特高壓直流保護(hù)與避雷器動作特性配合分析

黎建平，汪鳳嬌，盧文浩，陳 偉，龍 啟，王鋼

(1．中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣州市510663;2．華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州市510640)

0 引 言

能源資源分布與電力負(fù)荷需求相對不均衡造成了我國能源遠(yuǎn)距離、大規(guī)模流動的必然趨勢。特高壓直流輸電具有輸送距離遠(yuǎn)、輸送容量大、易于控制和調(diào)節(jié)、節(jié)約線路走廊和易于電網(wǎng)互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)［1］，成為我國電網(wǎng)建設(shè)的重要發(fā)展方向之一。

我國±500 kV 直流輸電工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較為豐富，但±800 kV 直流輸電工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對貧乏，電壓等級的升高，導(dǎo)致過電壓水平也增大。直流控制保護(hù)整定參數(shù)會影響故障后過電壓暫態(tài)特性，而現(xiàn)有特高壓換流站直流設(shè)備是采用氧化鋅避雷器進(jìn)行直接保護(hù)，因而兩者的配合非常重要。但是，直流控制保護(hù)整定和避雷器參數(shù)配置均從各自角度出發(fā)來進(jìn)行選擇和配置的，因此，有必要對直流保護(hù)和避雷器的配合進(jìn)行研究。

±800 kV 直流輸電工程的避雷器配置對過電壓和絕緣配合的影響研究較多［2-3］，且有相對定性的結(jié)論。直流保護(hù)策略對絕緣配合的影響方面研究較少，現(xiàn)僅有針對糯扎渡直流輸電工程的相關(guān)研究［4］，但控制保護(hù)策略和實(shí)際有一定差異。目前，暫無針對云廣工程且基于實(shí)際控制保護(hù)策略的保護(hù)與避雷器動作特性配合的研究［5-6］。本文基于云廣特高壓直流輸電電磁暫態(tài)模型，對閥避雷器和中性母線避雷器考核比較嚴(yán)格的3 種典型過電壓工況中，保護(hù)與避雷器配合的問題進(jìn)行理論分析和仿真研究。

1 避雷器配置

特高壓直流換流站避雷器配置的原則是換流站交流側(cè)產(chǎn)生的過電壓應(yīng)由交流側(cè)的避雷器進(jìn)行限制;換流站直流側(cè)產(chǎn)生的過電壓應(yīng)由直流側(cè)避雷器進(jìn)行限制;換流站內(nèi)的重要設(shè)備應(yīng)由緊靠其的避雷器直接進(jìn)行保護(hù)［7-8］。

云廣特高壓直流輸電工程額定輸送功率5 000 MW，額定運(yùn)行電壓± 800 kV，額定電流3.125 kA，線路長1 418 km。云廣特高壓楚雄換流站避雷器配置如圖1 所示，整流站和逆變站采用相同絕緣配合方案，減少了不同電壓等級設(shè)備的制造成本。最高端YY 換流變閥側(cè)采用A2 避雷器直接保護(hù)，降低了最高電位的換流變閥側(cè)操作沖擊絕緣水平。中性母線避雷器采用相同的避雷器配置，其中E1H 避雷器為8 柱E 型避雷器并聯(lián)，E2H 為3 柱E 型避雷器并聯(lián)，在金屬回線方式下有EM 避雷器(3 柱E 型避雷器并聯(lián))，雙極大地和單極大地回線方式下有EL避雷器。除此以外還有交流母線避雷器A，閥避雷器V1、V2 和V3，直流母線避雷器C2，直流母線中點(diǎn)避雷器C1，直流線路避雷器D 和平波電抗器避雷器DR。

2 控制保護(hù)配置

±800 kV 特高壓直流由于采用雙12 脈整流器，閥組數(shù)增多，為了減少故障之后直流功率的減少，保護(hù)采用分層方式分為極保護(hù)和閥組保護(hù)。極保護(hù)主要包括極換流器保護(hù)、直流母線保護(hù)、直流線路保護(hù)、接地極線路保護(hù)、高速開關(guān)保護(hù)和直流濾波器保護(hù)。閥組保護(hù)主要包括閥組級換流器保護(hù)和旁路開關(guān)保護(hù)［9-11］。云廣控制系統(tǒng)也是通過分層控制，包括雙極控制層、極控制層和閥組控制層。

