鄧俊文，鄧京，黃學(xué)民，羅新，韓永霞

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

我國用電負(fù)荷中心及能源資源的逆向分布，使得高壓及特高壓直流輸電技術(shù)成為了解決電能生產(chǎn)與使用矛盾的重要技術(shù)手段[1-4]。交流濾波器能夠?yàn)V除諧波和提供無功功率，是高壓直流輸電系統(tǒng)中的重要組成部分[5-11]。

交流濾波器正常投入及系統(tǒng)發(fā)生各類接地故障等工況時(shí)，均會(huì)在交流濾波器系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓，從而危及設(shè)備絕緣及系統(tǒng)安全運(yùn)行[12-16]。針對上述問題，相關(guān)研究結(jié)果表明，在交流濾波器正常投入或系統(tǒng)發(fā)生各類接地故障工況下，過電壓波形波前時(shí)間為微秒級，屬于雷電過電壓范疇，對直流輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行有重要影響[5-6]，且幅值較高會(huì)導(dǎo)致交流濾波器用避雷器動(dòng)作[17-20]。

當(dāng)過電壓的等值頻率較高時(shí)，交流濾波器中各組件之間及對地的雜散電容將對避雷器電氣應(yīng)力產(chǎn)生影響，而目前對此還缺少相關(guān)研究；因此，有必要研究交流濾波器組件之間及對地的雜散電容，并仿真分析其對交流濾波器用避雷器過電壓、電流和吸收能量的影響，進(jìn)而優(yōu)化交流濾波器組的絕緣設(shè)計(jì)。

靜電場有限元仿真是計(jì)算雜散電容的有效手段[21]。相關(guān)文獻(xiàn)針對電感型避雷針[22-23]、換流閥[24-26]、雷電沖擊下的避雷器[27]等開展設(shè)備雜散電容的有限元仿真分析，并計(jì)算了雜散電容對高頻過電壓仿真計(jì)算結(jié)果的影響。仿真結(jié)果表明：考慮雜散電容后系統(tǒng)過電壓的大小及波形均會(huì)發(fā)生不同程度的變化，而且對系統(tǒng)過電壓的計(jì)算精度影響較大。目前缺少對交流濾波器雜散電容的研究，現(xiàn)有的交流濾波器過電壓及絕緣配合研究中，一般按照操作過電壓下的設(shè)備等效回路開展仿真。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

直流輸電需要消耗大量無功功率，受端換流站配置的交流濾波器無功總?cè)萘繛? 220 Mvar，共4大組，14小組，每小組提供230 Mvar的無功功率。

表1 系統(tǒng)額定參數(shù)Tab.1 System rated parameters

僑鄉(xiāng)換流站逆變側(cè)交流濾波器共有3種類型，即雙調(diào)諧濾波器DT11/24(A型)、雙調(diào)諧濾波器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，其母線上連接2組C型(571、572)、1組A型(573)和1組B型(574)交流濾波器。交流濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：R1為交流濾波器等效電阻器，其電阻值為R1；C1、C2為交流濾波器等效電容器，其電容值分別為C1、C2；L1、L2為交流濾波器等效電感器，其電感值分別為L1、L2；F1、F2均為濾波器用避雷器。未考慮雜散電容時(shí)，交流濾波器參數(shù)見表2，交流濾波器用避雷器參數(shù)見表3。由于在濾波器投入和交流母線接地工況下，避雷器過電壓波前時(shí)間屬于雷電沖擊范疇，故僅考慮避雷器雷電沖擊保護(hù)水平和配合電流大小。

圖1 交流濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 AC filter topology

表2 交流濾波器參數(shù)Tab.2 AC filter parameters

表3 避雷器參數(shù)Tab.3 Arrester parameters

2 仿真建模

2.1 有限元模型

利用Solidworks軟件建立幾何模型，以A型交流濾波器為例，如圖2所示。

圖2 A型交流濾波器幾何模型Fig.2 Geometric model of type A AC filter

在由交流濾波器各元件組成的多導(dǎo)體系統(tǒng)中，除了導(dǎo)體本身的自電容外，還包括導(dǎo)體間的互電容。

有限元仿真計(jì)算流程如下：首先將三維模型導(dǎo)入到有限元仿真軟件建立三維靜電場模型；然后設(shè)置導(dǎo)體材料及導(dǎo)體間的介質(zhì)材料，根據(jù)濾波器實(shí)際拓?fù)涞碾娐愤B接添加電壓激勵(lì)；最后設(shè)置網(wǎng)格大小、迭代次數(shù)、計(jì)算誤差和求解域。

