徐　強(qiáng)，謝天喜，吳　珺，馬　勇，周志成，陶風(fēng)波

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

±800 kV錦蘇直流工程全壓?jiǎn)?dòng)故障仿真分析

徐強(qiáng)1，謝天喜2，吳珺2，馬勇2，周志成2，陶風(fēng)波2

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

特高壓直流系統(tǒng)出現(xiàn)全壓?jiǎn)?dòng)故障時(shí)會(huì)在線路和直流母線設(shè)備上產(chǎn)生很高過(guò)電壓，威脅設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行安全。文中運(yùn)用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件建立了±800 kV錦屏-蘇州特高壓直流工程全壓?jiǎn)?dòng)故障計(jì)算模型，仿真計(jì)算了該工程在金屬回線、單極大地回線和雙極大地回線3種運(yùn)行方式下出現(xiàn)全壓?jiǎn)?dòng)故障時(shí)引發(fā)的過(guò)電壓、過(guò)電流，分析了其波形與幅值，核算了此時(shí)設(shè)備的絕緣裕度是否滿(mǎn)足要求。計(jì)算結(jié)果表明，在當(dāng)前的避雷器配置下，錦蘇特高壓直流工程出現(xiàn)全壓?jiǎn)?dòng)故障時(shí)的過(guò)電壓最高達(dá)到1 398.5 kV，低于設(shè)備1600 kV的絕緣水平且滿(mǎn)足10%的絕緣裕度要求。文中的研究成果可為特高壓直流工程的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)提供參考。

電全壓?jiǎn)?dòng)；過(guò)電壓；特高壓直流；PSCAD/EMTDC

特高壓直流輸電因其具有輸送距離遠(yuǎn)、容量大、控制調(diào)節(jié)迅速準(zhǔn)確、線路損耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前正被作為理想的大容量、遠(yuǎn)距離輸電方式大力發(fā)展［1，2］。然而由于高壓直流輸電系統(tǒng)換流站的控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易因控制系統(tǒng)故障引發(fā)的暫態(tài)過(guò)電壓導(dǎo)致直流系統(tǒng)故障甚至停運(yùn)，嚴(yán)重威脅區(qū)域電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因而有必要對(duì)其進(jìn)行研究。在種類(lèi)眾多的直流系統(tǒng)過(guò)電壓中，全電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電壓是在確定直流輸電的絕緣水平時(shí)需要考慮的內(nèi)過(guò)電壓形式之一。特高壓直流系統(tǒng)正常啟動(dòng)時(shí)，整流站通過(guò)兩站站控系統(tǒng)經(jīng)通信系統(tǒng)命令逆變站先解鎖，然后整流站解鎖，直流電壓和電流上升率受極控的調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，以較平緩的斜坡函數(shù)上升至額定值，時(shí)間達(dá)幾分鐘，即使逆變站處于閉鎖狀態(tài)也不會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓。另外極控也裝備了防止換流器小角度解鎖的連鎖環(huán)節(jié)［3-5］。如果直流系統(tǒng)的站控和極控系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生故障且通訊也發(fā)生故障，給出錯(cuò)誤的解鎖信號(hào)，整流站以最小α角解鎖，且調(diào)節(jié)器失去調(diào)節(jié)功能，而逆變站處于閉鎖狀態(tài)，則將在直流線路上以及極設(shè)備上產(chǎn)生所謂的“全電壓?jiǎn)?dòng)”過(guò)電壓。由于線路瞬間充電電壓較高，而閉鎖逆變站相當(dāng)于線路末端開(kāi)路，末端呈現(xiàn)全反射，于是在線路和直流母線設(shè)備上產(chǎn)生很高過(guò)電壓，威脅直流系統(tǒng)的設(shè)備安全［6，7］。因此有必要對(duì)±800 kV特高壓直流換流站的全壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算分析，以期為換流變壓器、平波電抗器等主設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)和校核提供參考依據(jù)。

1　計(jì)算條件

±800 kV錦屏—蘇州直流輸電工程于2012年底建成，容量為2×3600 MW，額定直流電流4.5 kA，采用每回每極雙12脈動(dòng)閥組接線方式，輸電距離約2 090.5 km，工程整體接線原理圖如圖1所示。

系統(tǒng)整流側(cè)額定觸發(fā)角為15°，逆變側(cè)額定關(guān)斷角為17°。采用的交流濾波器共分4大組、16小組，包括HP12型交流濾波器4組、HP24/36型交流濾波器4組和并聯(lián)電容器8組，每個(gè)小組的無(wú)功容量均為270 Mvar。直流濾波器為2組雙調(diào)諧無(wú)源濾波器，每極直流母線和中性母線間各配置1組，每站每極直流極母線以及中性母線上各裝設(shè)2個(gè)60 mH平波電抗器［8］。

