特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站故障過(guò)電壓研究

裴旵，呂思穎，秦昕，要航

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特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站故障過(guò)電壓研究

裴旵，呂思穎，秦昕，要航

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站內(nèi)電容性和電感性組件較多，在發(fā)生短路故障時(shí)容易引起過(guò)電壓現(xiàn)象。研究各種操作和故障情況下過(guò)電壓的特性，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。利用PSCAD仿真軟件建立了±800 kV云南—廣東特高壓直流輸電工程的模型，在換流站內(nèi)選取了換流閥閥頂對(duì)中性母線短路故障和換流變壓器閥側(cè)單相接地兩種典型故障工況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明閥頂對(duì)中性母線故障時(shí)非故障極線路過(guò)電壓水平較高，在上組四個(gè)換流變壓器閥側(cè)繞組中高壓端Y/Y繞組端子處單相接地時(shí)的過(guò)電壓水平最高。

特高壓直流輸電；換流站；避雷器；短路故障；過(guò)電壓

0 引言

結(jié)合我國(guó)能源資源分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)呈現(xiàn)逆向分布這一特有國(guó)情，將西部地區(qū)的能源資源轉(zhuǎn)換成電能并輸送到經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中東部地區(qū)，不僅是經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的重要保障，而且可以有效緩解該區(qū)域的環(huán)保壓力。然而，在大規(guī)模和長(zhǎng)遠(yuǎn)距離輸送電能方面，特高壓直流輸電UHVDC(Ultra High Voltage Direct Current)能夠表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)[1-5]。因此，建設(shè)和發(fā)展特高壓直流輸電工程顯得尤為重要。

相對(duì)于傳統(tǒng)的高壓直流輸電工程來(lái)說(shuō)，特高壓直流輸電工程每極采用兩個(gè)12脈動(dòng)換流器(400 kV+400 kV)串聯(lián)接線的方式，一方面可以使得直流電壓和交流電流中的諧波成分有效減少，但另一方面復(fù)雜的接線方式對(duì)于過(guò)電壓的發(fā)展機(jī)制、波形以及影響也更為復(fù)雜[6-7]。在設(shè)計(jì)建設(shè)特高壓直流輸電工程時(shí)，過(guò)電壓與設(shè)備絕緣配合方面的研究就是設(shè)計(jì)內(nèi)容之一[8-12]。其中，換流站是特高壓直流輸電系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，站內(nèi)存在著很多的電容性和電感性組件，這些組件在故障時(shí)充放電的過(guò)程中容易引起過(guò)電壓?jiǎn)栴}。研究換流站內(nèi)過(guò)電壓的特性，能夠有效解決換流站內(nèi)避雷器的參數(shù)選擇、直流開(kāi)關(guān)場(chǎng)的配置方式和直流控制保護(hù)等問(wèn)題。

1 特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站避雷器配置

與傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣，特高壓直流輸電系統(tǒng)仍然是通過(guò)整流站將送端的交流電能變換成直流電能，通過(guò)輸電線路輸送到受端，然后通過(guò)逆變站變換成交流電能，將電能送到負(fù)荷端。因此，換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于整個(gè)特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。

換流站內(nèi)電容性電感性組件很多，在發(fā)生短路故障時(shí)容易引起過(guò)電壓的問(wèn)題，危害換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。金屬氧化物避雷器(MOA)能夠有效限制特高壓直流輸電系統(tǒng)由于各類(lèi)操作和故障引起的暫態(tài)過(guò)電壓，然而對(duì)于MOA參數(shù)的選取主要是從絕緣配合角度和制造成本兩個(gè)方面出發(fā)，經(jīng)過(guò)細(xì)致的暫態(tài)計(jì)算來(lái)確定。

1.1 避雷器的布置原則

換流站MOA布置的基本原則為[13-14]：交流側(cè)產(chǎn)生的過(guò)電壓應(yīng)盡可能用交流側(cè)MOA加以限制；直流側(cè)產(chǎn)生的過(guò)電壓應(yīng)由直流線路MOA、直流母線MOA和中性母線MOA等加以限制；重點(diǎn)保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)由緊靠它的MOA直接保護(hù)，如換流閥、交流和直流濾波器設(shè)備等，應(yīng)分別由各自的MOA保護(hù)。實(shí)際工程中，在上述MOA布置原則的前提下，保證設(shè)備足夠安全的基礎(chǔ)上盡可能地簡(jiǎn)化MOA的配置。

