特高壓換流站800 kV交流濾波器小組斷路器容性恢復(fù)電壓仿真

申笑林，馬為民，白光亞，聶定珍

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市102209；2.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京市 100052)

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特高壓換流站800 kV交流濾波器小組斷路器容性恢復(fù)電壓仿真

申笑林1，馬為民1，白光亞2，聶定珍1

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市102209；2.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京市 100052)

特高壓直流直接接入交流750 kV電網(wǎng)，對(duì)投切交流濾波器小組的斷路器的耐壓能力提出了嚴(yán)苛的要求,因此需要研究斷路器的容性恢復(fù)電壓水平。分析了交流濾波器小組斷路器面臨的各種交流故障工況，通過PSCAD軟件建立了容性恢復(fù)電壓的仿真計(jì)算模型，并以靈紹特高壓直流工程為例計(jì)算得出了800 kV交流濾波器小組斷路器的容性恢復(fù)電壓最大值。仿真結(jié)果表明交流濾波器小組斷路器的容性恢復(fù)電壓由交流系統(tǒng)的短路水平和交流側(cè)絕緣水平的影響決定，而且容性恢復(fù)電壓超過了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的要求，需研制適應(yīng)工程需求的新型斷路器。

容性恢復(fù)電壓；交流濾波器；斷路器；特高壓直流

0 引 言

為解決我國能源與負(fù)荷中心逆向分布的難題，遠(yuǎn)距離大容量低損耗的特高壓直流輸電技術(shù)被廣泛應(yīng)用[1-3]。目前我國已掌握特高壓直流接入500 kV交流電網(wǎng)的技術(shù)，但是對(duì)于我國西北電網(wǎng)，其主要網(wǎng)架采用的750 kV電壓等級(jí)，特高壓直流接入問題亟待解決[4-5]。

特高壓直流接入交流750 kV電網(wǎng)的方式分為間接接入和直接接入兩種方式。間接方式是通過聯(lián)絡(luò)變壓器將交流750 kV變?yōu)?00 kV，再在500 kV交流母線上聯(lián)接換流變壓器和500 kV交流濾波器。哈密—鄭州±800 kV特高壓直流工程中的哈密換流站就是采用此種接入方式。直接接入的方式是在750 kV交流母線上直接聯(lián)接換流變壓器和750 kV交流濾波器。直接接入方式需要用800 kV交流濾波器小組斷路器投切濾波器小組。同550 kV交流濾波器小組斷路器類似[6-10]，800 kV交流濾波器小組斷路器同樣存在容性恢復(fù)電壓(capacitive recovery voltage，CRV)的問題且更為突出，準(zhǔn)確計(jì)算容性恢復(fù)電壓的數(shù)值對(duì)設(shè)備研發(fā)和提高工程可靠性具有重要意義。

通過建立800 kV交流濾波器小組斷路器容性恢復(fù)電壓的仿真模型，以靈州—紹興±800 kV特高壓直流工程(下文簡稱“靈紹工程”)為例，提出靈州換流站800 kV交流濾波器小組斷路器的容性恢復(fù)電壓值，以期為相關(guān)產(chǎn)品的研制提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 容性恢復(fù)電壓計(jì)算條件

1.1 交流濾波器小組斷路器的作用

在特高壓直流輸電工程中，采用的是電流源換流方式，換流過程需要消耗大量的無功，同時(shí)會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生大量的諧波[11]。因此在特高壓換流站內(nèi)一般配備有四大組、每大組4～5小組的交流濾波器/電容器組(以下簡稱濾波器組)，用以提供無功和濾除諧波。

交流濾波器小組斷路器的作用是執(zhí)行投切濾波器小組的任務(wù)，以便在站無功控制調(diào)節(jié)下能夠正確地給換流器提供無功補(bǔ)償。系統(tǒng)正常投切濾波器小組時(shí)，對(duì)交流濾波器小組斷路器的開斷和關(guān)合能力按照容性電流開合試驗(yàn)的C2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是當(dāng)交流側(cè)發(fā)生接地故障且換流站的無功過剩時(shí)，需要在切除濾波器組以減少無功。此時(shí)交流濾波器小組斷路器的斷口會(huì)產(chǎn)生很高的容性恢復(fù)電壓，對(duì)800 kV交流濾波器小組斷路器的斷口耐壓水平將是非常嚴(yán)酷的考驗(yàn)，因此需要特別考查該情況下斷路器兩端的容性恢復(fù)電壓。

1.2 計(jì)算條件和假設(shè)