目前國(guó)內(nèi)外用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的軟件主要有PSCAD/EMTDC，ATP/EMTP、EMTP_RV等，其中PSCAD/EMTDC相比于其他軟件增加了直流輸電系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備模型，具有豐富的直流元件模型，可以進(jìn)行精確和快速地電磁暫態(tài)仿真及數(shù)據(jù)分析，因此本文以PSCAD/EMTDC軟件作為仿真平臺(tái)建立了錦屏—蘇州直流輸電工程的系統(tǒng)模型，搭建的換流站內(nèi)主要設(shè)備以及輸電線路的配備及參數(shù)與實(shí)際工程保持一致，交流系統(tǒng)采用戴維南等值電路，等值電路不影響直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析［9］。

換流站的避雷器配置情況如圖2所示，避雷器配置參數(shù)如表1所示。

圖2　錦蘇直流工程蘇州換流站避雷器的單極布置方案

表1　蘇州站避雷器配置參數(shù)　kV

2　計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)于兩端雙極的直流輸電系統(tǒng)，由不同的直流系統(tǒng)接線方式確定的運(yùn)行方式可分為雙極或單極運(yùn)行：（1）雙極接線運(yùn)行方式，架空線路的雙極運(yùn)行方式采用大地做回路；（2）單極接線運(yùn)行方式，當(dāng)某一極換流站主設(shè)備或直流極線故障，可采用單極大地回路方式；如果接地極損壞，可采用單極金屬回線運(yùn)行方式［10］。

本文對(duì)錦蘇直流工程金屬回線（MR）、單極大地回線（GR）和雙極大地回線（BP）（一極正常運(yùn)行的方式下，另一極全壓?jiǎn)?dòng)）3種運(yùn)行方式下全電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電壓進(jìn)行了仿真計(jì)算，蘇州換流站直流側(cè)各關(guān)鍵位置直流電壓與直流電流波形的變化如圖3所示。

圖3　錦蘇直流輸電工程全壓?jiǎn)?dòng)故障波形

由圖3（a）中可知，全壓?jiǎn)?dòng)故障下直流側(cè)極線上出現(xiàn)明顯過(guò)電壓，極線直流電壓在解鎖瞬間以較大的斜率躍變上升，其中BP運(yùn)行方式下線路入口處電壓幅值最高，達(dá)到約1400 kV，GR和MR運(yùn)行方式下最高電壓約為1300 kV。3種運(yùn)行方式下的過(guò)電壓在經(jīng)過(guò)約250 ms的振蕩后趨于平穩(wěn)。由圖3（b）可知，線路入口處在出現(xiàn)過(guò)電壓的同時(shí)，也流經(jīng)了振蕩電流，BP運(yùn)行方式下電流幅值最高，達(dá)到4.5 kA左右，GR和MR運(yùn)行方式下最大電流約為3 kA。3種運(yùn)行方式下電流在約300 ms后降到0。由圖3（c）、圖3（d）可知，中性母線上的電壓、電流變化規(guī)律與線路入口處類(lèi)似，均為BP運(yùn)行方式下幅值最高。

接地極線電流因運(yùn)行方式的不同幅值差異較大，在BP運(yùn)行方式下，接地極線電流最大幅值約為5 kA，而GR和MR運(yùn)行方式下最大電流約為3 kA，經(jīng)過(guò)約300 ms的振蕩后電流降為0。

發(fā)生全壓?jiǎn)?dòng)故障時(shí)，錦蘇系統(tǒng)中各關(guān)鍵位置的過(guò)電壓幅值如表2和表3所示。

表2　錦屏換流站各關(guān)鍵位置過(guò)電壓　kV

表3　蘇州換流站各關(guān)鍵位置過(guò)電壓　kV

由表2、表3可見(jiàn)，全壓?jiǎn)?dòng)將在直流極母線上產(chǎn)生嚴(yán)重過(guò)電壓，蘇州側(cè)（逆變側(cè)）過(guò)電壓的幅值高于錦屏側(cè)（整流側(cè)），在一極正常運(yùn)行時(shí)全壓?jiǎn)?dòng)另外一極在逆變側(cè)極母線上造成最大過(guò)電壓，在閥頂與直流線路出口的電壓達(dá)到1 398.5 kV，低于設(shè)備1600 kV的絕緣水平且滿(mǎn)足10%的絕緣裕度要求［11，12］。同時(shí)兩站的換流變閥側(cè)端子、閥兩端、平抗兩端都會(huì)出現(xiàn)不同程度的過(guò)電壓。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文基于PSCAD/EMTDC軟件搭建了±800 kV錦屏—蘇州直流輸電工程全電壓?jiǎn)?dòng)故障仿真模型，計(jì)算了金屬回線、單極大地回線和雙極大地回線3種運(yùn)行方式下發(fā)生全壓?jiǎn)?dòng)故障時(shí)直流系統(tǒng)的過(guò)電壓、電流，且得出以下結(jié)論：

