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(wú)功功率等[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)交流濾波器關(guān)鍵問(wèn)題的研究主要集中在其性能和定值計(jì)算、避雷器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，以及設(shè)備絕緣水平等方面[3-8]。但是近幾年來(lái)，±800 kV及±500 kV電壓等級(jí)直流輸電工程中均出現(xiàn)了交流濾波器避雷器頻繁動(dòng)作達(dá)年均900多次的問(wèn)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明投入一小組濾波器時(shí)，除了引起本小組濾波器避雷器動(dòng)作，還會(huì)引起本大組其他小組濾波器避雷器動(dòng)作。

目前針對(duì)交流濾波器避雷器頻繁動(dòng)作的研究較少?，F(xiàn)有的研究對(duì)避雷器外絕緣開(kāi)展試驗(yàn)分析[9-10]，或通過(guò)仿真分析提出避雷器頻繁動(dòng)作與濾波器斷路器合閘相角過(guò)大有關(guān)，但未提出相應(yīng)的解決措施[11-12]；文獻(xiàn)[13-14]針對(duì)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明斷路器合閘相角仍然難以精確控制。因此，對(duì)實(shí)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(guò)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(dòng)作[15]。文獻(xiàn)[16-18]提出選擇500 kV及以上電壓等級(jí)交流濾波器避雷器的額定電壓時(shí)，應(yīng)保證濾波器正常投切時(shí)不動(dòng)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(guò)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(huì)影響避雷器電氣應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果[19-20]。同時(shí)，以上研究只提出了避雷器額定電壓的選取原則，未開(kāi)展濾波器投入時(shí)避雷器動(dòng)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(jì)方法的研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文從交流濾波器的絕緣配合及避雷器頻繁動(dòng)作抑制兩方面進(jìn)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(guò)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(hù)策略的詳細(xì)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(dòng)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?cè)O(shè)備絕緣水平的前提下減少避雷器動(dòng)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(xiàn)[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(jiàn)表1，其中Ur為額定電壓，ULIPL為雷電沖擊保護(hù)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(guò)電壓仿真模型[22-23]。

針對(duì)交流濾波器在各工況下過(guò)電壓波前時(shí)間為微秒級(jí)的特點(diǎn)，為提高計(jì)算結(jié)果精確度，仿真模型中對(duì)換流閥至交流母線、交流濾波器場(chǎng)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(jìn)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(yùn)用ANSYS仿真軟件計(jì)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(duì)交流濾波器的保護(hù)策略。各設(shè)備詳細(xì)等效參數(shù)及仿真模型參考文獻(xiàn)[19-20]，交流側(cè)則采用在100 km外設(shè)置無(wú)窮大電源進(jìn)行等效，仿真步長(zhǎng)取2 μs。

2 過(guò)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(duì)避雷器應(yīng)力的影響

當(dāng)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(shí)，仿真分析571小組C型濾波器斷路器合閘相角為90°時(shí)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(shí)間為18 μs；電壓幅值為125 kV，相比文獻(xiàn)[12]高出8.8%；吸收能量為115 kJ，相比文獻(xiàn)[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。考慮保護(hù)策略后，本組濾波器斷路器因保護(hù)動(dòng)作而跳閘，無(wú)法與外部交流濾波器建立電磁暫態(tài)過(guò)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(guò)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(shí)際避雷器的電流超過(guò)60 A時(shí)，其計(jì)數(shù)器就會(huì)動(dòng)作1次，設(shè)定避雷器電流為60 A時(shí)對(duì)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(dòng)作的臨界合閘相角見(jiàn)表2。

圖3 各避雷器過(guò)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(duì)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(dāng)系統(tǒng)全壓運(yùn)行下投入571小組濾波器時(shí)，571、572小組F2避雷器的動(dòng)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(dòng)作改進(jìn)方法的參考依據(jù)，即通過(guò)提高臨界合閘相角就可以有效減少避雷器的頻繁動(dòng)作次數(shù)。