1.2 云廣特高壓直流輸電工程避雷器布置方案

云廣換流站單極避雷器的布置方式同其他在運(yùn)行的特高壓直流工程基本相同。主要差別在于上組12脈動(dòng)換流單元，云廣特高壓直流輸電工程在最高端Y/Y換流變閥側(cè)繞組和地之間布置了A2避雷器，降低了其操作絕緣水平，減小了空氣間隙。并對(duì)整個(gè)上組12脈動(dòng)換流單元配置了C2型避雷器，主要是考慮了上組400?kV換流單元單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的絕緣水平。云廣特高壓直流輸電工程單極避雷器布置方案如圖1所示[16-18]。

圖1 云廣換流站單極避雷器布置方案

2 計(jì)算條件

2.1 計(jì)算原理

直流輸電工程換流器采用半可控硅器件，不具有自動(dòng)關(guān)斷能力?？紤]到串聯(lián)元件的誤差，晶閘管恢復(fù)阻斷能力的時(shí)間最小關(guān)斷角(或稱(chēng)息弧角)為10°。逆變器關(guān)斷角計(jì)算方式為[19]

特高壓直流輸電工程每極雙12脈動(dòng)串聯(lián)接線方式，每個(gè)12脈動(dòng)換流器由兩個(gè)6脈動(dòng)串接形成。其中，6脈動(dòng)換流器正常運(yùn)行時(shí)的直流電壓為

特高壓直流輸電工程整流站和逆變站極對(duì)地電壓分別為

2.2 系統(tǒng)主要參數(shù)

表1換流站額定參數(shù)

Table 1 Rated system parameters of converter station

與常規(guī)高壓直流輸電相比，云廣特高壓直流輸電工程將電感值為150 mH的平波電抗器分別布置在極母線和中性母線上。150 mH的平波電抗器由2臺(tái)75 mH的干式平波電抗器串聯(lián)提供，整流側(cè)和逆變側(cè)換流站平波電抗器的布置方式和參數(shù)均相同。這種平均分置方式不僅可以減少雙12脈動(dòng)換流器中點(diǎn)和極母線處的諧波含量[20]，而且可以降低高電位換流器的絕緣保護(hù)水平。

2.3 換流站主要避雷器描述及參數(shù)

云廣特高壓直流輸電工程換流站主要布置的避雷器描述如表2所示。

表2換流站主要避雷器的描述

Table 2 Definition of arresters for converter stations

方案中相關(guān)避雷器參數(shù)如表3所示。表中PCOV表示持續(xù)運(yùn)行電壓的最高峰值，包括換相過(guò)沖；CCOV表示持續(xù)運(yùn)行電壓的最高峰值，不包括換相過(guò)沖。

表3云廣換流站避雷器參數(shù)

Table 3 Parameters of arresters for converter station

3 故障仿真與計(jì)算

3.1 閥頂對(duì)中性母線短路故障

換流站內(nèi)設(shè)備間的短路故障將會(huì)在換流站各類(lèi)設(shè)備上引起不同類(lèi)型的過(guò)電壓，影響著設(shè)備的絕緣。閥頂(92)對(duì)中性母線短路故障時(shí)，在整流側(cè)表現(xiàn)為直流電流小于交流電流，此時(shí)閥短路保護(hù)將動(dòng)作閉鎖整流站，同時(shí)向逆變側(cè)發(fā)出閉鎖信號(hào)[21]。逆變側(cè)發(fā)生閥頂對(duì)中性母線故障通常由整流側(cè)低壓保護(hù)動(dòng)作閉鎖直流，該保護(hù)動(dòng)作延時(shí)0.5 s。

利用PSCAD仿真計(jì)算軟件搭建云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)模型，設(shè)置故障發(fā)生在上閥組，故障發(fā)生時(shí)刻為2 s，故障持續(xù)時(shí)間為100 ms。

3.1.1整流側(cè)故障仿真

整流側(cè)閥頂對(duì)中性母線故障時(shí)，仿真結(jié)果如圖2所示。2 s故障發(fā)生時(shí)，整流側(cè)要早于逆變側(cè)對(duì)故障做出反應(yīng)。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算可得，整流側(cè)閥頂對(duì)中性母線短路故障時(shí)，整流側(cè)負(fù)極線路出口將產(chǎn)生1 015 kV的過(guò)電壓，約為1.27個(gè)p.u.(1 p.u.=800 kV)。其他各點(diǎn)的過(guò)電壓水平均不高，換流站各避雷器未動(dòng)作。

