李璟延

（國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052）

0 引言

直流輸電工程的建設(shè)有效緩解了我國資源分布的不均衡，±800kV 電壓等級直流“西電東送”工程是我國特高壓直流輸電的標(biāo)志性工程［1］。能源豐富的西北電網(wǎng)交流750kV 超高壓輸變電工程的建成，對發(fā)展和加強(qiáng)西北骨干輸電網(wǎng)架，具有極其重要和深遠(yuǎn)的意義。研究±800kV 特高壓直流輸電工程換流變網(wǎng)側(cè)直接接入750kV 電網(wǎng)這一新的直流輸電思路，無須經(jīng)過中間聯(lián)絡(luò)變，極大地降低了工程成本；并結(jié)合了西北電網(wǎng)的特點(diǎn)，更有利于新疆地區(qū)向內(nèi)地送電［1－5］。

750kV／±800kV 接入方案可以極大提高直流輸電工程的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景十分廣闊。對750kV／±800kV接入方案關(guān)鍵技術(shù)的研究顯得日益緊迫和重要。直流換流站交流濾波器用于濾除換流器產(chǎn)生的各次諧波，同時(shí)補(bǔ)償換流器工作所需的無功功率，保證交直流系統(tǒng)正常運(yùn)行，是換流站建設(shè)中的關(guān)鍵設(shè)備之一［6－8］。我國在運(yùn)、在建的±800kV 特高壓直流工程送端和受端均為直接接入500kV 交流電網(wǎng)，目前還沒有針對750kV／±800kV 接入方案的交流濾波器的技術(shù)研究。

交流濾波器元件暫態(tài)額定值計(jì)算是濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。主要包括選擇合適的濾波器避雷器、濾波器元件暫態(tài)電流和絕緣水平，保證濾波器元件在各種嚴(yán)重工況下安全運(yùn)行［9］。

本文主要針對±800kV 特高壓直流輸電工程750kV／±800kV 接入方案，選取最惡劣的運(yùn)行工況，計(jì)算換流站交流濾波器各元件暫態(tài)定值，確定在750kV 電壓等級下，濾波器避雷器配置方案和濾波器各元件的暫態(tài)定值及絕緣水平設(shè)計(jì)方案。

1 研究條件

根據(jù)以往直流輸電工程的要求［5，10］，用于換流站交流濾波器暫態(tài)額定值的輸入條件主要包括：

（1）交流濾波器的配置方案和元件參數(shù)；

（2）所選的保護(hù)方案（包括每種濾波器的避雷器的個(gè)數(shù)和位置）；

（3）避雷器的類型以及與8／20μs 和30／60μs放電電流波形相對應(yīng)的最高／最低保護(hù)性能；

（4）避雷器上的穩(wěn)態(tài)和暫時(shí)工頻諧波電壓。

為了確定濾波器元件的雷電沖擊耐受能力（lightning impulse withstand voltage，LIWL）和操作沖擊耐受能力（switching impulse withstand voltage，SIWL），在雷電沖擊保護(hù)水平和操作沖擊保護(hù)水平的基礎(chǔ)上分別增加一定的裕度［11－12］，來提高元件的保護(hù)能力。

仿真計(jì)算使用Manitoba HVDC 研究中心提供的PSCAD／EMTDCTM進(jìn)行計(jì)算。

2 交流濾波器元件參數(shù)和避雷器配置

根據(jù)西北電網(wǎng)的特點(diǎn)，750kV／±800kV 接入方案中特高壓直流輸電工程換流站諧波特性選用3種型式濾波器BP11／BP13、HP24／36和HP3，其中SC主要用于提供換流站無功需求［13］。兩端換流站濾波器參數(shù)如表1所示，濾波器結(jié)構(gòu)如圖1～4所示。圖中，C為電容器，L為電抗器，F(xiàn)為避雷器，R為電阻器，Lx為暫態(tài)短路電抗器，其他為雜散電抗器。

濾波器中的避雷器用于保護(hù)濾波器元件（主要是電感和電阻），避免放電和投切造成的雷電沖擊和操作沖擊。

表1 換流站交流濾波器元件參數(shù)Tab.1 Parameters of AC filter components in convertor stations

3 交流濾波器避雷器配置原則

直流輸電工程中交流濾波器的避雷器選取主要考慮因素包括［14－17］：（1）連續(xù)和暫時(shí)運(yùn)行電壓的峰值，包括諧波分量；（2）在正常投切濾波器時(shí)計(jì)數(shù)器應(yīng)不動作；（3）濾波器放電時(shí)的峰值電流；（4）濾波器放電時(shí)的能量。

根據(jù)西北電網(wǎng)背景諧波和750kV／±800kV 接入方案中特高壓直流換流站交流濾波器的配置類型和參數(shù)，各種運(yùn)行工況下濾波器各元件上的最大連續(xù)運(yùn)行電壓（maximum continuous working voltage，MCOV）及各諧波電壓如表2所示。