2.1.2 直流輸送功率對(duì)避雷器過(guò)電壓的影響

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

圖4 各避雷器最大過(guò)電壓隨輸送功率變化的趨勢(shì)(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(dāng)直流輸送功率由4 000 MW增大至4 375 MW時(shí)，573和574小組的F1避雷器過(guò)電壓有明顯下降的原因是當(dāng)功率增大時(shí)，572小組投入運(yùn)行，571小組濾波器合閘產(chǎn)生的過(guò)電壓沖擊會(huì)被572小組吸收，導(dǎo)致573和574小組的過(guò)電壓減小。當(dāng)直流輸送功率由4 375 MW增大至6 250 MW時(shí)，其他大組的C型濾波器投入運(yùn)行。由于母線電壓的波動(dòng)范圍很小，投入571小組產(chǎn)生的過(guò)電壓變化很小，該大組其他小組濾波器的過(guò)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(guò)電壓機(jī)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(guò)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(diǎn)不同，過(guò)電壓傳播時(shí)間及損耗不同，因而避雷器應(yīng)力就會(huì)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(jiàn)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(jì)。因此在交流濾波器的絕緣設(shè)計(jì)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(shí)間為18 μs，與投入操作相當(dāng)，但吸收能量高達(dá)164 kJ，超過(guò)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(yán)重的過(guò)電壓電流仿真結(jié)果見(jiàn)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(shí)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(jì)。對(duì)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?。煌M的A型和B型濾波器F1避雷器電壓、電流幅值相對(duì)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(diǎn)位置距離7號(hào)母線交流濾波器較遠(yuǎn)，π型等效電路對(duì)故障下的過(guò)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(guò)電壓經(jīng)過(guò)線路的折反射過(guò)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(jiàn)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(jì)算交流濾波器避雷器最大電氣應(yīng)力時(shí)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(jì)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(hù)水平及配合電流的決定性故障工況[16]。本文采用更符合實(shí)際的精細(xì)化仿真模型后，仿真結(jié)果更加符合實(shí)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(guò)大或輸送功率較小時(shí)，避雷器更容易動(dòng)作。而實(shí)際運(yùn)行中，直流工程輸送功率每天的波動(dòng)會(huì)引起交流濾波器的頻繁投切，所以較低的額定電壓會(huì)使得避雷器頻繁動(dòng)作而影響其壽命，但較高的額定電壓有可能會(huì)提高避雷器的保護(hù)水平進(jìn)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(shí)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(lái)開(kāi)展仿真分析，合理選擇避雷器的額定電壓。

3 避雷器頻繁動(dòng)作抑制方法

GB/T 311.3—2017中提出，針對(duì)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(jià)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(dòng)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(shí)避雷器不動(dòng)作。但由于在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，交流濾波器選相合閘裝置的精度無(wú)法滿足濾波器正常投切的要求，如在電壓過(guò)零點(diǎn)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(duì)在運(yùn)工程，可以在不改變?cè)O(shè)備絕緣水平的前提下，通過(guò)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(hù)水平臨界值的方法，來(lái)盡可能降低避雷器動(dòng)作次數(shù)。

避雷器伏安特性曲線改進(jìn)方法如圖7所示，其中I1為避雷器配合電流，U1為改進(jìn)前避雷器雷電沖擊保護(hù)水平，U2為避雷器伏安特性曲線提升后的雷電沖擊保護(hù)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(duì)本文案例，避雷器伏安特性數(shù)據(jù)提升見(jiàn)表6。

圖7 伏安特性曲線改進(jìn)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(yùn)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(shí)，571小組濾波器的F2避雷器動(dòng)作；合閘相角為38°以上時(shí)，572小組濾波器的F2避雷器動(dòng)作；合閘相角為75°以上時(shí)，574小組濾波器的F1避雷器動(dòng)作；合閘相角為85°以上時(shí)，573小組濾波器的F1避雷器動(dòng)作。表7為避雷器伏安特性修改后各避雷器動(dòng)作的合閘相角范圍對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)作，同時(shí)減少C型濾波器的F2避雷器的動(dòng)作次數(shù)。但要大幅降低C型的動(dòng)作次數(shù)，還需要嚴(yán)格控制合閘相角，或者進(jìn)一步改進(jìn)避雷器的伏安特性曲線。

針對(duì)處于設(shè)計(jì)階段的直流工程，首先要嚴(yán)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(shí)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(hù)水平及設(shè)備絕緣水平設(shè)計(jì)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(shí)際±800 kV直流輸電工程拓?fù)浣Y(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(hù)策略的詳細(xì)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(dòng)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(guò)程中斷路器合閘相角過(guò)大是避雷器頻繁動(dòng)作的主要原因，直流輸送功率也會(huì)影響避雷器電氣應(yīng)力；因此提出針對(duì)新設(shè)計(jì)直流工程，選取避雷器額定電壓時(shí)要充分考慮斷路器實(shí)際的最大合閘相角。

c)針對(duì)在運(yùn)工程無(wú)法有效控制合閘相角的情況，提出在不改變?cè)O(shè)備絕緣水平的前提下，通過(guò)提高避雷器額定電壓的辦法來(lái)盡可能地減少避雷器動(dòng)作次數(shù)。