換流站交流濾波器用避雷器過電壓仿真建模因素

羅新，鄧俊文，鄧京，黃學民，韓永霞

(1. 南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州 510663；2. 華南理工大學，廣州 510640)

0 引言

直流輸電技術(shù)擁有損耗小、造價低等優(yōu)點，是我國實現(xiàn)西電東送的重要手段[1 - 7]。

交流濾波器是直流輸電系統(tǒng)中的重要組成部分，承擔著提供無功功率和濾除諧波的任務[8 - 12]。當直流輸送功率發(fā)生變化，需要投切交流濾波器以實現(xiàn)功率平衡[13 - 16]。而交流濾波器投切及系統(tǒng)發(fā)生故障時均會對系統(tǒng)造成沖擊[17 - 21]，濾波器避雷器形成波形較陡的過電壓[22 - 23]，此時交流濾波器中的雜散參數(shù)，交流濾波器場內(nèi)外線路的π型等效電路中包含的等效電感、電容在高頻沖擊下將對濾波器用避雷器暫態(tài)應力產(chǎn)生不可忽視的影響，同時交流濾波器和交流母線保護動作，濾波器組開關(guān)斷開也會對避雷器造成進一步影響，因此有必要仿真分析上述各因素在典型工況下對交流濾波器避雷器過電壓的影響，以進行交流濾波器的絕緣設(shè)計。

國內(nèi)外對于交流濾波器過電壓及絕緣配合已有相關(guān)研究[15, 24 - 27]。首先，避雷器絕緣配合中濾波器過電壓被歸類為內(nèi)部過電壓，主要工況包括交流系統(tǒng)接地故障、逆變側(cè)失去交流電源、帶電投切濾波器[24]。有學者提出[25]，在濾波器投入工況中交流濾波器用避雷器過電壓波前時間達到15 μs，因此在分析交流濾波器過電壓時有必要建立高頻模型。文獻[26 - 27]以交流濾波器為對象進行了暫態(tài)額定值計算，但其只考慮了交流濾波器的雜散參數(shù)，未考慮交流濾波器場內(nèi)外的π型等效電路。

此外，近幾年的國內(nèi)直流工程運行經(jīng)驗表明，交流濾波器用避雷器出現(xiàn)了頻繁動作的情況。羅新等證明了避雷器頻繁動作是由交流濾波器合閘對避雷器產(chǎn)生沖擊所致[28]。文獻[29]提出了選擇交流濾波器避雷器的主要原則是濾波器正常投切時避雷器計數(shù)器不動作，不過在建模方法上僅將線路當成理想導線，且不考慮系統(tǒng)保護策略。

圖1 交流濾波器電路圖Fig.1 Circuit diagram of AC filter

針對上述問題，本文以±800 kV糯扎渡直流工程中僑鄉(xiāng)換流站的交流濾波器場為主要對象，建立交流濾波器場的高頻電磁暫態(tài)模型，對比分析濾波器雜散參數(shù)、交流濾波器場線路的π型等效電路、交流濾波器和交流母線的保護策略對交流濾波器用避雷器過電壓仿真結(jié)果的影響，提出更加精確的交流濾波器建模方法，為交流濾波器過電壓的精確計算和絕緣配合提供參考。

1 特高壓直流系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及建模

根據(jù)糯扎渡直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，基于CIGRE推薦的Benchmark模型，在PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件中建立了仿真模型。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)

本文以±800 kV糯扎渡直流輸電系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)額定參數(shù)如表1所示[23]。

表1 系統(tǒng)額定參數(shù)Tab.1 Rated parameters of the system

1.2 濾波器雜散參數(shù)分析及等效模型

逆變側(cè)交流濾波器共有3種類型[23]，即雙調(diào)諧濾波器DT11/24(A型)、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，該大組濾波器包括2個C型濾波器小組(571、572)、1個A型濾波器小組(573)和1個B型濾波器小組(574)。

考慮雜散參數(shù)，各濾波器電路結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)如圖1、表2和表3[23, 25]所示。其中LC1為高壓電容C1的雜散電感，RL1為L1的雜散電阻，RL2為L2的雜散電阻。根據(jù)ABB公司提供的設(shè)備數(shù)據(jù)，雜散電感LC1取值為50 μH，雜散電阻RL1和RL2的計算方法如式(1)所示。

(1)