靜電場仿真設(shè)置中：導(dǎo)體設(shè)為理想導(dǎo)體；導(dǎo)體間的介質(zhì)設(shè)為空氣，其相對介電常數(shù)設(shè)置為1；模型網(wǎng)格采用軟件提供的精細(xì)度最高的網(wǎng)格；根據(jù)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的濾波器母線電壓，將濾波器高壓端電壓激勵(lì)設(shè)為361.5 kV，接地端設(shè)為0 kV，計(jì)算誤差設(shè)為0.05%。

有限元仿真分析中，迭代次數(shù)和求解域是影響仿真結(jié)果的關(guān)鍵因素。以C型濾波器C1和L1間的雜散電容值CC1L1為例，其余條件相同的情況下，雜散電容值隨求解域和迭代次數(shù)的變化趨勢分別如圖3和圖4所示。

圖3 雜散電容值隨求解域變化的趨勢Fig.3 Tend of stray capacitance changing with solution domain

圖4 雜散電容隨迭代次數(shù)變化的趨勢Fig.4 Trend of stray capacitance changing with iteration numbers

從圖3和圖4可知：求解域達(dá)到300%或迭代次數(shù)達(dá)到20次后，CC1L1基本不隨求解域或迭代次數(shù)繼續(xù)增大而增大，其余雜散電容情況與CC1L1相同。考慮求解速度，本文將求解域設(shè)為300%，迭代次數(shù)設(shè)為20次。

2.2 電磁暫態(tài)模型

基于CIGRE推薦的Benchmuck模型，建立直流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型，其中交流電網(wǎng)等效為無窮大系統(tǒng)，直流輸電線路采用頻率相關(guān)模型[28-29]，仿真步長設(shè)為1 μs，逆變側(cè)交流濾波器場如圖5所示。

圖5 逆變側(cè)交流濾波器場模型示意Fig.5 Inverter side AC filter field model

交流濾波器電路拓?fù)淙鐖D6所示，其中未畫出各元件的自電容，虛線框標(biāo)出的即為導(dǎo)體間的互電容CC1C2、CC1L1、CL1C2、CR1L1、CL1L2、CL2C2、CC1R1、CR1C2、CR1L2、CC1L2。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 有限元仿真計(jì)算結(jié)果

基于有限元仿真計(jì)算得雜散電容容值見表4至表6，表4至表6中對角線元素為各導(dǎo)體的自電容，非對角線元素為導(dǎo)體間的互電容。經(jīng)過計(jì)算，避雷器雜散電容數(shù)值非常小，故不考慮避雷器雜散電容。

圖6 交流濾波器電路拓?fù)銯ig.6 AC filter circuit topology

表4 A型濾波器雜散電容Tab.4 Stray capacitance of type A filter

表5 B型濾波器雜散電容Tab.5 Stray capacitance of type B filter

表6 C型濾波器雜散電容Tab.6 Stray capacitance of type C filter

由表4至表6可知，在交流濾波器多導(dǎo)體系統(tǒng)中，導(dǎo)體自電容大于導(dǎo)體間的互電容，其大小均為pF級別。2個(gè)導(dǎo)體間的互電容與導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、形狀和位置有關(guān)，其相對面積越大，則互電容數(shù)值越大。

3.2 電磁暫態(tài)仿真結(jié)果與分析

3.2.1 交流濾波器投入

相關(guān)工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，交流濾波器投入是導(dǎo)致濾波器用避雷器頻繁動(dòng)作的主要原因，且合閘相角對避雷器過電壓影響最大。文獻(xiàn)[17]指出隨著濾波器合閘相角增加，避雷器最大電壓幅值增加，合閘相角在90°時(shí)避雷器過電壓最嚴(yán)重。本文將571小組C型濾波器在交流母線電壓偏離過零點(diǎn)90°時(shí)投入，571小組濾波器F2避雷器過電壓、電流和吸收能量變化曲線如圖7所示。

圖7 571小組濾波器F2避雷器電壓、電流和吸收能量變化曲線Fig.7 Voltage, current and absorbed energy of F2 arrester of 571 filter

圖7表明考慮雜散電容后，571小組F2避雷器電壓、電流及能量均有不同程度的上升。

同一大組的在運(yùn)572小組C型濾波器受571小組濾波器投入影響，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8表明，572小組濾波器F2避雷器電壓、電流和吸收能量明顯低于571小組，雜散電容對其影響相對也較小，但其數(shù)值在雜散電容的影響下仍有所上升。

同大組573、574小組濾波器F1避雷器電壓、電流和能量波形與圖8相似，而F2避雷器未動(dòng)作，571小組濾波器投入時(shí)各組濾波器用避雷器相應(yīng)參變量計(jì)算結(jié)果見表7。

