柔性直流配電網(wǎng)過電壓及避雷器配置研究

蘇宜靖，董 立，唐 律，丁月強(qiáng)，李子恒

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，西安 710048）

0 引言

直流配電網(wǎng)具有可控性強(qiáng)、線路損耗低、兼容新能源且無周期同步性問題等優(yōu)勢(shì)，隨著直流配電技術(shù)的研究逐步深入，柔性直流配電網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景愈加豐富，包括智能樓宇直流供電、工業(yè)園區(qū)直流供電、重要數(shù)據(jù)中心供電和分布式微電網(wǎng)等[1-2]。直流配電網(wǎng)可為未來智慧城市的發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)電力支持。

直流配電設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)和制造是應(yīng)用場(chǎng)景真正落地的必要條件。為確保直流配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，考慮過電壓保護(hù)措施，選擇合理的避雷器布置方案，選取合適的設(shè)備絕緣水平顯得尤為重要。較好的避雷器布置方案不僅需要增強(qiáng)直流配電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，同時(shí)需要兼顧制造成本。

目前直流配電網(wǎng)的避雷器配置經(jīng)驗(yàn)主要可以借鑒高壓直流輸電工程[3]。直流系統(tǒng)在各類故障情況下，會(huì)在關(guān)鍵設(shè)備上產(chǎn)生過電壓，配置避雷器是目前有效降低過電壓水平的主要手段，可實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)接變壓器（以下簡(jiǎn)稱“聯(lián)接變”）、換流閥、直流電抗器等重要設(shè)備的防護(hù)。本文基于偽雙極柔性直流配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，提出了相應(yīng)的避雷器布置方案，統(tǒng)計(jì)并對(duì)比了布置前后的過電壓水平，在考慮合理的絕緣裕度下確定了設(shè)備的絕緣水平。

1 柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

參考相關(guān)示范工程[4]，以兩端狀偽雙極柔性直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，直流配電網(wǎng)設(shè)備主要包括交流母線、聯(lián)接變、接地裝置、MMC（模塊化多電平換流器）、橋臂電抗器、直流電抗器、直流配電線路及二次控制設(shè)備等。直流配電換流站的網(wǎng)側(cè)接入10 kV交流系統(tǒng)，換流站直流極線額定直流電壓為±10 kV，聯(lián)接變閥側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

柔性直流配電網(wǎng)采用基于21電平的MMC直流換流技術(shù)，配電電纜采用10 kV規(guī)格的XLPE（交聯(lián)聚乙烯）單芯電纜，構(gòu)成正負(fù)兩回配電線路，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。參考目前交流配電網(wǎng)輸送容量，直流配電交直流系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 直流配電交直流系統(tǒng)基本參數(shù)

2 避雷器布置方案

結(jié)合上述對(duì)直流配電交直流系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，借鑒高壓柔性直流輸電絕緣配合的經(jīng)驗(yàn)，避雷器布置基本原則一致[5]，本文研究的柔性直流配電網(wǎng)避雷器布置方案初步設(shè)計(jì)如圖2所示。其中，交流側(cè)設(shè)備采用交流避雷器進(jìn)行保護(hù)，直流側(cè)設(shè)備采用直流避雷器進(jìn)行保護(hù)。

圖2 柔性直流配電網(wǎng)避雷器初步布置方案

與常規(guī)柔性直流輸電系統(tǒng)不同，配電網(wǎng)電壓等級(jí)不高，產(chǎn)生過電壓水平普遍較低，而配電線路上增加了較多的負(fù)荷設(shè)備[6-7]。因此，可適當(dāng)刪減配電換流站內(nèi)避雷器，而適當(dāng)增加負(fù)荷設(shè)備出口處避雷器的布置。