表2 3種交流濾波器的參數(shù)Tab.2 Parameters of three types of AC filter

表3 兩種避雷器參數(shù)Tab.3 Parameters of two arresters

1.3 交流濾波器場內(nèi)外線路參數(shù)及等效模型

線路參數(shù)如表4所示[25]。其中逆變側(cè)換流閥至交流母線、交流濾波器場至交流母線以及交流濾波器小組間的導線采用了π型等效電路，如圖2所示。

表4 線路參數(shù)Tab.4 Parameters of lines

圖2 逆變側(cè)π型等效電路Fig.2 π-equivalent circuit on the inverter side

1.4 保護策略

根據(jù)相關(guān)運行規(guī)程，交流母線和交流濾波器保護動作策略如表5所示，相應開關(guān)如圖2所示。

1.5 建模分析

為分析不同建模方法對過電壓仿真結(jié)果的影響，本文采用逐漸細化模型的方式，如表6所示。

表5 受端換流站保護策略Tab.5 Protection strategy of receiving converter station

表6 本文涉及的仿真模型Tab.6 Simulation model involved in this paper

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 濾波器投入操作

相關(guān)研究表明，避雷器斷路器合閘操作是造成濾波器避雷器頻繁動作的主要原因，且合閘相角對過電壓影響最大[28]。因此假設(shè)571小組C型濾波器交流母線電壓偏離過零點90 °時投入(最嚴重情況)。

仿真結(jié)果如圖3和表7所示。交流濾波器過流保護動作，各濾波器小組開關(guān)斷開。由圖3可知，避雷器電壓脈寬在100 μs內(nèi)，波前時間在10 μs內(nèi)，因此屬于雷電過電壓的范疇。

分析圖3和表7，模型1中避雷器電壓波頭有一個明顯的尖峰，而考慮雜散參數(shù)后模型2的電壓波形變得平滑，原因是雜散電感起到了限制電流突變，阻礙電流變化的作用，因此電壓電流幅值降低，但同時也因為電感能量存儲和釋放，電流的脈寬增加，避雷器吸能增加。模型3考慮線路的π型等效電路后，線路的LC參數(shù)參與了避雷器動作時的電磁暫態(tài)過程，同時影響了其他組濾波器折返射波的到達時間并起到衰減的作用，故避雷器電壓幅值降低，脈寬增加，整體避雷器吸收能量降低。模型4考慮保護策略后，本組濾波器斷路器因保護動作而跳閘，濾波器的能量均只能在內(nèi)部消耗傳播，沒有外部線路及濾波器組參與電磁暫態(tài)過程，故避雷器電壓及能量都較高。

圖3 571小組濾波器F2避雷器應力Fig.3 Stress of F2 arrester in 571 filter group

表7 571小組濾波器F2避雷器應力對比Tab.7 Stress comparison of F2 arrester in 571 filter group

572小組濾波器F2避雷器電壓、電流及能量的影響如圖4和表8所示。

圖4 572小組濾波器F2避雷器應力Fig.4 Stress of F2 arrester in 572 filter group

表8 572小組濾波器F2避雷器應力對比Tab.8 Stress comparison of F2 arrester in 572 filter group

圖4和表8說明，模型3考慮線路的π型等效電路后，避雷器的電壓、電流幅值和吸收能量較高，且避雷器電壓脈寬明顯增加，原因是考慮線路的π型等效電路后，因571小組濾波器合閘而產(chǎn)生的沖擊在π型等效電路中得到了放大后傳遞到572小組濾波器。模型4考慮保護策略后，接收到571小組傳來的沖擊后，572小組濾波器保護動作，小組開關(guān)跳閘，僅本小組內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換，因此模型4中避雷器電壓電流幅值和避雷器能量比模型3的小。

571小組濾波器投入對同一大組的573小組濾波器F1避雷器影響如圖5和表9所示。

圖5 573小組濾波器F1避雷器應力Fig.5 Stress of F1 arrester in 573 filter group

表9 573小組濾波器F1避雷器應力對比Tab.9 Stress comparison of F1 arrester in 573 filter group

由圖5和表9可知，573小組A型濾波器避雷器應力較小，各模型下避雷器的應力變化趨勢與572小組濾波器類似。

574小組B型交流濾波器F1避雷器暫態(tài)應力波形和圖5基本相同，仿真結(jié)果如表10所示。

分析表7至表10可知，571小組交流濾波器投入時，各小組濾波器用避雷器均動作，且2組C型濾波器應力較高，但都在設(shè)計應力范圍以內(nèi)。4種模型仿真對比結(jié)果表明，考慮濾波器雜散參數(shù)、線路分布參數(shù)和保護策略與已有模型相比，避雷器過電壓變化范圍為-4%～1.7%，電流幅值基本相同，吸收能量可高出25%～214%。

