±800 kV錫盟—泰州特高壓直流輸電工程交流側(cè)暫態(tài)過電壓

李高望，李亞男，鄒欣

(國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

?

±800 kV錫盟—泰州特高壓直流輸電工程交流側(cè)暫態(tài)過電壓

李高望，李亞男，鄒欣

(國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

換流站交流側(cè)暫態(tài)過電壓水平直接關(guān)系到換流站設(shè)備的絕緣配合和運(yùn)行安全。該文分析了換流站交流側(cè)暫態(tài)過電壓的機(jī)理以及影響過電壓的因素，并依托錫盟—泰州±800 kV特高壓直流輸電工程，建立了EMTDC電磁暫態(tài)仿真模型，對(duì)該工程送、受端換流站交流側(cè)的暫態(tài)過電壓水平進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果表明，送受端500 kV交流母線若采用額定電壓為396 kV的避雷器，保護(hù)水平可取761 kV，若采用額定電壓為420 kV的避雷器，保護(hù)水平取858 kV。受端1 000 kV交流母線采用額定電壓為828 kV避雷器，保護(hù)水平取1 460 kV。計(jì)算結(jié)果可為工程后續(xù)研究和建設(shè)提供技術(shù)參考。

特高壓直流輸電；暫態(tài)過電壓；避雷器

AC-Side Transient Overvoltage in ±800 kV Ximeng-Taizhou

0 引 言

特高壓直流輸電技術(shù)具有大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗的優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)目前實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置的有效途徑。“十二五”期間，我國(guó)特高壓電網(wǎng)的構(gòu)建將以大煤電、大水電、大核電、大可再生能源基地的集約化開發(fā)外送為主導(dǎo)，適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展、保障電力供應(yīng)安全為目的進(jìn)行建設(shè)[1]。

錫林郭勒盟地廣人稀，煤炭和風(fēng)電資源豐富，開發(fā)條件優(yōu)越，環(huán)保容量相對(duì)較大，適宜大規(guī)模開發(fā)建設(shè)煤電和風(fēng)電基地。同時(shí)，合理有序地開發(fā)能源資源，可以促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，將地區(qū)資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。而地處我國(guó)東部的江蘇省，用電負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，且能源資源相對(duì)匱乏，存在著電源結(jié)構(gòu)單一、平均單機(jī)容量小、煤炭資源緊缺、煤炭運(yùn)輸困難、電源峰谷調(diào)節(jié)性能不足、電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)峰壓力大等問題，亟需大規(guī)模接收外來電力，緩解能源及用電壓力。因此，規(guī)劃建設(shè)錫盟—泰州±800 kV特高壓直流輸電工程，以促進(jìn)錫盟煤電基地的開發(fā)，緩解江蘇電力供需矛盾。

錫盟—泰州±800 kV特高壓直流輸電工程相比以往特高壓直流工程具有2個(gè)重要特點(diǎn)：首先，該工程額定輸送功率10 000 MW，是目前輸送功率最大的直流工程；其次，該工程受端換流站采用分層接入交流系統(tǒng)的方案，即泰州換流站各50%電力分別接入1 000 kV和500 kV電網(wǎng)，這對(duì)直流工程的設(shè)計(jì)提出更高的要求。其中，工程設(shè)計(jì)過程的一個(gè)重要內(nèi)容是研究換流站交流暫態(tài)過電壓水平，其結(jié)果將關(guān)系到換流站絕緣配合方案及交直流系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

本文分析換流站交流暫態(tài)過電壓機(jī)理，并依托錫盟—泰州±800 kV特高壓直流工程，搭建EMTDC電磁暫態(tài)仿真模型，計(jì)算換流站交流側(cè)暫態(tài)過電壓水平。本文的研究結(jié)論為特高壓分層接入方案的絕緣配合提出了重要的參考和方法。

1 換流站交流側(cè)暫態(tài)過電壓機(jī)理

1.1 交流側(cè)暫態(tài)過電壓機(jī)理

工頻過電壓對(duì)避雷器額定電壓和設(shè)備絕緣能力的選擇至關(guān)重要，產(chǎn)生工頻過電壓的主要原因，包括空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)、不對(duì)稱接地故障、發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷等。影響工頻過電壓幅值和持續(xù)時(shí)間的主要因素有故障時(shí)刻濾波器的投入容量、交流系統(tǒng)的短路容量、換流變飽和勵(lì)磁特性等。

