雜散電容對交流濾波器用避雷器電氣應力計算的影響分析

鄧俊文，鄧京，黃學民，羅新，韓永霞

(1．華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641；2．中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510663)

我國用電負荷中心及能源資源的逆向分布，使得高壓及特高壓直流輸電技術成為了解決電能生產與使用矛盾的重要技術手段[1-4]。交流濾波器能夠濾除諧波和提供無功功率，是高壓直流輸電系統(tǒng)中的重要組成部分[5-11]。

交流濾波器正常投入及系統(tǒng)發(fā)生各類接地故障等工況時，均會在交流濾波器系統(tǒng)產生過電壓，從而危及設備絕緣及系統(tǒng)安全運行[12-16]。針對上述問題，相關研究結果表明，在交流濾波器正常投入或系統(tǒng)發(fā)生各類接地故障工況下，過電壓波形波前時間為微秒級，屬于雷電過電壓范疇，對直流輸電系統(tǒng)安全運行有重要影響[5-6]，且幅值較高會導致交流濾波器用避雷器動作[17-20]。

當過電壓的等值頻率較高時，交流濾波器中各組件之間及對地的雜散電容將對避雷器電氣應力產生影響，而目前對此還缺少相關研究；因此，有必要研究交流濾波器組件之間及對地的雜散電容，并仿真分析其對交流濾波器用避雷器過電壓、電流和吸收能量的影響，進而優(yōu)化交流濾波器組的絕緣設計。

靜電場有限元仿真是計算雜散電容的有效手段[21]。相關文獻針對電感型避雷針[22-23]、換流閥[24-26]、雷電沖擊下的避雷器[27]等開展設備雜散電容的有限元仿真分析，并計算了雜散電容對高頻過電壓仿真計算結果的影響。仿真結果表明：考慮雜散電容后系統(tǒng)過電壓的大小及波形均會發(fā)生不同程度的變化，而且對系統(tǒng)過電壓的計算精度影響較大。目前缺少對交流濾波器雜散電容的研究，現(xiàn)有的交流濾波器過電壓及絕緣配合研究中，一般按照操作過電壓下的設備等效回路開展仿真。

1 系統(tǒng)結構及參數(shù)

直流輸電需要消耗大量無功功率，受端換流站配置的交流濾波器無功總容量為3 220 Mvar，共4大組，14小組，每小組提供230 Mvar的無功功率。

表1 系統(tǒng)額定參數(shù)Tab.1 System rated parameters

僑鄉(xiāng)換流站逆變側交流濾波器共有3種類型，即雙調諧濾波器DT11/24(A型)、雙調諧濾波器DT13/36(B型)及并聯(lián)電容器Shunt C(C型)。以某一大組濾波器為例，其母線上連接2組C型(571、572)、1組A型(573)和1組B型(574)交流濾波器。交流濾波器拓撲結構如圖1所示，其中：R1為交流濾波器等效電阻器，其電阻值為R1；C1、C2為交流濾波器等效電容器，其電容值分別為C1、C2；L1、L2為交流濾波器等效電感器，其電感值分別為L1、L2；F1、F2均為濾波器用避雷器。未考慮雜散電容時，交流濾波器參數(shù)見表2，交流濾波器用避雷器參數(shù)見表3。由于在濾波器投入和交流母線接地工況下，避雷器過電壓波前時間屬于雷電沖擊范疇，故僅考慮避雷器雷電沖擊保護水平和配合電流大小。

圖1 交流濾波器拓撲結構Fig.1 AC filter topology

表2 交流濾波器參數(shù)Tab.2 AC filter parameters

表3 避雷器參數(shù)Tab.3 Arrester parameters

2 仿真建模

2.1 有限元模型

利用Solidworks軟件建立幾何模型，以A型交流濾波器為例，如圖2所示。

圖2 A型交流濾波器幾何模型Fig.2 Geometric model of type A AC filter

在由交流濾波器各元件組成的多導體系統(tǒng)中，除了導體本身的自電容外，還包括導體間的互電容。

有限元仿真計算流程如下：首先將三維模型導入到有限元仿真軟件建立三維靜電場模型；然后設置導體材料及導體間的介質材料，根據(jù)濾波器實際拓撲的電路連接添加電壓激勵；最后設置網格大小、迭代次數(shù)、計算誤差和求解域。