3 交流側(cè)相間沖擊

交流側(cè)的相間操作過電壓通過換流變傳遞到閥側(cè)，會在換流變的閥側(cè)端子和閥上產(chǎn)生過電壓，是決定閥避雷器絕緣水平的重要工況之一。常用的施加方法是在金屬回線方式下，交直流系統(tǒng)運(yùn)行時，相間施加操作波的電流源或電壓源，通過調(diào)節(jié)電流幅值使得交流相間電壓達(dá)到1 326 kV。

圖1 云廣楚雄換流站避雷器配置Fig.1 Arrangement of arrester in Chuxiong converter station

故障時刻選取1個周期內(nèi)承受對應(yīng)交流兩相過電壓的閥由導(dǎo)通到開始換相關(guān)斷的時刻。例如，對AB 相施加操作波，選取閥1 開始換相的時刻故障，操作波到達(dá)時，閥2 換相失敗，閥3 繼續(xù)承受反相電壓，此時的反相電壓的最大值取決于換流變閥側(cè)AB相間的電壓差。故障時刻示意圖如圖2 所示，圖中A點(diǎn)為交流側(cè)相間沖擊施加時刻即閥1 向閥2 開始換相時刻，B 點(diǎn)為閥3 到達(dá)最大過電壓時刻。

圖2 交流側(cè)相間沖擊故障時刻示意圖Fig.2 Failure moment diagram of AC-side phase-phase switching impulse

各閥避雷器承受的最大過電壓如表1 所示，該工況下由于操作波施加時間很短，而交流過電壓保護(hù)最快動作時延為10 ms，無法達(dá)到保護(hù)動作啟動要求，因而，在此種工況下，避雷器的最大應(yīng)力不受保護(hù)影響。由于操作沖擊時間很短，閥最大過電壓幅值較高，但能量較低。

表1 交流側(cè)相間沖擊避雷器應(yīng)力Table 1 Arrester stress of AC-side phase-phase switching impulse

對比V1、V2 和V3 避雷器應(yīng)力可以看出，V3 避雷器承受的過電壓最高，其次是V2 避雷器，V1 避雷器的過電壓電壓水平最低，因而，研究V3 避雷器的絕緣水平時一定要對此種工況進(jìn)行研究。

4 最高YY 換流變閥側(cè)套管閃絡(luò)

最高電位換流變YY 閥側(cè)套管在運(yùn)行中承受著很高的交直流疊加電壓，有可能會發(fā)生對地閃絡(luò)。Y線圈套管閃絡(luò)時，下12 和上12 脈動換流器的直流電壓通過上半橋?qū)ㄩy與交流線電壓串聯(lián)向故障點(diǎn)提供短路電流，逆變站則由直流線路通過導(dǎo)通的閥向故障點(diǎn)提供短路電流［12-13］，換流器高壓端直流電流上升，換流器中性母線直流電流下降。正常情況下由閥短路保護(hù)I 段動作，后續(xù)動作保護(hù)為直流差動保護(hù)和直流線路低電壓保護(hù)。云廣閥短路保護(hù)和直流差動保護(hù)邏輯如表2、3 所示，保護(hù)動作后閥閉鎖，直流電流降低，與V1 避雷器并聯(lián)的換流閥電流熄滅后，V1避雷器將承受最大過電壓，此時吸收能耗也最大，此種工況是V1 避雷器的主要決定性工況之一。由于閥短路保護(hù)I 段無時延，無論后續(xù)保護(hù)時延為多少，閥避雷器最大應(yīng)力不受影響。從考慮最不利的情況出發(fā)，下面分析當(dāng)閥短路保護(hù)無法正常啟動時，直流差動保護(hù)時延不同對閥避雷器應(yīng)力的影響。

表2 閥短路保護(hù)Table 2 Short circuit protection of valve

表3 換流器直流差動保護(hù)Table 3 DC differential protection of converter

圖3為雙極輸送功率5 000 MW 時，直流差動保護(hù)時延分別為3 、5、10 ms 時V1 避雷器最大應(yīng)力以及直流差動保護(hù)動作信號和觸發(fā)角波形。仿真中按1 周期波20 ms 取20個點(diǎn)進(jìn)行仿真，得到避雷器最大應(yīng)力。圖3 的仿真數(shù)據(jù)為3.5 s 時設(shè)置C 相接地，由于換流閥的作用，閥避雷器最大過電壓出現(xiàn)在非故障相閥上。從V1 電壓波形可以看出，直流差動保護(hù)動作信號發(fā)出后，最先閉鎖閥基電子設(shè)備(valve base electronic，VBE)，閥電流減小，V1 避雷器很快達(dá)到最大過電壓幅值。但閥電流并沒有完全熄滅，V1 避雷器后續(xù)還有幾次動作，但是最大過電壓幅值降低。時延為3 ms 和5 ms 時觸發(fā)角波形幾乎一致，兩者V1避雷器最大過電壓幅值也幾乎一致，但時延為10 ms時，3.51 ～3.53 s 觸發(fā)角的上升速率明顯低于3 ms和5 ms 時的，閥電流關(guān)斷速度減慢，導(dǎo)致V1 避雷器的最大過電壓幅值略低。