換流站交流側(cè)的操作過電壓主要是由交流系統(tǒng)接地故障、逆變側(cè)失去交流電源或開關(guān)操作等引起，其過電壓通常由交流母線避雷器來限制[2-3]。

交流系統(tǒng)三相接地故障的示意圖如圖1所示。換流站附近發(fā)生三相接地故障，交流濾波器組經(jīng)故障點(diǎn)放電。故障清除后，系統(tǒng)電源通過系統(tǒng)等值阻抗向交流濾波器組和換流變壓器充電引起暫態(tài)振蕩過程，進(jìn)而導(dǎo)致交流母線產(chǎn)生過電壓。

圖1 交流系統(tǒng)三相接地故障簡(jiǎn)化示意圖

逆變側(cè)失去交流電源引起的過電壓，則是由于逆變站與交流系統(tǒng)斷開后，直流電流繼續(xù)流入逆變站，而此時(shí)交流母線濾波器是唯一的吸收能量裝置，導(dǎo)致交流母線電壓升高。據(jù)調(diào)研，在運(yùn)的特高壓直流工程逆變站配有最后一組斷路器保護(hù)，通過檢測(cè)開關(guān)的分位信號(hào)，在失去交流電源前閉鎖換流器，從而限制交流母線過電壓水平。

1.2 影響交流暫態(tài)過電壓的因素

在交流暫態(tài)過電壓研究中，仿真模型的詳細(xì)程度決定了仿真結(jié)果的可信性。因此有必要對(duì)影響交流暫態(tài)過電壓的因素進(jìn)行分析，以便于仿真模型的搭建。從1.1節(jié)的分析可知，影響交流暫態(tài)過電壓的幾個(gè)重要因素包括換流器、換流變、交流濾波器、避雷器以及交流網(wǎng)絡(luò)[4]。

換流器在故障期間是運(yùn)行的，對(duì)交流故障引起的過電壓有一定的抑制作用。仿真模型若不考慮換流器的阻尼作用，可用可控電流源來模擬換流器，其仿真結(jié)果趨于保守。若仿真模型含有詳細(xì)的換流器模塊，其結(jié)果與實(shí)際工況更相近。

換流變壓器是直流系統(tǒng)的重要設(shè)備，與換流閥一起實(shí)現(xiàn)交直流之間的相互轉(zhuǎn)換。交流側(cè)發(fā)生故障，如果變壓器中剩磁嚴(yán)重，則不對(duì)稱的飽和電流會(huì)引起諧波電壓。

交流濾波器由電感、電容和電阻構(gòu)成，其設(shè)計(jì)過程通常綜合考慮系統(tǒng)條件、無功補(bǔ)償需求以及濾波性能等因素。仿真模型中若采用電容元件來模擬整個(gè)濾波系統(tǒng)，其結(jié)果是保守的，且與實(shí)際工況差距很大。

目前在運(yùn)在建的特高壓直流工程，全部采用金屬氧化物無間隙避雷器。根據(jù)換流站避雷器配置原則，交流側(cè)產(chǎn)生的過電壓應(yīng)盡可能由位于換流站交流側(cè)的避雷器予以限制，交流母線避雷器應(yīng)承擔(dān)起主要的限制過電壓作用。交流側(cè)避雷器主要配置在換流變進(jìn)線的網(wǎng)側(cè)以及交流濾波器大組母線。

換流站交流過電壓采用PSCAD/EMTDC或EMTP等電磁暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行研究。由于受仿真工具計(jì)算規(guī)模限制，涉及交流電網(wǎng)的仿真往往需要對(duì)原始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行必要的等值簡(jiǎn)化[5]。等值前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性、短路特性以及2～3 s內(nèi)的機(jī)電暫態(tài)特性應(yīng)相近。由于故障仿真是暫態(tài)過程，利用等值網(wǎng)絡(luò)所得結(jié)果是可信的。在搭建交流暫態(tài)過電壓仿真模型時(shí)，應(yīng)對(duì)等值前后的系統(tǒng)潮流、三相及單相短路水平等進(jìn)行校核。此外，在計(jì)算交流側(cè)操作過電壓時(shí)，通常選取最小系統(tǒng)短路容量。