3.1.2逆變側(cè)故障仿真

逆變側(cè)閥頂對(duì)中性母線故障時(shí)，仿真結(jié)果如圖3所示。2 s故障發(fā)生時(shí)，逆變側(cè)要早于整流側(cè)對(duì)故障做出反應(yīng)。計(jì)算可得，逆變側(cè)閥頂對(duì)中性母線短路故障時(shí)，過(guò)電壓水平并不是很高，逆變側(cè)負(fù)極線路出口處過(guò)電壓出現(xiàn)時(shí)刻比整流側(cè)要早，但其幅值略低于整流側(cè)。換流站內(nèi)僅中性母線避雷器動(dòng)作，但能耗相對(duì)較低。

3.2 換流變閥側(cè)單相接地短路故障

換流變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，需要釋放直流濾波器和直流極線上的能量[22-23]，會(huì)引起過(guò)電壓現(xiàn)象。整流側(cè)和逆變側(cè)在換流器閥側(cè)單相接地故障時(shí)，閥的保護(hù)動(dòng)作不同。整流側(cè)換流變單相接地故障時(shí)，直流線路上的直流電流小于中性母線上的直流電流，換流閥差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作閉鎖并向逆變側(cè)發(fā)出閉鎖信號(hào)。逆變側(cè)換流變閥側(cè)單相接地故障只會(huì)在出現(xiàn)直流電流小于交流電流時(shí)，換流閥的短路保護(hù)動(dòng)作閉鎖。

圖3逆變側(cè)閥頂對(duì)中性母線短路故障仿真

Fig. 3Simulation of short circuit occurred between at the top of convert valve and neutral bus at inverter side

整流側(cè)換流變閥側(cè)單相接地故障時(shí)，計(jì)算非故障極極線路直流電壓如表4所示。通過(guò)表4可以發(fā)現(xiàn)，上組高壓端Y/Y繞組端子(52)處發(fā)生單相接地故障時(shí)過(guò)電壓水平最高為915 kV，平波電抗器、中性母線以及接地極線處均有較高的過(guò)電壓，但僅有中性母線處的避雷器動(dòng)作并且能耗不大。

表4整流側(cè)換流變閥側(cè)單相接地故障電壓幅值

Table 4 Overvoltage amplitude of single-phase ground fault occurred at rectifier bridge side of converter transformer at rectifier side

逆變側(cè)換流變閥側(cè)單極接地故障時(shí)，計(jì)算非故障極極線直流電壓如表5所示。通過(guò)表5發(fā)現(xiàn)，逆變側(cè)同樣是上組高壓端Y/Y繞組端子(52)處發(fā)生單相接地故障時(shí)過(guò)電壓水平最高為907 kV，這一特性與整流側(cè)一樣。

表5逆變側(cè)換流變閥側(cè)單相接地故障電壓幅值

Table 5 Overvoltage amplitude of single-phase ground fault occurred at inverter bridge side of converter transformer at inverter side

通過(guò)換流變閥側(cè)單相接地故障計(jì)算發(fā)現(xiàn)，整流側(cè)和逆變側(cè)均是在上組高壓端Y/Y繞組端子(52)處發(fā)生單相接地故障時(shí)過(guò)電壓水平最高。云廣特高壓直流輸電工程在上組高壓端Y/Y繞組端子(52)處裝設(shè)了A2避雷器，不僅減小了空氣間隙，而且還降低了換流變閥側(cè)的操作絕緣水平。

4 結(jié)論

利用PSCAD仿真軟件建立一個(gè)比較完整的云廣特高壓直流輸電工程的模型，仿真分析了換流站內(nèi)換流器閥頂對(duì)中性母線短路故障和換流變閥側(cè)單相接地短路故障兩種工況下的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。結(jié)果表明：

(1) 整流側(cè)換流閥閥頂對(duì)中性母線短路故障時(shí)，非故障極極線出口處將有1 015 kV的過(guò)電壓，約為1.27個(gè)p.u.，其他各點(diǎn)的過(guò)電壓水平均不高，換流站各避雷器未動(dòng)作。逆變側(cè)換流閥閥頂對(duì)中性母線短路故障時(shí)，各點(diǎn)的過(guò)電壓水平不高，僅逆變站中性母線避雷器動(dòng)作。

(2) 換流變閥側(cè)單相接地故障時(shí)，整流側(cè)和逆變側(cè)均表現(xiàn)為高壓端Y/Y繞組端子(52)處發(fā)生單相接地故障時(shí)的過(guò)電壓水平最高。整流側(cè)故障僅中性母線避雷器動(dòng)作。

[1] 浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組. 直流輸電[M]. 北京: 水利電力出版社, 1985: 6-17.

