±800 kV換流站交流濾波器絕緣配合影響因素

鄧京，韓永霞，鄧俊文，黃學(xué)民，羅新，李歆蔚

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局， 廣東 廣州 510663)

交流濾波器是常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其主要作用是濾除換流器產(chǎn)生的各次諧波，并提供無功功率等[1-2]。目前國內(nèi)外對交流濾波器關(guān)鍵問題的研究主要集中在其性能和定值計算、避雷器參數(shù)設(shè)計方法，以及設(shè)備絕緣水平等方面[3-8]。但是近幾年來，±800 kV及±500 kV電壓等級直流輸電工程中均出現(xiàn)了交流濾波器避雷器頻繁動作達年均900多次的問題，且部分避雷器直流1 mA參考電壓下降5%，有損壞跡象。此外，運行經(jīng)驗表明投入一小組濾波器時，除了引起本小組濾波器避雷器動作，還會引起本大組其他小組濾波器避雷器動作。

目前針對交流濾波器避雷器頻繁動作的研究較少?，F(xiàn)有的研究對避雷器外絕緣開展試驗分析[9-10]，或通過仿真分析提出避雷器頻繁動作與濾波器斷路器合閘相角過大有關(guān)，但未提出相應(yīng)的解決措施[11-12]；文獻[13-14]針對如何減小合閘相角，提出了采用自適應(yīng)選取方法和合理設(shè)置選相定值的方法，但運行經(jīng)驗表明斷路器合閘相角仍然難以精確控制。因此，對實際交流濾波器絕緣配合的研究仍然需要考慮斷路器合閘相角過大的影響。

GB/T 311.3—2017《絕緣配合 第3部分：高壓直流換流站絕緣配合程序》提出交流濾波器絕緣配合的原則是在保證設(shè)備絕緣水平不太高的情況下，盡量選較高的額定電壓，避免濾波器頻繁投切操作導(dǎo)致避雷器頻繁動作[15]。文獻[16-18]提出選擇500 kV及以上電壓等級交流濾波器避雷器的額定電壓時，應(yīng)保證濾波器正常投切時不動作，但具體仿真研究中未采用交流濾波器的高頻等效模型，忽略了雜散參數(shù)和母線傳輸過程的影響。相關(guān)研究表明，不考慮系統(tǒng)的等效高頻模型會影響避雷器電氣應(yīng)力的計算結(jié)果[19-20]。同時，以上研究只提出了避雷器額定電壓的選取原則，未開展濾波器投入時避雷器動作的影響因素以及與斷路器合閘相角配合的避雷器參數(shù)設(shè)計方法的研究。

針對上述問題，本文從交流濾波器的絕緣配合及避雷器頻繁動作抑制兩方面進行綜合分析。首先，基于PSCAD電磁暫態(tài)仿真程序建立±800 kV換流站過電壓仿真模型，考慮濾波器雜散參數(shù)、母線π型等效電路及保護策略的詳細等效模型；然后，仿真分析濾波器投入、交流母線單/三相接地故障、交流濾波器母線單/三相接地故障等工況下避雷器的最大電氣應(yīng)力，分析絕緣配合的決定性故障工況、避雷器頻繁動作的原因以及避雷器額定電壓選取的影響因素；最后，分析在不改變設(shè)備絕緣水平的前提下減少避雷器動作次數(shù)的方法。

1 系統(tǒng)參數(shù)及建模

1.1 系統(tǒng)參數(shù)

糯扎渡直流輸電工程的系統(tǒng)額定參數(shù)參考文獻[21]，各組交流濾波器的配置情況如圖1所示，配置的避雷器參數(shù)見表1，其中Ur為額定電壓，ULIPL為雷電沖擊保護水平，ILIPL為配合電流，E為避雷器吸收能量。

圖1 交流濾波器布置圖Fig.1 AC filter layout diagram

表1 交流濾波器避雷器參數(shù)Tab.1 AC filter arrester parameters

1.2 仿真建模

本文基于CIGRE高壓直流的Benchmark模型，在PSCAD中建立糯扎渡直流工程的過電壓仿真模型[22-23]。

針對交流濾波器在各工況下過電壓波前時間為微秒級的特點，為提高計算結(jié)果精確度，仿真模型中對換流閥至交流母線、交流濾波器場至交流母線以及交流濾波器小組間的導(dǎo)線采用π型等效電路進行模擬。此外，根據(jù)交流濾波器的空間結(jié)構(gòu)建立3D仿真模型，運用ANSYS仿真軟件計算交流濾波器各元件之間的雜散電容，建立交流濾波器雜散參數(shù)模型，并在交流側(cè)考慮針對交流濾波器的保護策略。各設(shè)備詳細等效參數(shù)及仿真模型參考文獻[19-20]，交流側(cè)則采用在100 km外設(shè)置無窮大電源進行等效，仿真步長取2 μs。