3.1 連續(xù)和暫時(shí)運(yùn)行電壓

避雷器的MCOV 是根據(jù)最惡劣的基波電壓和諧波電壓的組合確定的。交流濾波器避雷器的電壓包含多個(gè)諧波分量，根據(jù)下面的公式可獲得總電壓值：

式 中：Uarr（t）、n、Un、ωo、t和φn分別是避雷器的MCOV、諧波次數(shù)、諧波電壓、基波角頻率和每個(gè)諧波的相角。

由于不同運(yùn)行條件下相角（φn）不同，保守的算法是令φn ＝0，即將所有諧波分量直接線性相加得到總電壓值。

3.2 計(jì)數(shù)器

設(shè)計(jì)驗(yàn)證根據(jù)上述MCOV 選擇的避雷器參考電壓值Uref是否足夠高，以免在正常投切濾波器時(shí)計(jì)數(shù)器動作。當(dāng)通過避雷器的電流足夠大時(shí)，會導(dǎo)致計(jì)數(shù)器動作。避雷器的計(jì)數(shù)器動作電流一般選為600～700A。

3.3 避雷器的放電電流和能量

驗(yàn)證所選的參考電壓Uref是否會導(dǎo)致過高的放電電流和放電能量。如果存在這種情況，則應(yīng)該提高參考電壓，防止放電時(shí)產(chǎn)生過高的電流和能量。

4 交流濾波器避雷器參數(shù)

在計(jì)算高壓避雷器負(fù)載時(shí)，交流母線接地故障模擬電感Lx一般取最低值，包括故障點(diǎn)和故障點(diǎn)附近的連線電感。此時(shí)計(jì)算出的避雷器能量也是最大。計(jì)算低壓避雷器的負(fù)載時(shí)，Lx的取值應(yīng)使放電電流和能量達(dá)到最大值［18－20］。

表2 換流站交流濾波器避雷器上的最大連續(xù)運(yùn)行電壓Tab.2 Maximum continuous operating voltages on arresters of AC filters in converter station

如果將從交流系統(tǒng)入侵的操作沖擊水平限制在交流母線避雷器的操作沖擊保護(hù)水平USIPL，波頭時(shí)間取250μs，高壓避雷器的配合電流可采取下式近似計(jì)算：

式中：C1為濾波器高壓電容，du／dt 為電壓變化速率。

根據(jù)西北電網(wǎng)的特點(diǎn)，750 kV／±800 kV 特高壓直流輸電工程換流站BP11 濾波器配合電流I≈2.5kA，BP13濾波器配合電流I≈4.2kA，HP24／36、HP3濾波器和SC 并聯(lián)電容器配合電流均為I ≈6.6 kA。

高壓避雷器F1 的最大能量和電流出現(xiàn)在近區(qū)故障中，Lx取20μH，采用8／20μs的電流波形和最低避雷器保護(hù)特性，來確定F1避雷器的參數(shù)。低壓避雷器F2的Lx取值應(yīng)使避雷器負(fù)載達(dá)到最大，采用最大配合電流計(jì)算避雷器的最大保護(hù)水平。

750 kV／±800 kV 特高壓直流輸電工程接入側(cè)換流站交流濾波器避雷器參數(shù)如表3 所示。其中ULIPL為雷電沖擊保護(hù)水平。

表3 換流站濾波器及并聯(lián)電容器避雷器額定值Tab.3 Rating of AC filter and arrester with parallel capacitor in converter station

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 濾波器電抗器電阻器設(shè)備暫態(tài)負(fù)載分析

仿真計(jì)算交流濾波器電抗器和電阻器上可能出現(xiàn)的暫態(tài)沖擊電流和能量的最大值，可作為電阻器和電抗器制造的重要設(shè)計(jì)依據(jù)。表4和表5給出了交流濾波器電抗器和電阻器暫態(tài)負(fù)載計(jì)算值，用來確定設(shè)備耐受沖擊電流的能力。對于干式電抗器，沖擊耐受強(qiáng)度和匝間應(yīng)力由最大暫態(tài)沖擊電流決定。

表4 電抗器暫態(tài)負(fù)載計(jì)算值Tab.4 Calculated value of transient load of reactor

5.2 絕緣水平選擇確定

根據(jù)雷電保護(hù)電壓ULIPL，選擇合適的絕緣裕度，從而確定與其相連的元件的絕緣水平，是進(jìn)行交流濾波器絕緣配置的關(guān)鍵。雙調(diào)諧濾波器高壓電抗器的雷電絕緣水平ULIWL和操作絕緣水平USIWL分別為避雷器F1和F2的雷電保護(hù)電壓ULIPL和操作保護(hù)電壓USIPL的總和加上一定的絕緣裕度。對于特高壓直流換流站，雷電沖擊絕緣水平最小裕度參考值取20%，操作沖擊絕緣水平最小裕度參考值取15%［21－23］。