靜電場仿真設置中：導體設為理想導體；導體間的介質設為空氣，其相對介電常數(shù)設置為1；模型網格采用軟件提供的精細度最高的網格；根據(jù)系統(tǒng)正常運行時的濾波器母線電壓，將濾波器高壓端電壓激勵設為361.5 kV，接地端設為0 kV，計算誤差設為0.05%。

有限元仿真分析中，迭代次數(shù)和求解域是影響仿真結果的關鍵因素。以C型濾波器C1和L1間的雜散電容值CC1L1為例，其余條件相同的情況下，雜散電容值隨求解域和迭代次數(shù)的變化趨勢分別如圖3和圖4所示。

圖3 雜散電容值隨求解域變化的趨勢Fig.3 Tend of stray capacitance changing with solution domain

圖4 雜散電容隨迭代次數(shù)變化的趨勢Fig.4 Trend of stray capacitance changing with iteration numbers

從圖3和圖4可知：求解域達到300%或迭代次數(shù)達到20次后，CC1L1基本不隨求解域或迭代次數(shù)繼續(xù)增大而增大，其余雜散電容情況與CC1L1相同。考慮求解速度，本文將求解域設為300%，迭代次數(shù)設為20次。

2.2 電磁暫態(tài)模型

基于CIGRE推薦的Benchmuck模型，建立直流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型，其中交流電網等效為無窮大系統(tǒng)，直流輸電線路采用頻率相關模型[28-29]，仿真步長設為1 μs，逆變側交流濾波器場如圖5所示。

圖5 逆變側交流濾波器場模型示意Fig.5 Inverter side AC filter field model

交流濾波器電路拓撲如圖6所示，其中未畫出各元件的自電容，虛線框標出的即為導體間的互電容CC1C2、CC1L1、CL1C2、CR1L1、CL1L2、CL2C2、CC1R1、CR1C2、CR1L2、CC1L2。

3 仿真結果與分析

3.1 有限元仿真計算結果

基于有限元仿真計算得雜散電容容值見表4至表6，表4至表6中對角線元素為各導體的自電容，非對角線元素為導體間的互電容。經過計算，避雷器雜散電容數(shù)值非常小，故不考慮避雷器雜散電容。

圖6 交流濾波器電路拓撲Fig.6 AC filter circuit topology

表4 A型濾波器雜散電容Tab.4 Stray capacitance of type A filter

表5 B型濾波器雜散電容Tab.5 Stray capacitance of type B filter

表6 C型濾波器雜散電容Tab.6 Stray capacitance of type C filter

由表4至表6可知，在交流濾波器多導體系統(tǒng)中，導體自電容大于導體間的互電容，其大小均為pF級別。2個導體間的互電容與導體結構、形狀和位置有關，其相對面積越大，則互電容數(shù)值越大。

3.2 電磁暫態(tài)仿真結果與分析

3.2.1 交流濾波器投入

相關工程運行經驗表明，交流濾波器投入是導致濾波器用避雷器頻繁動作的主要原因，且合閘相角對避雷器過電壓影響最大。文獻[17]指出隨著濾波器合閘相角增加，避雷器最大電壓幅值增加，合閘相角在90°時避雷器過電壓最嚴重。本文將571小組C型濾波器在交流母線電壓偏離過零點90°時投入，571小組濾波器F2避雷器過電壓、電流和吸收能量變化曲線如圖7所示。

圖7 571小組濾波器F2避雷器電壓、電流和吸收能量變化曲線Fig.7 Voltage, current and absorbed energy of F2 arrester of 571 filter