2 過電壓仿真結(jié)果及分析

2.1 濾波器組投入

2.1.1 合閘相角對避雷器應(yīng)力的影響

當直流系統(tǒng)輸送功率為5 000 MW額定功率且其他交流濾波器均處于合閘狀態(tài)時，仿真分析571小組C型濾波器斷路器合閘相角為90°時F2避雷器的電氣應(yīng)力(如圖2所示)。其中避雷器電流波前時間為18 μs；電壓幅值為125 kV，相比文獻[12]高出8.8%；吸收能量為115 kJ，相比文獻[12]高出26%。

圖2 571小組C型濾波器F2避雷器電氣應(yīng)力波形Fig.2 Electrical stress waveforms of F2 arrester of 571C typed filter

由圖2初步分析可知，電壓較高的原因是雜散電容增加了回路中總電容量，從而導(dǎo)致避雷器的放電電壓升高?？紤]保護策略后，本組濾波器斷路器因保護動作而跳閘，無法與外部交流濾波器建立電磁暫態(tài)過程，故本組濾波器避雷器吸收能量增大。

此外，各小組濾波器避雷器過電壓隨571小組濾波器投入合閘相角的增加而增加，如圖3所示。實際避雷器的電流超過60 A時，其計數(shù)器就會動作1次，設(shè)定避雷器電流為60 A時對應(yīng)的571小組斷路器的合閘相角為臨界合閘相角，則該工況引起其他小組濾波器避雷器動作的臨界合閘相角見表2。

圖3 各避雷器過電壓與合閘相角之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the overvoltage of each arrester and closing phase angle

表2 各濾波器避雷器對應(yīng)的571小組濾波器臨界合閘相角Tab.2 Critical closing phase angle of 571 group AC filter corresponding to each filter arrester

當系統(tǒng)全壓運行下投入571小組濾波器時，571、572小組F2避雷器的動作臨界合閘相角分別為12°和30°，573和574小組的F1避雷器臨界合閘相角均為48°。該結(jié)果可作為避雷器頻繁動作改進方法的參考依據(jù)，即通過提高臨界合閘相角就可以有效減少避雷器的頻繁動作次數(shù)。

2.1.2 直流輸送功率對避雷器過電壓的影響

由于直流輸送功率在實際運行過程中不斷變化，本文仿真分析了當系統(tǒng)直流輸送功率從4 000 MW變化到6 250 MW過程中，合閘相角90°時各避雷器過電壓隨輸送功率變化，如圖4所示。

圖4 各避雷器最大過電壓隨輸送功率變化的趨勢(合閘相角為90°)Fig.4 Variation trend of the maximum overvoltage of each arrester with transmission power (closing phase angle is 90°)

由圖4可知當直流輸送功率由4 000 MW增大至4 375 MW時，573和574小組的F1避雷器過電壓有明顯下降的原因是當功率增大時，572小組投入運行，571小組濾波器合閘產(chǎn)生的過電壓沖擊會被572小組吸收，導(dǎo)致573和574小組的過電壓減小。當直流輸送功率由4 375 MW增大至6 250 MW時，其他大組的C型濾波器投入運行。由于母線電壓的波動范圍很小，投入571小組產(chǎn)生的過電壓變化很小，該大組其他小組濾波器的過電壓基本保持不變。

2.2 交流濾波器母線接地故障

交流濾波器母線接地故障產(chǎn)生的過電壓機理與交流母線接地故障相同，都是由高壓電容放電，經(jīng)電抗器和避雷器形成振蕩回路產(chǎn)生過電壓。但由于各濾波器之間的線路采用π型等效電路，故障點不同，過電壓傳播時間及損耗不同，因而避雷器應(yīng)力就會有差異。交流濾波器母線單/三相接地故障下各避雷器最大電氣應(yīng)力仿真結(jié)果見表3。

表3 交流濾波器母線單/三相接地故障各避雷器最大電氣應(yīng)力Tab.3 The maximum electrical stress of each arrester in case of AC filter bus single/three-phase grounding faults