（1）在不同的運(yùn)行方式下，錦蘇直流系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)全壓?jiǎn)?dòng)故障時(shí)，兩站的閥頂、換流變閥側(cè)端子、閥兩端、平抗兩端都會(huì)出現(xiàn)不同程度的過(guò)電壓，其中蘇州側(cè)（逆變側(cè)）過(guò)電壓的幅值高于錦屏側(cè)（整流側(cè)），雙極大地回線運(yùn)行狀態(tài)下一極正常運(yùn)行時(shí)另外一極全壓?jiǎn)?dòng)會(huì)在閥頂與直流線路出口處造成最大過(guò)電壓，達(dá)到1 398.5 kV。

（2）不同的運(yùn)行方式下出現(xiàn)全壓?jiǎn)?dòng)故障時(shí)，極線直流電壓與電流、中性母線電壓與電流的變化趨勢(shì)相同，雙極大地運(yùn)行狀態(tài)下接地極過(guò)電流最高可達(dá)到近5 kA。

［1］張文亮，于永清，李光范，等.特高壓直流技術(shù)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（22）：1-7.

［2］袁清云.特高壓直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用前景［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（14）：1-3.

［3］黃志嶺，田 杰.基于詳細(xì)直流控制系統(tǒng)模型的EMTDC仿真［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（3）：45-48.

［4］魏 旭，謝天喜，陶風(fēng)波，等.±500 kV直流輸電線路暫態(tài)故障監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.江蘇電機(jī)工程，2014，33（6）：23-25.

［5］楊萬(wàn)開(kāi)，印永華，曾南超，等.向家壩—上?！?00 kV特高壓直流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（7）：19-23.

［6］陳宏君，王國(guó)棟，劉克金，等.直流控制保護(hù)系統(tǒng)中的IED自動(dòng)建模設(shè)計(jì)［J］.江蘇電機(jī)工程，2015，34（4）：14-16.

［7］嚴(yán)干貴，韓來(lái)文，孫效偉.呼—遼高壓直流輸電系統(tǒng)全電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電壓的研究［J］.東北電力技術(shù)，2007（1）：9-12.

［8］YU S F，NIE D Z，MA W M，et al.Overvoltage and Insulation Coordination of Jinping-Sunan±800 kV UHVDC Project Converter Stations［J］.High Voltage Engineering，2012，38（12）：3219-3223.

［9］FARUQUE M O，ZHANG Y Y，DINAUAHI V.Detailed Modeling of CIGRE HVDC Benchmark System Using PSCAD/ EMTDC and PSB/SIMULINK［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21（1）：378-387.

［10］陳錫磊，周 浩，王東舉，等.溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電工程浙西站絕緣配合［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（2）：7-12.

［11］GB/T 311.3—2007絕緣配合第3部分：高壓直流換流站絕緣配合程序［S］.

［12］周 浩，陳錫磊，陳潤(rùn)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.

徐強(qiáng)（1962），男，浙江慈溪人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)研究工作；

謝天喜（1983），男，湖北天門(mén)人，高級(jí)工程師，從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電力系統(tǒng)過(guò)電壓研究工作；

吳珺（1964），女，福建福州人，高級(jí)工程師，從事高電壓技術(shù)研究及人力資源管理工作；

馬勇（1986），男，湖北襄陽(yáng)人，工程師，從事高電壓技術(shù)研究工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓和輸電線路運(yùn)行及維護(hù)等方面研究工作；

陶風(fēng)波（1982），男，江蘇常州人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及脈沖功率研究工作。

Simulation and Analysis on Full-voltage Starting Faults in±800 kV Jinping-Suzhou UHVDC Projectct

XU Qiang1，XIE Tianxi2，WU Jun2，MA Yong2，ZHOU Zhicheng2，TAO Fengbo2
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

A full-voltage starting fault in the UHVDC system may cause very high over-voltage on transmission line and other equipment.The over-voltage threatens the safe operation of DC power equipment and system.In this paper，the overvoltage simulation model of±800 kV Jinping-Suzhou HVDC project is constructed in PSCAD/EMTDC.The over-voltage and over-current caused by full-voltage starting faults under three operation modes in this project are computed.The amplitudes and waves of over-voltage are analyzed and the insulation margins of the equipment are checked.The results show that the highest amplitude of the over-voltage is 1 398.5 kV when full-voltage starting fault occurred in the current arrester configuration in±800 kV Jinping-Suzhou HVDC project，which meets the requirements of insulation coordination.This study provides a reference for the design，operation and maintenance of UHVDC projects.

full-voltage starting；over-voltage；UHVDC；PSCAD/EMTDC

TM864

A

1009-0665（2016）04-0008-03

2016-04-08；修回日期：2016-05-30