圖3 輸送功率5 000 MW 時最高YY換流變閥側(cè)接地時各電壓、電流波形Fig.3 Voltage and current waveform during flashover of value side of high YY converter transformer with 5 000 MW transmission power

圖4為雙極輸送功率為500 MW 時，直流差動保護(hù)時延分別為3、5、10 ms 時V1 避雷器應(yīng)力以及直流差動保護(hù)動作信號和觸發(fā)角的波形。圖4 中故障開始時間為3.511 s，從V1 電壓波形可以看出，在直流差動保護(hù)發(fā)出動作信號之前，V1 避雷器就已經(jīng)達(dá)到了動作電壓開始放電，保護(hù)時延為3 ms 和5 ms 時，V1 避雷器最大過電壓出現(xiàn)在保護(hù)動作之后，當(dāng)保護(hù)時延為10 ms 時，V1 避雷器在保護(hù)動作之前達(dá)到了最大過電壓。由于輸送功率小，直流線路電流小，閥電流容易關(guān)斷，相比于輸送額定功率的V1 避雷器很快達(dá)到最大過電壓。與不同保護(hù)不同時延情況下避雷器應(yīng)力相比，V1 避雷器最大應(yīng)力變化很小，保護(hù)時延的影響很小。

圖4 輸送功率500 MW 時最高YY 換流變閥側(cè)接地時各電壓、電流波形Fig.4 Voltage and current waveform during flashover of value side of high YY converter transformer with 500 MW transmission power

表4 為不同輸送功率和不同保護(hù)時延對避雷器應(yīng)力的影響仿真對比結(jié)果，輸送功率小時因系統(tǒng)電流較小，換流閥容易關(guān)斷，V1 應(yīng)力較大，V1 最大過電壓為384 kV，最大能量為3.52 MJ，在保護(hù)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。輸送功率較大時，由于線路壓降大，中性母線的E1H型避雷器應(yīng)力較大，故障時刻在1個周期內(nèi)流過故障電流的閥剛換相導(dǎo)通時，中性母線E 避雷器承受的過電壓最大。E1H 最大過電壓為258 kV，單臺最大能量為1.47 MJ，E2H 最大過電壓為255 kV，單臺最大能量為0.22 MJ，均在絕緣設(shè)計(jì)水平內(nèi)。保護(hù)時延對中性母線避雷器承受的最大電流和最大能量影響較大，時延越短，電流和能量越小。

5 金屬回線開路

當(dāng)直流系統(tǒng)以單極金屬回線方式運(yùn)行時，因金屬回線斷線或金屬回線開關(guān)(metallic return switch，MRS)誤跳可發(fā)生金屬回線開路故障。一旦發(fā)生直流電流在斷路點(diǎn)入地通道完全切斷的情況，直流電流被迫經(jīng)E1H、E2H、EM 型避雷器入地，E 型避雷器遭受較大的能耗強(qiáng)度。此工況下過流、橋差和極差保護(hù)均不會動作，當(dāng)中性母線電壓超過98 kV 時，接地極線過電壓保護(hù)或中性母線過電壓保護(hù)時延100 ms 啟動ESOF，合上快速接地開關(guān)。

仿真中將保護(hù)時延分別設(shè)為50、100、150 ms，得到的避雷器應(yīng)力參數(shù)如表5 所示，保護(hù)時延分別為50 ms 和100 ms 時的E 型避雷器應(yīng)力對比如圖5 所示?？梢钥闯觯诖朔N故障情況下，保護(hù)時延對避雷器的最大過電壓幅值影響不大，但對避雷器承受的最大能量影響很大。保護(hù)時延在100 ms 之內(nèi)時，E1H

表4 最高YY 換流變閥側(cè)套管閃絡(luò)避雷器應(yīng)力Table 4 Arrester stress of value-side flashover of high YY converter transformer

表5 金屬回線開路避雷器應(yīng)力參數(shù)Table 5 Arrester stress parameters of metal loop open-circuit