由表3可知，交流濾波器母線單相接地故障下各避雷器電氣應(yīng)力與三相接地故障相差在3%以內(nèi)，幾乎可忽略不計。因此在交流濾波器的絕緣設(shè)計中，將三相接地故障或單相接地故障作為交流濾波器避雷器的決定性故障工況均能滿足要求。

圖5所示為交流濾波器母線三相接地故障下571小組F2避雷器的最大電氣應(yīng)力，電流波前時間為18 μs，與投入操作相當，但吸收能量高達164 kJ，超過濾波器組投入工況下的避雷器吸收能量。

圖5 濾波器母線三相接地故障571小組F2避雷器電壓、電流及能量Fig.5 Voltages, currents and energy of three-phase grounding faulted arrester

2.3 交流母線故障

交流母線單/三相接地故障下各避雷器最嚴重的過電壓電流仿真結(jié)果見表4，571小組F2避雷器的最大電氣應(yīng)力波形如圖6所示，其電流波前時間為30 μs。

表4 交流母線單/三相接地故障各避雷器最大電氣應(yīng)力Tab.4 The maximum electrical stress of each arrester in case of AC bus single/three-phase ground faults

由表4數(shù)據(jù)可知，交流母線三相接地故障下各避雷器最大電氣應(yīng)力與交流母線單相接地故障相差在3%以內(nèi)，也可忽略不計。對比表3與表4可知：交流母線接地故障下，C型濾波器F2避雷器的電壓、電流及能量幅值比交流濾波器母線接地故障小；同組的A型和B型濾波器F1避雷器電壓、電流幅值相對較小，能量偏大。

圖6 交流母線三相接地故障571小組F2避雷器電壓、電流及能量Fig.6 Voltages, currents and energy of AC bus three-phase grounding arrester

結(jié)合圖5與圖6分析可知，交流母線接地故障下各避雷器電壓、電流幅值較小，原因是：交流母線接地故障點位置距離7號母線交流濾波器較遠，π型等效電路對故障下的過電壓產(chǎn)生了衰減與延遲效應(yīng)，導(dǎo)致571小組避雷器電壓、電流及能量幅值減小。571小組避雷器過電壓經(jīng)過線路的折反射過程作用在同組的A型和B型避雷器上，使得吸收能量增加。

2.4 交流濾波器避雷器決定性工況

交流濾波器避雷器在上述操作及故障下的最大電氣應(yīng)力仿真結(jié)果匯總見表5。

表5 各交流濾波器避雷器最大電氣應(yīng)力Tab.5 The maximum stress of each AC filter arrester

由表5可知，濾波器母線單相接地故障下各避雷器的電壓、電流最大，交流母線單相接地故障下各避雷器的吸收能量最大；因此，計算交流濾波器避雷器最大電氣應(yīng)力時需綜合考慮上述工況的影響。在交流濾波器的絕緣配合研究中，通常將交流母線單相接地故障作為計算雙調(diào)諧濾波器F1避雷器及單調(diào)諧濾波器F2避雷器的雷電沖擊保護水平及配合電流的決定性故障工況[16]。本文采用更符合實際的精細化仿真模型后，仿真結(jié)果更加符合實際情況，該結(jié)果可為交流濾波器的絕緣配合研究提供新的思路。

2.5 避雷器額定電壓影響因素分析

上述仿真分析結(jié)果表明，雖然濾波器投入操作不是避雷器最大電氣應(yīng)力的決定性故障工況，但如果合閘相角過大或輸送功率較小時，避雷器更容易動作。而實際運行中，直流工程輸送功率每天的波動會引起交流濾波器的頻繁投切，所以較低的額定電壓會使得避雷器頻繁動作而影響其壽命，但較高的額定電壓有可能會提高避雷器的保護水平進而增加設(shè)備的絕緣水平。因此，建議在濾波器避雷器額定電壓選取中，先結(jié)合實際工程中交流濾波器斷路器合閘相角大小以及輸送功率來開展仿真分析，合理選擇避雷器的額定電壓。

3 避雷器頻繁動作抑制方法

GB/T 311.3—2017中提出，針對換流站交流濾波器避雷器，在不提高低壓元件絕緣水平及絕緣造價的情況下，盡量選擇較高的額定電壓，避免濾波器頻繁投切導(dǎo)致避雷器頻繁動作[15]。所以選擇避雷器的額定電壓的原則是交流濾波器正常投切時避雷器不動作。但由于在實際運行過程中，交流濾波器選相合閘裝置的精度無法滿足濾波器正常投切的要求，如在電壓過零點15°以內(nèi)合閘。因此，在不能有效減小斷路器合閘相角的情況下，針對在運工程，可以在不改變設(shè)備絕緣水平的前提下，通過串聯(lián)更多避雷器閥片提升避雷器伏安特性曲線至雷電沖擊保護水平臨界值的方法，來盡可能降低避雷器動作次數(shù)。