表10 574小組濾波器F1避雷器應力對比Tab.10 Stress comparison of F1 arrester in 574 filter group

2.2 交流母線三相/單相接地

交流母線接地故障是避雷器參數(shù)配置的決定性工況之一，該故障下的仿真波形如圖6所示。

圖6 571小組濾波器F2避雷器應力Fig.6 Stress of F2 arrester in 571 filter group

發(fā)生交流母線接地故障時，交流母線過流保護動作，交流母線與濾波器場直接相連的兩側(cè)開關(guān)跳開。

圖6表明，交流母線三相接地工況中，電壓波前時間及過電壓脈寬分別在幾微秒和幾十微秒范圍，因此應該采用高頻模型開展仿真分析。模型2與模型1對比，模型2中雜散參數(shù)降低了波前陡度，模型3中線路π型等效電路使得波的傳播時間增加，避雷器電壓脈寬增加，幅值降低。上述變化的原因與2.1節(jié)類似。

交流母線三相/單相接地故障下濾波器用避雷器應力如表11—12所示。

由表11—12可知，發(fā)生交流母線三相/單相接地故障時，四種模型下各避雷器應力變化趨勢與前述分析基本一致，考慮交流濾波器雜散參數(shù)、π型等效電路和保護策略后，A、B、C型濾波器用避雷器過電壓幅值比未考慮時下降5%～25%，電流幅值下降36.2%～62%，避雷器吸收能量上升16%～49%。因此，若絕緣設(shè)計的過電壓仿真中不考慮上述因素，避雷器電壓電流設(shè)計值會偏大，導致成本增加；而吸收能量設(shè)計值會偏小，可能導致避雷器能量吸收能力不足，影響濾波器正常運行。

由表7—12可知，避雷器的應力在交流母線接地故障下(表11—12)比在濾波器組投入操作下(表7—10)要大很多。因此在絕緣設(shè)計中，前者對避雷器最大應力設(shè)計影響較大。但是，運行中濾波器投切操作次數(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，建議在濾波器避雷器選型時其參考電壓的選取充分考慮濾波器投入過電壓。

3 結(jié)論

本文仿真分析了在交流濾波器投入和交流母線接地工況下，3種建模因素即交流濾波器雜散參數(shù)、交流濾波器場內(nèi)外線路的π型等效電路、交流濾波器保護策略對交流濾波器用避雷器應力的影響，得出以下結(jié)論。

表11 交流母線三相接地濾波器用避雷器應力對比Tab.11 Stress comparison of arrester for filter in the condition of AC bus three-phase grounding

表12 交流母線單相接地濾波器用避雷器應力對比Tab.12 Stress comparison of arresters for filter in the condition of AC bus single-phase grounding

1)在交流濾波器投入工況下，若濾波器合閘相角超前母線電壓90 °，則同一大組的各小組交流濾波器用避雷器均會動作，且投入的C型濾波器的避雷器應力最大，其次是相鄰的C型、A型和B型避雷器應力則相對較小。濾波器組投入操作是導致交流濾波器用避雷器頻繁動作的原因。

2)在濾波器投入工況下，避雷器承受的過電壓屬于雷電過電壓，因此需要采用高頻等效模型；通過4種仿真模型對比可知，考慮3種建模因素后的仿真結(jié)果與考慮前的仿真結(jié)果相比，各濾波器用避雷器過電壓變化-4%～1.7%，吸收能量高出25%～214%，因此準確的建模方法對濾波器絕緣設(shè)計及避雷器選型有直接影響。

3)在交流母線接地故障工況下，避雷器應力高于濾波器投入操作工況，考慮3種建模因素后， 各濾波器用避雷器過電壓幅值比未考慮時下降5%～25%，電流下降36.2%～62%，避雷器吸收能量上升16%～49%。因此若在絕緣設(shè)計中不考慮上述3種建模因素，避雷器電壓電流設(shè)計值將產(chǎn)生較大偏差，能量設(shè)計值會偏小，影響交流濾波器正常運行。