圖7表明考慮雜散電容后，571小組F2避雷器電壓、電流及能量均有不同程度的上升。

同一大組的在運572小組C型濾波器受571小組濾波器投入影響，仿真結果如圖8所示。

圖8表明，572小組濾波器F2避雷器電壓、電流和吸收能量明顯低于571小組，雜散電容對其影響相對也較小，但其數(shù)值在雜散電容的影響下仍有所上升。

同大組573、574小組濾波器F1避雷器電壓、電流和能量波形與圖8相似，而F2避雷器未動作，571小組濾波器投入時各組濾波器用避雷器相應參變量計算結果見表7。

分析表7可知：571小組濾波器投入時，考慮雜散電容后，572和573小組濾波器用避雷器電壓、電流和和吸收能量與未考慮時基本相同，571和574小組濾波器用避雷器電壓分別上升2.1%和9.6%，電流分別上升8.3%和162.5%，吸收能量分別上升2.4%和281.8%。顯然，考慮雜散電容后，571小組C型濾波器和574小組B型濾波器用避雷器電壓、電流和吸收能量上升，原因是雜散電容具有儲存和釋放能量的能力，當濾波器投入時，雜散電容釋放能量，對濾波器用避雷器造成更大的沖擊；因此在涉及避雷器精確計算的場合，如選取避雷器參考電壓時，若不考慮雜散電容的影響，則相應的計算結果偏低。

圖8 572小組濾波器F2避雷器電壓、電流和吸收能量變化曲線Fig.8 Voltage, current and absorbed energy of F2 arrester of 572 filter

表7 避雷器電壓、電流和能量對比Tab.7 Comparison of voltage, current and energy of arrester

3.2.2 交流母線三相/單相接地故障

交流母線三相/單相接地工況下，各避雷器電壓、電流和吸收能量波形和圖8相似，具體數(shù)據(jù)見表8和表9。

表8 交流母線三相接地故障避雷器電壓、電流和吸收能量對比Tab.8 Comparison of voltage, current and absorbed energy of arrester under the three-phase grounding fault of AC bus

表9 交流母線單相接地故障避雷器電壓、電流和吸收能量對比Tab.9 Comparison of voltage, current and absorbed energy of arrester under the single-phase grounding fault of AC bus

分析表8和表9可知：交流母線三相接地故障下的避雷器過電壓、電流和吸收能量比單相接地故障大；交流母線三相接地工況下，考慮雜散電容后，573小組A型濾波器F1避雷器過電壓、電流和吸收能量與未考慮時基本相同，而571和574小組濾波器用避雷器電壓分別上升5.6%和2.3%，電流分別上升36%和5.7%，吸收能量分別上升22.5%和12.5%。

對比表7和表8可知：交流母線接地故障下避雷器過電壓、電流和吸收能量比濾波器組投入操作下要大很多，因此在絕緣設計中，前者對避雷器設計影響較大；但是，運行中濾波器投入次數(shù)要遠高于母線接地故障次數(shù)，為避免避雷器動作次數(shù)太多而導致壽命降低，建議在濾波器用避雷器選型時，對其參考電壓的選取應充分考慮濾波器投入過電壓；同時，雖然考慮雜散電容后，避雷器過電壓、電流和吸收能量增加不會很高，對避雷器要求影響不大，但是雜散電容的考慮對準確分析避雷器動作及避雷器參考電壓選取具有重要的參考意義。

4 結論

本文主要針對換流站交流濾波器雜散電容的有限元計算展開研究，并在此基礎上重點研究了雜散電容對濾波器用避雷器過電壓、電流和吸收能量的影響，得出以下結論：

a)基于三維有限元電場分析提出了交流濾波器組各組件間及對地雜散電容值，雜散電容大小均為pF級。

b)濾波器投入工況下，考慮雜散電容后，在運C型濾波器和A型濾波器用避雷器過電壓、電流和吸收能量基本不變;被投入的C型濾波器和在運B型濾波器用避雷器電壓幅值比未考慮時分別上升2.1%和9.6%，電流幅值分別上升8.3%和162.5%，吸收能量分別上升2.4%和281.8%;考慮雜散電容后避雷器過電壓、電流和吸收能量計算值增加。

c)交流母線三相接地故障下的避雷器過電壓、電流和吸收能量比單相接地故障下的大。交流母線三相接地故障工況下，考慮雜散電容后，A型濾波器用避雷器過電壓、電流和吸收能量基本不變，B、C型濾波器用避雷器電壓幅值分別上升5.6%和2.3%，電流幅值分別上升36%和5.7%，吸收能量分別上升22.5%和12.5%；因此若涉及避雷器精確計算應該考慮雜散電容，但在避雷器絕緣裕度較大的設計場合，為了降低計算難度也可以忽略雜散電容。