[2] 劉振亞, 張啟平. 國(guó)家電網(wǎng)發(fā)展模式研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(7): 1-3.

LIU Zhenya, ZHANG Qiping. Study on the development mode of National Power Grid of China[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(7): 1-3.

[3] 郭宏光, 吳慶范, 黃金海, 等. 特高壓直流輸電線路間電磁耦合對(duì)電壓突變量保護(hù)影響的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(18): 114-119.

GUO Hongguang, WU Qingfan, HUANG Jinhai, et al. Study on the influence of electromagnetic coupling of UHVDC power transmission lines on the voltage derivative protection[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(18): 114-119.

[4] 吳慶范, 黃金海, 張愛(ài)玲, 等. 溪洛渡—浙江±800kV特高壓直流輸電工程直流保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施策略及其仿真試驗(yàn)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(1): 115-121.

WU Qingfan, HUANG Jinhai, ZHANG Ailing, et al. DC protection system implementation strategy and simulation test study of ±800kV UHVDC power transmission project from Xiluodu to Zhejiang[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(1): 115-121.

[5] 胡永銀, 李興源, 李寬, 等. 云廣特高壓直流輸電工程換流閥過(guò)負(fù)荷能力分析與計(jì)算[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(23): 102-106.

HU Yongyin, LI Xingyuan, LI Kuan, et al. Analysis and calculation of converter valve overload capability in Yunnan-Guangdong UHVDC transmission[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(23): 102-106.

[6] 劉振亞. 特高壓交直流電網(wǎng)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2013: 65-71.

[7] 陳錫磊, 周浩, 王東舉, 等. ±800kV浙西特高壓直流換流站暫態(tài)過(guò)電壓研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(3): 22-26.

CHEN Xilei, ZHOU Hao, WANG Dongju, et al. Study on transient overvoltage of Zhexi converter station of ±800kV DC power transmission project[J]. Power System Technology, 2012, 36(3): 22-26.

[8] 周沛洪, 修木洪, 谷定燮, 等. ±800kV直流系統(tǒng)過(guò)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 system[J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(12): 125-132.

[9] 馬為民, 聶定珍, 曹燕民. 向家壩—上海±800kV特高壓直流工程中的關(guān)鍵技術(shù)方案[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007, 31(11): 1-5.

MA Weimin, NIE Dingzhen, CAO Yanmin. Key technical schemes for ±800kV UHVDC project from Xiangjiaba to Shanghai[J]. Power System Technology, 2007, 31(11): 1-5.

[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 ±800 kV UHVDC project from Xiangjiaba to Shanghai[J]. Power System Technology, 2007, 31(14): 1-5.

[11] 王華偉, 蔣衛(wèi)平, 吳亞妮, 等. 云廣±800kV特高壓直流工程逆變站最后短路器跳閘故障研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(18): 6-9.

WANG Huawei, JIANG Weiping, WU Yani, et al. Study on last break trip fault of inverter station in±800kV UHVDC project from Yunan to Guangdong[J]. Power System Technology, 2008, 32(18): 6-9.

[12] 郭煜敬, 張豪. 高壓端換流閥頂接地故障引起的換流站直流場(chǎng)操作過(guò)電壓仿真研究[J].高壓電器, 2014, 50(8): 104-109.

GUO Yujing, ZHANG Hao. Simulation study on switching overvoltage in converter substation caused by grounding fault at the top of high-voltage thyristor valve[J]. High Voltage Apparatus, 2014, 50(8): 104-109.

[13] 張翠霞, 劉之方. ±800 kV直流輸電工程過(guò)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 overvoltage protection and insulation coordination for ±800kV HVDC transmission system[J]. Electric Power, 2006, 39(10): 43-46.

[14] 黃用瑞, 李芳芳, 何青連, 等. ±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站絕緣配合研究[J]. 高壓電器, 2015, 51(7): 81-85.