交流濾波器小組斷路器容性恢復(fù)電壓是出現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，即交流系統(tǒng)發(fā)生三相或單相接地故障，引起換流器換相失敗(逆變站)或直流電流諧波增大(整流站)，進(jìn)而直流系統(tǒng)閉鎖，此時(shí)交流系統(tǒng)無功過剩電壓升高，需要切除交流濾波器小組，在交流濾波器小組斷路器開斷過程中會(huì)產(chǎn)生很高的容性恢復(fù)電壓。由此可知，若計(jì)算容性恢復(fù)電壓的最大值需假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行在如下條件：

(1)故障前，交流系統(tǒng)處于全接線方式下，短路電流按此方式進(jìn)行計(jì)算而不是遠(yuǎn)期的最大短路電流。故障后，交流系統(tǒng)的短路電流減小，最嚴(yán)重時(shí)降至最小短路電流。(2)直流系統(tǒng)輸送功率故障前按1.05 pu考慮(特高壓直流輸電工程都具有2 h過負(fù)荷能力，一般設(shè)計(jì)為正常輸電能力的1.05倍)，故障后直流系統(tǒng)閉鎖，輸送功率為0。(3)故障前交流母線電壓保持在最大穩(wěn)態(tài)電壓水平，并調(diào)節(jié)變壓器抽頭在額定檔位，使理想空載直流電壓(Udio)達(dá)到額定水平。(4)故障持續(xù)時(shí)間為100 ms(短路故障開始至清除的時(shí)間)，故障后約60 ms濾波器切除，這時(shí)斷路器兩端的就是所研究的最大容性恢復(fù)電壓。

以上假設(shè)的原因是在交流弱系統(tǒng)、直流過負(fù)荷運(yùn)行的條件下，濾波器小組全部投入，將使交流母線電壓在故障后電壓抬升幅度最大。對(duì)于故障前換流變壓器抽頭在額定檔位的假設(shè)是因?yàn)楸疚牟捎玫膿Q流變壓器勵(lì)磁曲線是在額定檔位下擬合得到的，實(shí)際在交流系統(tǒng)最高電壓下?lián)Q流變壓器的調(diào)壓檔位一般在其正向檔位。需要特別注意的是在特高壓直流輸電的控制保護(hù)設(shè)計(jì)中100 ms以內(nèi)的臨時(shí)接地故障并不會(huì)引起直流系統(tǒng)閉鎖，但在本文中按偏嚴(yán)酷情況考慮，假定臨時(shí)接地故障被判定為永久接地故障或在臨時(shí)接地故障的同時(shí)發(fā)生了直流故障這樣的雙重故障情況。

2 容性恢復(fù)電壓仿真模型

2.1 交流等值系統(tǒng)

本文研究的重點(diǎn)在于濾波器小組斷路器的開斷過程而非交流系統(tǒng)的變化，因此在研究中將交流電網(wǎng)進(jìn)行簡化，采用等值模型[12]。通過短路電流折算出系統(tǒng)的短路阻抗，設(shè)置適當(dāng)?shù)碾妷涸创_保端口電壓為交流系統(tǒng)最高電壓。

2.2 交流濾波器組

典型的交流濾波器有HP3、HP12/24、HP24/36和BP11/13，再加上電容器組SC，共有5種[13]。其中HP12/24、HP24/36屬于雙調(diào)諧高通濾波器，其原理如圖1(a)所示； BP11/13屬于雙調(diào)諧帶通濾波器，其原理如圖1(b)所示；HP3屬于單調(diào)諧濾波器，其原理如圖1(c)所示。

圖1 交流濾波器

交流濾波器的電容值、電感值和電阻值等參數(shù)采用工程中的設(shè)計(jì)值，其內(nèi)部的避雷器可不予考慮，本文中涉及到的線路故障由交流母線避雷器保護(hù)，濾波器避雷器主要是保護(hù)其內(nèi)部的區(qū)內(nèi)故障。

2.3 斷路器

斷路器的模型采用三相可控開關(guān)，其開斷時(shí)間由控制器控制?？刂破骺刂乒收掀鹗紩r(shí)間、故障清除時(shí)間、濾波器切除時(shí)間和斷路器開斷時(shí)間。故障起始時(shí)間在1個(gè)周波20 ms內(nèi)按1 ms逐步變化，故障清除時(shí)間為故障起始時(shí)間后100 ms，濾波器切除時(shí)間為故障清除時(shí)間后60 ms，斷路器開斷時(shí)間在交流濾波器切除時(shí)間后的1個(gè)半周波30 ms內(nèi)按1 ms逐步變化。

