求。
2.工程的校核性计算与试验值相接近，证实计算中对计算条件的分析与判定准确。其结果满足工程控制分析问题要求。同时在同类工程中具有参考意义。
3.施工现场工程技术人员对海缆终端站有关运行的分析及建议，基于建设过程中对情况的分析，运行中采集所提出的建议时，仍需做进一步的论证。
参考文献：
[1] 中南电力设计院.500kV福山至林师岛送电线路工程初步设计(第一卷):设计说明及附图[R].2005.
[2] 刘渝根,刘纬,陈先禄.500kV变电站雷电侵入波研究[J].重庆大学学报,2000,(3):17-19.
[3] 水利电力总电力科学研究院高压所.500kV电网过电压保护绝缘综合配合与电气设备接地技术标准(SD119-84)[S],1984.
[4] 解广润.电力系统过电压[M].北京:水利电力出版社,1993.
（责任编辑：熊怡）