表5 電阻器暫態(tài)負(fù)載計(jì)算值Tab.5 Calculated value of transient load of resistor

交流750 kV 接入±800 kV 特高壓直流換流站交流濾波器元件以高壓電容器為例，其高壓端（high voltage，HV）、低壓端（low voltage，LV）和跨接的絕緣水平見表6。如表6所示，HV 端子絕緣水平可用于選擇電容器組高壓端母線的支撐絕緣子；LV 端子絕緣水平用以選擇電容器組底部的支撐絕緣子；跨接絕緣水平用以選擇電容器組內(nèi)電容器單元出線套管和層間支撐絕緣子，并決定電容器單元的極間絕緣水平和短路試驗(yàn)電壓。高壓電容器的跨接水平是由交流母線避雷器保護(hù)水平和電容器低壓端避雷器F1保護(hù)水平共同決定的。對于交流濾波器電抗器而言，跨接絕緣水平用以確定電抗器本體的高度和外絕緣情況，跨接絕緣水平與電抗器的設(shè)計(jì)高度成正比。交流濾波器電阻器的跨接絕緣水平?jīng)Q定了電阻器箱體的引線套管的爬電距離。

表6 換流站交流濾波器絕緣水平Tab.6 Insulation levels of AC filter in converter station

研究得出的交流750 kV 接入±800 kV 特高壓直流換流站交流濾波器所選的避雷器配置方案，可以滿足系統(tǒng)的安全運(yùn)行要求，同時(shí)將交流濾波器設(shè)備的絕緣水平、暫態(tài)負(fù)載控制在合理的水平，降低設(shè)備制造難度，減少設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

本文首次基于我國西北地區(qū)750 kV 電網(wǎng)特點(diǎn)，研究特高壓直流直接接入交流750 kV 電網(wǎng)接入方案中交流濾波器的暫態(tài)定值及其絕緣配合方案。根據(jù)特高壓直流系統(tǒng)特點(diǎn)，采用了最惡劣的運(yùn)行條件，得到以下主要結(jié)論：（1）根據(jù)±800 kV 直流輸電工程系統(tǒng)條件和換流器無功平衡要求，研究選配了交流濾波器結(jié)構(gòu)及其元件參數(shù)，確定了交流濾波器內(nèi)避雷器的配置和參數(shù)；（2）計(jì)算了交流濾波器元件暫態(tài)定值，為電容器、電抗器和電阻器設(shè)備的研制提供了重要依據(jù)；（3）根據(jù)避雷器保護(hù)水平，提出了合理的裕度，確定了交流濾波器內(nèi)電抗器、電容器以及電阻器各元件的絕緣水平，保證了交流濾波器設(shè)備安全運(yùn)行的要求。

研究結(jié)論為我國±800 kV 特高壓直流輸電工程中750 kV／±800 kV 接入方案提供了交流濾波器關(guān)鍵技術(shù)支持，是未來工程順利建設(shè)的有力保障。

［1］趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2004：10－17.

［2］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京：中國電力出版社，2005：28－35.

［3］常浩.我國高壓直流輸電工程國產(chǎn)化回顧及現(xiàn)狀［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（11）：3－4.

［4］劉澤洪，高理迎，余軍.±800 kV 特高壓直流輸電技術(shù)研究［J］.電力建設(shè)，2007，28（10）：17－24.

［5］北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程功能規(guī)范書［R］.北京：北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司，2012.

［6］蘇煒，馬為民.直流輸電換流站交流濾波器穩(wěn)態(tài)額定值研究［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（11）：63－64.

［7］楊金根，馬為民.靈寶換流站交流濾波器性能研究［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（11）：60－62.

［8］孫中明.葛南直流濾波器性能研究［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（11）：65－71.

［9］聶定珍，鄭勁.靈寶換流站交流暫態(tài)過電壓研究［J］.高電壓技術(shù)，2005，31（4）：54－56.

［10］吳方劼，馬為民，孫中明.特高壓換流站交流濾波器現(xiàn)場試驗(yàn)的分析與探討［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（1）：167－172.

［11］鄭勁，聶定珍.換流站濾波器斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓的研究［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（11）：57－59.

［12］北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程成套設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告：主回路參數(shù)研究報(bào)告［R］.北京：北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司，2012.

［13］馬為民，聶定珍，曹燕明.特高壓直流換流站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（1）：26－30.

［14］馬為民.靈寶交流濾波器暫態(tài)額定值計(jì)算［J］.高電壓技術(shù)，2005，31（4）：52－53.

［15］但剛，李明，楊俊.±660 kV 寧東—山東直流輸電工程交流濾波器暫態(tài)額定值計(jì)算［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（6）：1583－1588.

［16］北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程成套設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告：交流濾波器性能研究報(bào)告［R］.北京：北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司，2012.

［17］北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程成套設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告：交流濾波器定值研究報(bào)告［R］.北京：北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司，2012.

［18］GB／T311.1—2002 高壓輸變電設(shè)備絕緣配合［S］.北京：中國電器工業(yè)協(xié)會，2002.

［19］IEC99－4交流系統(tǒng)用無間隙氧化鋅避雷器［S］.1997.

［20］GB／T11032—2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器［S］.北京：中國電力出版社，2010.

［21］北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程成套設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告：絕緣配合研究報(bào)告［R］.北京：北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司，2012.

［22］聶定珍，馬為民，鄭勁.±800 kV 特高壓直流換流站絕緣配合［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（9）：75－79.

［23］聶定珍，馬為民，李明.錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程換流站絕緣配合［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（1）：92－97.