2.4 避雷器

交流母線避雷器采用30/60 μs的操作沖擊非線性特性模型，為了獲得最大的容性恢復(fù)電壓，在計(jì)算時(shí)選用最大特性曲線[14]。

2.5 換流變壓器

換流變壓器采用帶有調(diào)壓開關(guān)的變壓器模型，其檔位設(shè)定為額定檔位，此外還應(yīng)用變壓器的磁化飽和模型。在直流系統(tǒng)閉鎖后，換流變壓器的鐵心會(huì)有剩磁，表現(xiàn)為變壓器的飽和特性。當(dāng)發(fā)生過電壓時(shí)，變壓器會(huì)向交流系統(tǒng)注入諧波電流。

2.6 換流閥

換流閥采用有功和無功負(fù)載作為簡化的等效模型[15]。一般交流系統(tǒng)的短時(shí)接地故障只會(huì)對(duì)換流閥的換相過程造成擾動(dòng)，但本文假設(shè)換流閥換相失敗直接閉鎖，且不進(jìn)行直流系統(tǒng)重啟動(dòng)。換流閥的暫態(tài)過程并不是研究所關(guān)心的主要問題，因此用有功和無功負(fù)載來作為換流閥的簡化模型就能滿足仿真的要求，這樣既可以避免了對(duì)復(fù)雜的換流閥進(jìn)行建模又加快了仿真速度。

3 容性恢復(fù)電壓計(jì)算

3.1 交直流系統(tǒng)情況

本文以靈紹工程為例，計(jì)算其800 kV交流濾波器小組斷路器的容性恢復(fù)電壓。靈紹工程起于寧夏回族自治區(qū)銀川市靈州換流站，止于浙江省紹興市紹興換流站，直流線路長度1 722 km，雙極直流線路1回，每極2個(gè)12脈動(dòng)換流器串聯(lián)。額定電壓±800 kV，直流輸電容量8 000 MW，直流額定電流5 kA。靈州換流站通常為整流站運(yùn)行，接入寧夏的交流750 kV電網(wǎng)；紹興換流站通常為逆變站運(yùn)行，接入浙江的交流500 kV電網(wǎng)。

靈州換流站換流站交流系統(tǒng)額定電壓為765 kV，最高電壓800 kV，全方式下短路電流為35.71 kA，最小短路電流為27.71 kA。直流2 h過負(fù)荷能力為1.05 pu，即換流器消耗有功為8 400 MW，消耗無功為5 040 Mvar。全站共24臺(tái)換流變壓器，單臺(tái)容量412.3 MVA。750 kV交流濾波器及電容器總?cè)萘繛? 782 Mvar，分為4個(gè)大組、16個(gè)小組，每小組容量為299 Mvar。濾波器組配置示意圖如圖2所示，其中交流濾波器大組斷路器與換流變壓器進(jìn)線開關(guān)和交流進(jìn)線開關(guān)共同組成雙母線，交流濾波器小組斷路器兩邊配有隔離開關(guān)。

圖2 換流站濾波器配置示意圖

3.2 研究工況

計(jì)算時(shí)考慮直流系統(tǒng)過負(fù)荷運(yùn)行，交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路故障或單相接地短路故障，按照故障的嚴(yán)重程度研究容性恢復(fù)電壓。

假定故障發(fā)生前交流系統(tǒng)的短路電流為35.71 kA，故障清除后交流短路電流減小到原來的0.1～0.9倍。交流濾波器小組全部在線運(yùn)行。故障前直流輸送功率為1.05 pu，故障持續(xù)時(shí)間為100 ms(短路故障開始至清除的時(shí)間)，故障清除時(shí)閉鎖直流，約60 ms后濾波器小組斷路器開斷，此時(shí)斷路器兩端的恢復(fù)電壓就是所研究的最大過電壓。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)假設(shè)的工況，其容性恢復(fù)電壓計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 最大CRV計(jì)算結(jié)果

Table 1 The maximum value of CRV

以故障清除后短路電流為0.5 pu的情況為例，交流濾波器小組斷路器的容性恢復(fù)電壓為2 025 kV，其波形圖如圖3所示。

從表1可以看出交流濾波器小組斷路器的容性恢復(fù)電壓值較大，一是因?yàn)榘l(fā)生交流故障后，換流站母線電壓升高，設(shè)其影響因子為k1；二是斷路器一端為電容器直流電壓，另一端為交流母線電壓，若兩電壓極性相反，則容性恢復(fù)電壓倍增，設(shè)其影響因子為k2。由此可以推導(dǎo)出交流濾波器小組斷路器容性恢復(fù)電壓的估值公式為