2 交流側(cè)避雷器參數(shù)選擇

3 換流站操作過電壓仿真計(jì)算

3.1 交流系統(tǒng)條件

交流暫態(tài)過電壓研究需要盡可能反映故障情況下交流系統(tǒng)的真實(shí)響應(yīng)，同時(shí)應(yīng)考慮到極端情況以及過渡方式等交流系統(tǒng)較弱情況。根據(jù)工程可研[15]，接入系統(tǒng)示意圖如圖2所示，錫盟換流站和泰州換流站的最小短路水平見表1。

圖2 接入系統(tǒng)示意圖

3.2 換流變參數(shù)

根據(jù)本工程成套設(shè)計(jì)[16]，換流變壓器的詳細(xì)參數(shù)見表2～4。

表2 錫盟站換流變壓器參數(shù)

Table 2 Parameters of converter transformer in Ximeng station

表3 泰州站換流變壓器參數(shù)(500 kV側(cè))

表4 泰州站換流變壓器參數(shù)(1 000 kV側(cè))

3.3 交流濾波器配置

錫盟站配置16組交流濾波器，采用大小組配置方式，其中，濾波器11組，小組容量245 Mvar；并聯(lián)電容器5組，小組380 Mvar；泰州站500 kV交流母線配置交流濾波器14組，采用大小組配置，其中9組250 Mvar，5組210 Mvar；泰州站1 000 kV交流母線配置交流濾波器12組，都為275 Mvar。

3.4 仿真模型

根據(jù)計(jì)算條件建立電磁暫態(tài)仿真模型，建模軟件為PSCAD v4.5。其中，換流器采取詳細(xì)建模，換流變采用含分接頭的變壓器模型，交流濾波器采用詳細(xì)的R、L、C元件模擬。

3.5 仿真時(shí)序

仿真時(shí)序見表5。

表5 仿真時(shí)序

Table 5 Simulation sequence

輸送功率按1.05倍過負(fù)荷考慮。故障開始和消除時(shí)間考慮12種工況，分別對(duì)應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)等間隔的12個(gè)角度。避雷器能量計(jì)算時(shí)間取至故障清除后100 ms。避雷器最大能量在取其最小特性曲線條件下計(jì)算，最高電壓及相應(yīng)的電流在取其最大特性曲線條件下計(jì)算得到。仿真研究中，通常假設(shè)故障期間和故障后直流系統(tǒng)一直處于閉鎖狀態(tài)以達(dá)到全部甩負(fù)荷，這樣得到的結(jié)果趨于保守。對(duì)于整流側(cè)故障，直接閉鎖兩站；對(duì)于逆變側(cè)故障，逆變站投旁通對(duì)，整流站移相。

3.6 仿真結(jié)果

3.6.1 錫盟換流站

針對(duì)錫盟站，提出2種交流母線避雷器的配置方案。

方案1：采用額定電壓為396 kV避雷器，換流變網(wǎng)側(cè)每相配置16柱避雷器，濾波器大組母線每相配4柱。

方案2：采用額定電壓為420 kV避雷器，換流變網(wǎng)側(cè)每相配置8柱避雷器，濾波器大組母線每相配4柱。

在直流系統(tǒng)過負(fù)荷運(yùn)行(輸送功率10 500 MW)時(shí)，按照第3.5節(jié)的故障類型以及時(shí)序開展仿真計(jì)算，結(jié)果見表6。

表6 錫盟換流站交流過電壓仿真結(jié)果

Table 6 Simulation results of AC overvoltage in Ximeng station

仿真結(jié)果表明：

(1)配置額定電壓為396 kV的避雷器是符合特高壓直流工程交流母線避雷器配置原則的，每相配置20柱，過電壓水平滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)若按照500 kV交流工程的絕緣配合設(shè)計(jì)原則，換流站內(nèi)的交流母線避雷器額定電壓取420 kV，保護(hù)水平取858 kV，過電壓仿真結(jié)果也滿足設(shè)計(jì)要求。

3.6.2 泰州換流站

(1)泰州站500 kV側(cè)。

針對(duì)泰州站500 kV側(cè)，提出2種交流母線避雷器的配置方案。

方案1：采用額定電壓為396 kV的避雷器，換流變網(wǎng)側(cè)每相配置4柱避雷器，濾波器大組母線每相配2柱。

方案2：采用額定電壓為420 kV的避雷器，換流變網(wǎng)側(cè)每相配置4柱避雷器，濾波器大組母線每相配2柱。

仿真結(jié)果見表7。

表7 泰州換流站500 kV側(cè)交流過電壓仿真結(jié)果

Table 7 Simulation results of AC transient overvoltage in Taizhou station (500 kV side)