HUANG Yongrui, LI Fangfang, HE Qinglian, et al. Research on converter station insulation coordination of ±800kV ultra high voltage direct current power transmission system[J]. High Voltage Apparatus, 2015, 51(7): 81-85.

[15] 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院. ±800kV云廣特高壓換流站雷電侵入波過(guò)電壓研究[R]. 南京: 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 2009.

[16] 周沛洪, 趙杰, 呂金壯, 等. ±800kV云廣DC換流站避雷器布置和參數(shù)選擇[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(11): 2603-2610.

ZHOU Peihong, ZHAO Jie, Lü Jinzhuang, et al. Arrester protection scheme and arrester parameters selection for ±800kV YunGuang UHVDC converter station[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(11): 2603-2610.

[17] 黎建平, 汪鳳嬌, 盧文浩, 等. 特高壓直流保護(hù)與避雷器動(dòng)作特性配合分析[J]. 電力建設(shè), 2014, 35(12): 100-105.

LI Jianping, WANG Fengjiao, LU Wenhao, et al. Coordination of UHVDC protection with arresters operating characteristics[J]. Electric Power Construction, 2014, 35(12): 100-105.

[18] 呂金壯, 趙杰. 云廣±800kV直流輸電系統(tǒng)過(guò)電壓與絕緣配合研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2009, 3(2): 18-22.

Lü Jinzhuang, ZHAO Jie. Study on overvoltage and insulation coordination of YunGuang ±800kV UHVDC transmission system[J]. Southern Power Technology, 2009, 3(2): 18-22.

[19] 劉振亞. 特高壓直流輸電理論[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2009: 37-56.

[20] 雷園園, 趙現(xiàn)平. ±800kV云廣直流輸電工程平波電抗器參數(shù)選擇和布置方案[J]. 高壓電器, 2012, 48(6): 75-79.

LEI Yuanyuan, ZHAO Xianping. Parameters selection and arrangement of smoothing reactor for ±800kV YunGuang UHVDC transmission project[J]. High Voltage Apparatus, 2012, 48(6): 75-79.

[21] 劉振亞. 特高壓直流輸電系統(tǒng)過(guò)電壓及絕緣配合[M].北京: 中國(guó)電力出版社, 2009: 28-35.

[22] 王東舉, 鄧旭, 周浩, 等. ±800 kV溪洛渡—浙西直流輸電工程換流站直流暫態(tài)過(guò)電壓[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2012, 6(2): 7-11.

WANG Dongju, DENG Xu, ZHOU Hao, et al. On the transient overvoltage in the converter station of ±800kV Xiluodu-Zhexi HVDC project[J]. Southern Power Technology, 2012, 6(2): 7-11.

[23] 司馬文霞, 龐凱, 楊慶. ±800kV特高壓換流站直流側(cè)操作過(guò)電壓的仿真與研究[J]. 高壓電器, 2008, 44(2): 126-128.

SIMA Wenxia, PANG Kai, YANG Qing. Simulation and investigation on switching overvoltage at DC side of UHVDC converter station with capacity of ±800kV[J]. High Voltage Apparatus, 2008, 44(2): 126-128.

(編輯 葛艷娜)

Study on fault overvoltage of converter station of UHVDC power transmission system

PEI Chan, Lü Siying, QIN Xin, YAO Hang

(College of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

There are many capacitive and inductive components in converter station for ±800 kV DC power transmission system, which is easy to cause overvoltage phenomenon when a short circuit fault occurred. Research on the characteristics of overvoltage under various operation and fault conditions to ensure the system's safe and stable operation is very important. A simulation model of the UHVDC power transmission project from Yunnan to Guangdong is built by using PSCAD software. To carry out this research, two typical faults in convert station are chosen: the short circuit fault between the top of convert valve and neutral bus, and single-phase ground fault occurred at the side of converter transformer. Research results show that higher overvoltage appears on the non-faulty pole when short circuit fault between the top of convert valve and neutral bus; among four upper rectifier bridge side of connected winding of convert transformer, the highest overvoltage appears at upper rectifier bridge side wye-wye connected winding of convert transformer when single-phase ground fault occurred.

UHVDC power transmission; converter station; arrester; short circuit fault; overvoltage

10.7667/PSPC151280

2015-07-24；

2015-10-09

裴 旵( 1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?；E-mail: 297753876@qq.com

呂思穎(1989-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)；

秦 昕(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)自動(dòng)化。