圖3 容性恢復(fù)電壓波形圖

(1)

式中Un為交流母線的最高穩(wěn)態(tài)電壓。

交流母線電壓由交流母線避雷器限制，故障越嚴(yán)重交流母線電壓越高，可以假設(shè)影響因子k1為1.69，斷路器端對(duì)端電壓在理想情況下應(yīng)是交流母線電壓的二倍，可假設(shè)影響因子k2取1.9，則根據(jù)式(1)計(jì)算得800 kV交流濾波器小組斷路器的容性恢復(fù)電壓為2 097 kV。

k1的取值視交流系統(tǒng)和故障情況而定，一般可取1.55～1.70；k2的取值保守可以取2，正常按1.9考慮。

4 試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)方式FC1。3個(gè)O，分布在一個(gè)極性上(步長，60°)；3個(gè)O，分布在另一個(gè)極性上(步長，60°)。

(2)試驗(yàn)方式FC2。6個(gè)O，分布在一個(gè)極性上(步長，30°)；6個(gè)O，分布在另一個(gè)極性上(步長，30°)。

其試驗(yàn)判據(jù)為：如果在試驗(yàn)方式(FC1)或(FC2)過程中未出現(xiàn)重?fù)舸?，則斷路器成功通過了試驗(yàn)。如果在整個(gè)試驗(yàn)(FC1)或(FC2)中出現(xiàn)1次重?fù)舸?，則試驗(yàn)須在未經(jīng)檢修的同一臺(tái)斷路器上重新進(jìn)行。如果在該延長的試驗(yàn)系列中沒有出現(xiàn)重?fù)舸?，則斷路器成功通過了試驗(yàn)，試驗(yàn)過程不應(yīng)發(fā)生外部閃絡(luò)和相對(duì)地閃絡(luò)。

5 結(jié) 論

(1)通過對(duì)交流濾波器小組斷路器開斷容性電流的仿真研究表明：對(duì)于800 kV斷路器其容性電流開斷時(shí)斷路器斷口的恢復(fù)電壓達(dá)到2 097 kV，且此電壓為工頻電壓而非暫時(shí)過電壓。

(2)在如此高的恢復(fù)電壓下斷路器易發(fā)生重?fù)舸?，?duì)觸頭造成不可逆轉(zhuǎn)的燒蝕，對(duì)無功補(bǔ)償裝置也會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此需要研發(fā)適用于切除750 kV交流濾波器/并聯(lián)電容器的新型斷路器，同時(shí)也需研究能夠抑制恢復(fù)電壓的方法。

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(編輯：蔣毅恒)

Simulation and Investigation on Capacitive Recovery Voltage of 800 kV AC Filter Sub-Bank Circuit Breaker in UHVDC Converter Station

SHEN Xiaolin1, MA Weimin1, BAI Guangya2, NIE Dingzhen1

( 1.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China； 2.DC Construction Branch of State Grid Corporation, Beijing 100052, China)

The circuit breaker for switching AC filter is required the capacity of withstanding high voltage while the UHVDC direct accesses to 750 kV AC grid, So it is necessary to research the capacitive recovery voltage (CRV) of circuit breaker. This paper analyzed various AC fault scenarios of AC filter sub-bank circuit breaker, constructed the simulation calculation model of CRV by PSCAD software, and calculated the maximum value of CRV of 800 kV AC filter sub-bank breaker in the Lingshao UHVDC project. The simulation results show that the CRV of AC filter sub-bank breaker is determined by the short-circuit level of AC system and the AC-side insulator level, and the CRV exceeds the requirement of existing standards, so it is needed to develop new type of circuit breaker to meet the needs of engineering.

capacitive recovery voltage； AC filter； circuit breaker； UHVDC

TM 721

A

1000-7229(2015)09-0073-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.012

2015-06-04

2015-08-10

申笑林(1985)，男，碩士，工程師，從事高壓直流輸電工程咨詢和成套設(shè)計(jì)相關(guān)研究工作；

馬為民(1966)，男，博士，高級(jí)工程師，從事高壓直流輸電工程咨詢和成套設(shè)計(jì)相關(guān)研究工作；

聶定珍(1961)，女，碩士，高級(jí)工程師，從事高壓直流輸電工程咨詢和成套設(shè)計(jì)相關(guān)研究工作；

白光亞(1971)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事高壓直流輸電工程建設(shè)相關(guān)工作。