仿真表明，泰州站500 kV側(cè)配置額定電壓為396 kV的交流避雷器，過電壓水平滿足設(shè)計(jì)要求。若參照500 kV交流工程的絕緣配合設(shè)計(jì)原則，換流站內(nèi)的交流母線避雷器額定電壓取420 kV，保護(hù)水平取858 kV，過電壓水平同樣滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)泰州站1 000 kV側(cè)。

泰州站1 000 kV側(cè)采用額定電壓為828 kV的交流避雷器，仿真結(jié)果見表8。

表8 泰州換流站1 000 kV側(cè)交流過電壓仿真結(jié)果

Table 8 Simulation results of AC transient overvoltage in Taizhou station (1 000 kV side)

仿真結(jié)果表明，最高過電壓為1 398.00 kV，低于保護(hù)水平1 460 kV。

4 結(jié) 論

(1)錫盟換流站交流母線若選擇額定電壓為396 kV的交流避雷器，每相需配置20柱，過電壓為754.05 kV，保護(hù)水平取761 kV；若選擇額定電壓為420 kV的交流避雷器，每相配置12柱，過電壓為839.70 kV，保護(hù)水平取858 kV。

(2)泰州換流站500 kV側(cè)若選擇額定電壓為396 kV的交流避雷器，每相配置6柱，過電壓為743.41 kV；若選擇額定電壓為420 kV的交流避雷器，每相配置6柱，過電壓為777.41 kV。

(3)泰州換流站1 000 kV側(cè)選擇額定電壓為828 kV的交流避雷器，每相配置24柱，過電壓為1 398 kV，保護(hù)水平取1 460 kV。

[1]劉振亞，張啟平，董存，等. 通過特高壓直流實(shí)現(xiàn)大型能源基地風(fēng)、光、火電力大規(guī)模高效率安全外送研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(16): 2513-2522. Liu Zhenya，Zhang Qiping，Dong Cun，et al.Efficient and security transmission of wind, photovoltaic and thermal power of large-scale energy resource bases through UHVDC projects[J]. Proceedings of the CSEE，2014,34(16): 2513-2522.

[2]張翠霞，劉之方. ±800 kV直流輸電工程過電壓保護(hù)與絕緣配合研究[J]. 中國(guó)電力，2006，39(10): 43-46. Zhang Cuixia, Liu Zhifang. Study on over-voltage protection and insulation coordination for the ±800 kV DC power transmission project[J]. Electric Power，2006，39(10): 43-46.

[3]周沛洪，修木洪，谷定燮，等. ±800 kV直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)和絕緣配合研究[J]. 高電壓技術(shù)，2006，32(12): 125-132. Zhou Peihong, Xiu Muhong, Gu Dingxie, et al. Study on overvoltage protection and insulation coordination for ±800 kV HVDC transmission syste[J]. High Voltage Engineering，2006，32(12): 125-132.

[4]趙婉君. 高壓直流輸電工程技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2004. Zhao Wanjun. HVDC transmission technology[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2004.

[5]林濟(jì)鏗，閆貽鵬，劉濤，等. 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真外部系統(tǒng)等值方法綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(11): 108-115. Lin Jikeng, Yan Yipeng, Liu Tao, et al. Review on external system equivalent method for electromagnetic transient simulation of power systems[J]. Automation of Electric Power Systems，2012，36(11): 108-115.

[6]DL/T 804—2002 交流電力系統(tǒng)金屬氧化物避雷器使用導(dǎo)則[S]. DL/T 804—2002 Application guide of metal oxide surge arresters for A.C. Power System[S]. [7]IEC 60099-5—2000 Surge arrester-Part 5: selection and application recommendation[S].

[8]谷定燮，周沛洪，修木洪，等. 交流1 000 kV輸電系統(tǒng)過電壓和絕緣配合研究[J]. 高電壓技術(shù)，2006,32(12)：1-6. Gu Dingxie, Zhou Peihong, Xiu Muhong, el. Study on overvoltage and insulation coordination for 1 000 kV AC transmission system [J]. High Voltage Engineering, 2006,32(12)：1-6.