3 避雷器參數(shù)選擇

參考高壓柔性直流工程避雷器參數(shù)選擇的基本原則，依據(jù)避雷器的運(yùn)行條件，選取合適的避雷器荷電率和CCOV（持續(xù)運(yùn)行電壓峰值），可計(jì)算得到設(shè)計(jì)避雷器的參考電壓。再通過直流配電網(wǎng)PSCAD/EMTDC軟件仿真各類故障，初步得到避雷器裝設(shè)處可能出現(xiàn)的過電壓水平，作為避雷器SIPL（操作沖擊保護(hù)水平）的選取依據(jù)。本文對(duì)±10 kV柔性直流配電網(wǎng)避雷器參數(shù)的選擇如表2所示。

對(duì)于避雷器荷電率，選取過大則正常運(yùn)行過程中避雷器的泄漏電流較大，會(huì)加速老化過程，降低避雷器使用壽命；選取過小則避雷器對(duì)抗沖擊電壓水平提高，對(duì)設(shè)備起不到保護(hù)作用。交流側(cè)避雷器的荷電率可選擇0.8～0.9，以降低泄漏電流；而直流側(cè)避雷器一般選擇0.9以上的荷電率，以保護(hù)配電線路的設(shè)備。

表2 直流配電網(wǎng)避雷器參數(shù)及保護(hù)水平

4 直流配電網(wǎng)過電壓分析

4.1 過電壓產(chǎn)生原因

直流配電系統(tǒng)過電壓由內(nèi)部或外部因素引起，外部因素包括遠(yuǎn)處交流系統(tǒng)異常操作、雷擊等，內(nèi)部因素包括直流系統(tǒng)短路、接地故障或控制系統(tǒng)故障等[8-10]。直流配電線路一般采用埋地電纜送電，而配電換流站占地面積小、高度較低且有水泥墻防護(hù)，系統(tǒng)遭受雷擊的概率較低。與交流系統(tǒng)相比，直流配電系統(tǒng)設(shè)備較多、控制方式復(fù)雜，運(yùn)行中若發(fā)生設(shè)備故障或控制信號(hào)異常，則有可能產(chǎn)生設(shè)備過電壓，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，輕則威脅設(shè)備安全，重則導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，甚至造成配電網(wǎng)停電事故。依據(jù)故障發(fā)生位置，可分為交流母線側(cè)故障、直流閥廳故障和直流線路側(cè)故障[11]。交流母線側(cè)故障主要由交流系統(tǒng)異常操作或雷擊引起，發(fā)生單相或多相接地故障而跳閘，故障發(fā)生概率較大。直流閥廳故障主要由控制信號(hào)異?；驌Q流器故障引起，存在一定概率，隨著直流控制技術(shù)不斷完善，這一故障概率會(huì)有所下降。直流線路側(cè)故障主要由開關(guān)異常或電纜絕緣破壞導(dǎo)致，一般情況下這類故障概率較低。上述故障所能引起的過電壓分別為交流側(cè)、直流閥廳和直流線路側(cè)過電壓。

4.1.1 交流側(cè)過電壓

交流側(cè)發(fā)生的故障包括聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)或閥側(cè)交流故障，故障類型包含單相、兩相和三相接地或短路故障。依據(jù)現(xiàn)有直流系統(tǒng)交流側(cè)發(fā)生故障的情況，本文重點(diǎn)分析單相和三相接地故障所產(chǎn)生的過電壓。

當(dāng)聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)故障相電壓下降為零，非故障相電壓抬升，同時(shí)由于變壓器一、二次側(cè)的隔離作用，閥側(cè)的運(yùn)行電壓不受影響。當(dāng)聯(lián)接變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，特別是閥廳內(nèi)交流母線金屬性接地時(shí)，非故障相由于電路的不對(duì)稱性引起線路電磁振蕩產(chǎn)生過電壓，同時(shí)過電壓直接進(jìn)入閥廳，影響直流線路的正常運(yùn)行，極線電壓隨著交流頻率發(fā)生振蕩。