圖5 金屬回線開路時E 型避雷器應(yīng)力波形Fig.5 Stress wave of E-type arresters during metal loop open-circuit

和E2H 單臺避雷器最大能量在絕緣設(shè)計(jì)水平之內(nèi)，但保護(hù)時延為150 ms 時，E2H 單臺避雷器的最大能量為3.74 MJ，已經(jīng)超出了絕緣設(shè)計(jì)水平3.6 MJ，考慮1.2 倍的設(shè)計(jì)裕度最大泄放能量為3 MJ，E1H 的單臺泄放能量3.4 MJ 也超出了設(shè)計(jì)水平。

6 結(jié) 論

本文基于云廣特高壓直流輸電電磁暫態(tài)模型，結(jié)合實(shí)際控制保護(hù)策略，分析了±800 kV 特高壓直流輸電工程中保護(hù)與避雷器配合問題，主要分析了3 種典型過電壓工況和相應(yīng)保護(hù)的配合，得出以下結(jié)論:

(1)交流側(cè)相間沖擊時，當(dāng)故障時刻為承受對應(yīng)交流兩相沖擊電壓的閥即將換相關(guān)斷時，閥避雷器承受的過電壓幅值最大。此種工況下保護(hù)對避雷器不起限制作用，由于過電壓持續(xù)時間短，避雷器的能量并不大，但過電壓幅值很高。

(2)最高換流變閥側(cè)單相接地故障時，對V1 和中性母線避雷器的沖擊比較大，當(dāng)閥短路保護(hù)拒動或無法正常啟動時，換流器直流差動保護(hù)時延會影響閥避雷器和中性母線避雷器的最大電流和最大能量，仿真結(jié)果表明閥避雷器和中性母線避雷器最大應(yīng)力均在絕緣設(shè)計(jì)水平范圍內(nèi)。

(3)金屬回線開路時，E1H 和E2H 型避雷器承受主要沖擊，接地極線過電壓保護(hù)或中性母線過電壓保護(hù)時延在100 ms 之內(nèi)時，E 型避雷器應(yīng)力在絕緣設(shè)計(jì)水平之內(nèi)，保護(hù)時延為150 ms 時，避雷器最大能量會超出設(shè)計(jì)水平。

(4)云廣工程實(shí)際控制保護(hù)和避雷器的配合滿足運(yùn)行的需求，保護(hù)時延的可調(diào)節(jié)范圍留有一定裕度，其控制保護(hù)策略和避雷器配置可供其他直流輸電工程參考。

［1］趙畹君．高壓直流輸電技術(shù)［M］．北京:中國電力出版社，2004．

［2］周浩，陳錫磊，陳潤輝，等． ±800 kV 特高壓直流換流站絕緣配合方案分析［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(11):18-24．

［3］南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心．云廣±800 kV 直流輸電工程絕緣配合研究報(bào)告［R］．廣州:南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心，2005．

［4］韓永霞，李立浧，陳輝祥，等．直流保護(hù)策略對特高壓換流站過電壓與絕緣配合影響的仿真分析［J］． 高電壓技術(shù)，2012，38(2):316-321．

［5］陳錫磊，田杰，王東舉，等，天生橋—廣州直流工程控制保護(hù)系統(tǒng)改造后的過電壓分析［J］． 電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(6):101-106．

［6］袁士超，王東舉，陳錫磊．天廣直流系統(tǒng)中性母線過電壓機(jī)制研究［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(5):216-222．

［7］陳錫磊，周浩，王東舉，等． ±800 kV 浙西特高壓直流換流站暫態(tài)過電壓研究［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(3):22-27．

［8］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)過電壓［J］．南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，6(2):6-13．

［9］王海軍．云廣特高壓直流輸電工程直流保護(hù)功能分析及典型故障研究［D］．廣州:華南理工大學(xué)，2012．

［10］楊光亮，邰能靈，鄭曉冬，等． ±800 kV 特高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)分析［J］．高電壓技術(shù)，2012，38(12):3277-3283．

［11］南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心．云南—廣東±800 kV 直流輸電工程直流保護(hù)和直流濾波器保護(hù)研究報(bào)告ER3［R］．廣州:南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心，2006．

［12］劉洋．直流輸電系統(tǒng)換流器接地故障特征分析及保護(hù)改進(jìn)研究［D］．廣州:華南理工大學(xué)，2011．

［13］李曉華，劉洋，蔡澤祥．直流輸電換流變壓器閥側(cè)交流單相接地故障［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(6):38-45．