[9]呂金壯，趙杰. 云廣±800 kV直流輸電系統(tǒng)過電壓與絕緣配合研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(2):18-22. Lyu Jinzhuang, Zhao Jie. Study on the overvoltage and insulation coordination of Yunnan-Guangdong [J]. Southern Power System Technology, 2009,3(2):18-22.

[10]聶定珍，袁智勇. ±800 kV向家壩—上海直流工程換流站絕緣配合[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007,31(14):1-5. Nie Dingzhen, Yuan Zhiyong. Research on insulation coordination for converter stations of ±800 kV UHVDC project from Xiangjiaba to Shanghai [J]. Power System Technology, 2007,31(14):1-5.

[11]聶定珍，馬為民，李明. 錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程換流站絕緣配合[J]. 高電壓技術(shù),2010,36(1):92-97. Nie Dingzhen, Ma Weimin, Li Ming. Insulation coordination for converter stations of UHVDC project from Jinping to Sunan[J]. High Voltage Engineering, 2010,36(1):92-97.

[12]陳錫磊，周浩，王東舉，等. 溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電工程浙西換流站絕緣配合[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2012,36(2):7-12. Chen Xilei, Zhou Hao, Wang Dongju, et al. Insulation coordination for Zhexi converter station of ±800 kV DC power transmission project from Xiluodu to Zhexi[J]. Power System Technology,2012,36(2):7-12.

[13]GB/Z 24842—2009 1 000 kV特高壓交流輸變電工程過電壓和絕緣配合[S]. GB/Z 24842—2009 Overvoltage and insulation coordination of 1 000 kV UHV AC transmission project [S].

[14]谷定燮，王保山，李振強(qiáng). 降低1 000 kV變電站避雷器額定電壓的可行性[J]. 高電壓技術(shù)，2012，38(02): 295-302. Gu Dingxie, Wang Baoshan, Li Zhenqiang. Feasibility of lowering the rated voltage of 1 000 kV substation MOA[J]. High Voltage Engineering，2012，38(02): 295-302.

[15]中國(guó)電力工程顧問集團(tuán). 錫盟—江蘇泰州±800 kV特高壓直流輸電工程可行性研究[R]. 北京：中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)，2015. China Power Engineering Consulting Group CO., LTD.. Ximeng-Jiangsu Taizhou feasibility study ± 800 kV UHVDC transmission project[R]. Beijing: China Power Engineering Consulting Group CO., LTD.2015. [16]國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院. 錫盟—江蘇泰州±800 kV直流輸電工程主回路參數(shù)研究報(bào)告[R]. 北京：國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，2015. State Power Economic Research Institute. Ximeng-Jiangsu Taizhou ± 800 kV DC transmission project main circuit parameters Report [R]. Beijing: State Power Economic Research Institute, 2015.

(編輯：張媛媛)

UHVDC Transmission Project

LI Gaowang, LI Yanan, ZOU Xin

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

The AC-side transient overvoltage level of converter station directly affects the insulation coordination and operation safety of the equipments in converter station. The mechanism and influence factors of the AC-side transient overvoltage of converter station were analyzed. The EMTDC electromagnetic transient simulation model was established based on Ximeng-Taizhou ± 800 kV UHVDC transmission project, and the AC-side transient overvoltage level of converter stations in transmitter/receiver system of this project were calculated. The results show that the switching impulse protective level can be set to 761 kV if the 500 kV AC bus in transmitter/receiver system uses the arrester with 396 kV rated voltage; the switching impulse protective level can be set to 858 kV if the rated voltage of arrester is 420 kV; and the switching impulse protective level can be set to 1460 kV if the 1 000 kV AC bus in receiver system uses the arrester with 828 kV rated voltage. The calculation results can provide technical reference for subsequent research and construction.

UHVDC transmission; transient overvoltage; arrester

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目 (SGCC[2012]515)。

TM 864

A

1000-7229(2015)09-0057-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.009

2015-07-09

2015-08-07

李高望(1985)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鲹Q流站設(shè)計(jì)；

李亞男(1971)，女，博士，高級(jí)工程師，本文通信作者，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)穩(wěn)定分析；

鄒欣(1981)，女，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鲹Q流站設(shè)計(jì)。