當(dāng)聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)或閥側(cè)發(fā)生三相接地故障時(shí)，接地瞬間換流器中儲(chǔ)存的能量通過接地回路釋放，這一過程不產(chǎn)生過電壓。當(dāng)故障清除、系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)，控制系統(tǒng)響應(yīng)敏感，易造成電壓超調(diào)而產(chǎn)生過電壓。

4.1.2 直流閥廳過電壓

直流閥廳故障包含橋臂短路、橋臂開路、閥底接地、閥頂接地等故障，閥廳內(nèi)部的故障一般為永久性，無法自我恢復(fù)，因此會(huì)嚴(yán)重威脅直流配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行[12]。本文重點(diǎn)考慮發(fā)生概率相對(duì)較高的閥頂接地及橋臂短路故障。

當(dāng)閥頂發(fā)生單極接地故障時(shí)，接地極電壓突降為零，極線電流從接地點(diǎn)回流，回路參數(shù)發(fā)生變化。由于極線電流的突變，直流電抗及橋臂電抗發(fā)生激蕩，產(chǎn)生過電壓。待系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)后，由于配電換流站兩極電容的鉗位作用，直流非故障極電壓上升為正常值的兩倍。

當(dāng)橋臂發(fā)生短路故障時(shí)，短路橋臂上的電容快速放電。若換流閥組觸發(fā)信號(hào)正常，橋臂輪流導(dǎo)通，由于故障橋臂的存在導(dǎo)致直流換流電壓波形紊亂，對(duì)閥側(cè)交流電壓也產(chǎn)生巨大的干擾。

4.1.3 直流線路側(cè)過電壓

直流線路側(cè)產(chǎn)生過電壓存在兩種情況，一是直流斷路器發(fā)生誤動(dòng)作；二是直流配電線路發(fā)生故障[12-13]。配電電纜受到外力作用或內(nèi)部老化而造成絕緣層破壞，可分為直流單極接地、直流斷線及雙極短路故障。電纜斷線后，深埋地下的導(dǎo)體層與土壤直接接觸，可等效為直流單極接地。本文主要考慮直流斷路器誤動(dòng)作、直流單極接地和雙極短路故障。

當(dāng)直流斷路器發(fā)生誤動(dòng)作而開斷時(shí)，直流電抗的電流被截?cái)?，由于電抗作用其兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，導(dǎo)致電抗器的線路側(cè)產(chǎn)生過電壓。同時(shí)由于換流閥電容作用，在故障瞬間閥組兩極電壓保持不變，則過電壓將傳遞至非故障極。

當(dāng)直流單極接地故障發(fā)生時(shí)，接地極電壓突降為零，線路電容經(jīng)直流電抗通過接地回路放電，電抗器兩端產(chǎn)生過電壓。由于換流閥電容的鉗位作用，過電壓傳遞至非故障極。待系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)后，直流非故障極電壓上升為正常值的兩倍，這一過程與閥頂單極接地故障類似。

當(dāng)直流雙極短路故障發(fā)生時(shí)，正負(fù)極相互聯(lián)接構(gòu)成故障回路，極間電壓瞬間為零，電容快速放電，直流電流驟升，電抗器兩端感應(yīng)出過電壓[14]，此時(shí)直流系統(tǒng)無法正常工作。

4.2 最大過電壓水平統(tǒng)計(jì)

針對(duì)過電壓產(chǎn)生的位置及水平，本文提出兩種柔性直流配電網(wǎng)避雷器布置的調(diào)整方案。與初步布置方案相比，方案Ⅰ減少了V，R，CD，AR，方案Ⅱ減少了R，如圖3所示。

圖3 避雷器布置方案Ⅱ（方案Ⅰ為虛線框部分刪去后）

借助PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，仿真分析各類故障過電壓的情況[15-16]，記錄系統(tǒng)關(guān)鍵位置出現(xiàn)的最大過電壓水平。以不配置避雷器作參照，得出不同布置方案下系統(tǒng)最大過電壓水平的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表3所示。