避雷器伏安特性曲線改進方法如圖7所示，其中I1為避雷器配合電流，U1為改進前避雷器雷電沖擊保護水平，U2為避雷器伏安特性曲線提升后的雷電沖擊保護水平的臨界值，即1.2U2為設(shè)備絕緣水平，則避雷器額定電壓也隨之上升。針對本文案例，避雷器伏安特性數(shù)據(jù)提升見表6。

圖7 伏安特性曲線改進原理Fig.7 Improvement of Volt-ampere characteristic curves

表6 避雷器伏安特性曲線提升后參數(shù)Tab.6 Parameters after improving Volt-ampere characteristic curves kV

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)提升避雷器伏安特性曲線后，設(shè)置運行功率為5 000 MW，在0°～90°范圍內(nèi)投入571小組C型濾波器。仿真結(jié)果表明：571小組C型濾波器合閘相角為15°以上時，571小組濾波器的F2避雷器動作；合閘相角為38°以上時，572小組濾波器的F2避雷器動作；合閘相角為75°以上時，574小組濾波器的F1避雷器動作；合閘相角為85°以上時，573小組濾波器的F1避雷器動作。表7為避雷器伏安特性修改后各避雷器動作的合閘相角范圍對比。

表7 避雷器伏安特性曲線提升后各避雷器臨界合閘相角Tab.7 Closing phase angle range of each arrester after improving Volt-ampere characteristic curves

對比表2與表7數(shù)據(jù)可知：提升避雷器伏安特性曲線后，571小組C型濾波器投入導(dǎo)致573小組A型濾波器和574小組B型濾波器的F1避雷器動作的臨界合閘相角顯著提高，由48°分別提高到85°和75°；與之相比，571小組和572小組的F2避雷器動作的臨界合閘相角提高不明顯，分別提高了3°和8°。濾波器斷路器的選相合閘裝置的合閘誤差平均在2～4 ms，折合成合閘相角為36°～72°，因此可保證A型和B型濾波器的F1避雷器不動作，同時減少C型濾波器的F2避雷器的動作次數(shù)。但要大幅降低C型的動作次數(shù)，還需要嚴格控制合閘相角，或者進一步改進避雷器的伏安特性曲線。

針對處于設(shè)計階段的直流工程，首先要嚴格控制交流濾波器斷路器的合閘相角并考慮不同輸送功率；然后，仿真分析最大合閘相角下濾波器投入時本組避雷器最大應(yīng)力，作為避雷器額定電壓選取依據(jù)；最后，仿真在交流母線及濾波器母線接地故障下的避雷器最大電氣應(yīng)力，作為避雷器保護水平及設(shè)備絕緣水平設(shè)計依據(jù)。但是，研究中要綜合考慮斷路器合閘裝置增加成本與低壓元件絕緣增加成本。

4 結(jié)論

本文依據(jù)實際±800 kV直流輸電工程拓撲結(jié)構(gòu)及參數(shù)，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真程序，考慮濾波器雜散參數(shù)、母線π型等效電路及保護策略的詳細等效模型；仿真分析在交流濾波器投入、各種接地故障等工況下交流濾波器避雷器應(yīng)力變化及影響因素，提出交流濾波器絕緣配合影響因素、避雷器頻繁動作的原因及限制措施。具體結(jié)論如下：

a)仿真結(jié)果表明濾波器母線接地故障下避雷器電壓、電流值最大，交流母線接地故障避雷器吸收能量最大，兩者是交流濾波器絕緣配合的典型故障工況，決定了避雷器最大電氣應(yīng)力的選取。

b)交流濾波器投入過程中斷路器合閘相角過大是避雷器頻繁動作的主要原因，直流輸送功率也會影響避雷器電氣應(yīng)力；因此提出針對新設(shè)計直流工程，選取避雷器額定電壓時要充分考慮斷路器實際的最大合閘相角。

c)針對在運工程無法有效控制合閘相角的情況，提出在不改變設(shè)備絕緣水平的前提下，通過提高避雷器額定電壓的辦法來盡可能地減少避雷器動作次數(shù)。