分析表7可知：571小組濾波器投入時(shí)，考慮雜散電容后，572和573小組濾波器用避雷器電壓、電流和和吸收能量與未考慮時(shí)基本相同，571和574小組濾波器用避雷器電壓分別上升2.1%和9.6%，電流分別上升8.3%和162.5%，吸收能量分別上升2.4%和281.8%。顯然，考慮雜散電容后，571小組C型濾波器和574小組B型濾波器用避雷器電壓、電流和吸收能量上升，原因是雜散電容具有儲(chǔ)存和釋放能量的能力，當(dāng)濾波器投入時(shí)，雜散電容釋放能量，對濾波器用避雷器造成更大的沖擊；因此在涉及避雷器精確計(jì)算的場合，如選取避雷器參考電壓時(shí)，若不考慮雜散電容的影響，則相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果偏低。

圖8 572小組濾波器F2避雷器電壓、電流和吸收能量變化曲線Fig.8 Voltage, current and absorbed energy of F2 arrester of 572 filter

表7 避雷器電壓、電流和能量對比Tab.7 Comparison of voltage, current and energy of arrester

3.2.2 交流母線三相/單相接地故障

交流母線三相/單相接地工況下，各避雷器電壓、電流和吸收能量波形和圖8相似，具體數(shù)據(jù)見表8和表9。

表8 交流母線三相接地故障避雷器電壓、電流和吸收能量對比Tab.8 Comparison of voltage, current and absorbed energy of arrester under the three-phase grounding fault of AC bus

表9 交流母線單相接地故障避雷器電壓、電流和吸收能量對比Tab.9 Comparison of voltage, current and absorbed energy of arrester under the single-phase grounding fault of AC bus

分析表8和表9可知：交流母線三相接地故障下的避雷器過電壓、電流和吸收能量比單相接地故障大；交流母線三相接地工況下，考慮雜散電容后，573小組A型濾波器F1避雷器過電壓、電流和吸收能量與未考慮時(shí)基本相同，而571和574小組濾波器用避雷器電壓分別上升5.6%和2.3%，電流分別上升36%和5.7%，吸收能量分別上升22.5%和12.5%。

對比表7和表8可知：交流母線接地故障下避雷器過電壓、電流和吸收能量比濾波器組投入操作下要大很多，因此在絕緣設(shè)計(jì)中，前者對避雷器設(shè)計(jì)影響較大；但是，運(yùn)行中濾波器投入次數(shù)要遠(yuǎn)高于母線接地故障次數(shù)，為避免避雷器動(dòng)作次數(shù)太多而導(dǎo)致壽命降低，建議在濾波器用避雷器選型時(shí)，對其參考電壓的選取應(yīng)充分考慮濾波器投入過電壓；同時(shí)，雖然考慮雜散電容后，避雷器過電壓、電流和吸收能量增加不會(huì)很高，對避雷器要求影響不大，但是雜散電容的考慮對準(zhǔn)確分析避雷器動(dòng)作及避雷器參考電壓選取具有重要的參考意義。

4 結(jié)論

本文主要針對換流站交流濾波器雜散電容的有限元計(jì)算展開研究，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了雜散電容對濾波器用避雷器過電壓、電流和吸收能量的影響，得出以下結(jié)論：

a)基于三維有限元電場分析提出了交流濾波器組各組件間及對地雜散電容值，雜散電容大小均為pF級。

b)濾波器投入工況下，考慮雜散電容后，在運(yùn)C型濾波器和A型濾波器用避雷器過電壓、電流和吸收能量基本不變;被投入的C型濾波器和在運(yùn)B型濾波器用避雷器電壓幅值比未考慮時(shí)分別上升2.1%和9.6%，電流幅值分別上升8.3%和162.5%，吸收能量分別上升2.4%和281.8%;考慮雜散電容后避雷器過電壓、電流和吸收能量計(jì)算值增加。

c)交流母線三相接地故障下的避雷器過電壓、電流和吸收能量比單相接地故障下的大。交流母線三相接地故障工況下，考慮雜散電容后，A型濾波器用避雷器過電壓、電流和吸收能量基本不變，B、C型濾波器用避雷器電壓幅值分別上升5.6%和2.3%，電流幅值分別上升36%和5.7%，吸收能量分別上升22.5%和12.5%；因此若涉及避雷器精確計(jì)算應(yīng)該考慮雜散電容，但在避雷器絕緣裕度較大的設(shè)計(jì)場合，為了降低計(jì)算難度也可以忽略雜散電容。