由表3可知，避雷器的配置限制了鄰近關(guān)鍵設(shè)備的過電壓水平，起到了重要的保護(hù)作用。對(duì)比兩種避雷器配置方案的計(jì)算結(jié)果，方案Ⅱ由于直流電抗并聯(lián)避雷器CD的存在，限制了直流電抗兩端過電壓水平，而抬高了橋臂電抗兩端過電壓水平。綜合考慮其他關(guān)鍵位置過電壓情況，方案Ⅱ進(jìn)一步降低了聯(lián)接變閥側(cè)、中性點(diǎn)、換流閥頂、直流極線及直流電纜過電壓，在應(yīng)用上更具有優(yōu)勢(shì)。

表3 直流配電網(wǎng)最大過電壓水平

5 設(shè)備絕緣水平的確定

設(shè)備絕緣水平需要與系統(tǒng)可能出現(xiàn)的過電壓或避雷器的保護(hù)水平相配合。設(shè)備的耐壓水平需要承受系統(tǒng)運(yùn)行過程中各種可能出現(xiàn)的過電壓情況，而不會(huì)造成絕緣破壞[5]。絕緣水平過高容易提高設(shè)備制造的成本，因此應(yīng)綜合考量直流配電工程的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性，選擇合理的絕緣水平。

5.1 設(shè)備絕緣裕度的選取

直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備可能出現(xiàn)的過電壓水平普遍不高，且配電設(shè)備絕緣水平的提高并不會(huì)增加太多成本。相比較柔性直流輸電系統(tǒng)，直流配電系統(tǒng)的絕緣裕度可設(shè)置得更為寬松。從設(shè)備運(yùn)行的可靠性與安全性出發(fā)，本文適當(dāng)提高設(shè)備的絕緣裕度，如表4所示。

表4 設(shè)備絕緣裕度的選取

直流配電設(shè)備主要承受操作沖擊過電壓，基本不受雷電過電壓的影響，因此本文的絕緣裕度是指設(shè)備操作過電壓下的絕緣裕度水平。

5.2 設(shè)備絕緣水平

依據(jù)避雷器配置的保護(hù)水平，參考關(guān)鍵設(shè)備的最大過電壓仿真結(jié)果，考慮設(shè)備的絕緣裕度，可計(jì)算得到設(shè)備耐壓水平。參照已有規(guī)格設(shè)備的絕緣水平，將設(shè)備耐壓水平向上取整，最終得到設(shè)備的絕緣水平如表5所示。

表5 配電系統(tǒng)保護(hù)水平及設(shè)備絕緣水平

由表5可知，方案Ⅱ可降低直流電抗及配電線路設(shè)備的絕緣水平，但也提高了橋臂電抗需要的絕緣水平?？紤]配電電壓水平不高，提高絕緣水平并不會(huì)增加太多成本，同時(shí)方案Ⅱ比方案Ⅰ增加了V，CD，AR，對(duì)系統(tǒng)起到了一定的保護(hù)作用，因此推薦采用方案Ⅱ，并確定設(shè)備相應(yīng)的絕緣水平。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本文綜合分析了柔性直流配電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓的原因，在充分考慮各類故障的情況下，統(tǒng)計(jì)得到系統(tǒng)關(guān)鍵位置的最大過電壓水平，并提出了兩種合適的避雷器布置方案。

（2）與交流配電不同，直流配電系統(tǒng)在交流側(cè)、直流閥廳、直流線路側(cè)均有可能發(fā)生故障而產(chǎn)生操作過電壓，其中閥頂接地、直流單極接地、極間短路、直流斷路器誤動(dòng)作對(duì)交直流系統(tǒng)均會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

（3）避雷器能夠有效降低鄰近設(shè)備的過電壓水平。本文確定了±10 kV柔性直流配電工程所用避雷器的參數(shù)，在考慮設(shè)備絕緣裕度情況下，進(jìn)一步計(jì)算得到了設(shè)備的絕緣水平。綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性，推薦方案Ⅱ的避雷器布置策略，可為相關(guān)工程的絕緣配合提供方案參考。