李博洋

（國(guó)網(wǎng)高安市供電公司，江西 高安 330800）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電力的需求在不斷增加，而我國(guó)現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)與能源資源分布極不均衡，東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，電力需求缺口巨大，西部地區(qū)如山西、內(nèi)蒙古和新疆等地區(qū)的煤炭資源較多，西南地區(qū)的水力資源蘊(yùn)藏量豐富，可滿足東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的電力需求。將西部能源輸送到東部地區(qū)，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展亟待解決的重大問(wèn)題之一。但如果僅僅依靠西煤南運(yùn)，現(xiàn)階段交通運(yùn)輸能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了東部、南部發(fā)電廠煤炭需求量。同時(shí)，西南地區(qū)興建的大型水力發(fā)電站的巨大發(fā)電量，當(dāng)前的輸電電網(wǎng)也無(wú)法將其完全輸出到東部地區(qū)。這就需要在西部建立大規(guī)模火電、水電基地的同時(shí)，建設(shè)大輸電能力線路將電能輸送到東部地區(qū)，在全國(guó)形成西電東送、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)格局。我國(guó)幅員遼闊，西部能源到東部負(fù)荷區(qū)的距離都在1 000 km以上，而且需要輸送的電量巨大。對(duì)于這種遠(yuǎn)距離、大容量的輸電需求，直流輸電比交流輸電更適合，更有優(yōu)勢(shì)[1-10]。

直流輸電一般用于長(zhǎng)距離大容量電力輸送、大區(qū)域電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)或者海上孤島供電。與交流輸電系統(tǒng)類似，直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，同樣會(huì)因操作、故障、雷擊等情況產(chǎn)生過(guò)電壓，威脅直流系統(tǒng)的設(shè)備絕緣與系統(tǒng)運(yùn)行安全。直流系統(tǒng)中產(chǎn)生操作過(guò)電壓的原因多種多樣，如換流站短路故障、直流線路接地故障、交流系統(tǒng)故障、直流閉鎖操作、濾波器或電容器投切操作等。相對(duì)于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)中的過(guò)電壓更加復(fù)雜，其波形、幅值、產(chǎn)生機(jī)理、出現(xiàn)頻率等特性都有很大區(qū)別。并且，直流系統(tǒng)運(yùn)行、接線方式、避雷器配置、控制保護(hù)策略等因素都會(huì)影響過(guò)電壓。因此需要對(duì)直流系統(tǒng)過(guò)電壓進(jìn)行研究[11-23]。

雅中—江西±800 kV特高壓直流輸電工程將在2021年投運(yùn)，相比于超高壓電網(wǎng)，對(duì)特高壓直流輸電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合的要求更加嚴(yán)格，因此，對(duì)特高壓直流輸電系統(tǒng)的過(guò)電壓分析是十分必要且迫切的。

1 ±800 kV特高壓換流站過(guò)電壓

換流站作為直流輸電系統(tǒng)的心臟，承擔(dān)著轉(zhuǎn)換交直流輸電的任務(wù)，因此它的運(yùn)行穩(wěn)定性及絕緣配合的經(jīng)濟(jì)性直接影響到整個(gè)直流系統(tǒng)。由于換流站內(nèi)部存在著許多電感和電容元件，諸如平波電抗器、濾波裝置、無(wú)功補(bǔ)償電容器、導(dǎo)線的線間電容和對(duì)地電容等，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或進(jìn)行操作時(shí)，由于系統(tǒng)參數(shù)和工作條件的改變，會(huì)引起電容和電感間的電磁能量轉(zhuǎn)換，造成過(guò)電壓。又由于直流系統(tǒng)通過(guò)換流變壓器和交流系統(tǒng)相連，因此發(fā)生在交流系統(tǒng)中的過(guò)電壓也會(huì)通過(guò)換流變壓器傳入直流系統(tǒng)，產(chǎn)生傳遞過(guò)電壓，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)和直流系統(tǒng)中電感、電容元件所形成的振蕩回路發(fā)生諧振，使過(guò)電壓進(jìn)一步升高等等。此外，換流站還承受著直流線路上的雷電入侵波過(guò)電壓。這些都嚴(yán)重地威脅到整個(gè)直流輸電系統(tǒng)乃至大電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及換流站內(nèi)設(shè)備的安全性。

為更好地描述換流站內(nèi)過(guò)電壓情況，在文中對(duì)一些種類的過(guò)電壓進(jìn)行了仿真，在進(jìn)行過(guò)電壓描述之前，先對(duì)運(yùn)用的仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，模型簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 雙12脈動(dòng)直流輸電系統(tǒng)

在PSCAD中搭建雙12脈動(dòng)±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)，如圖2所示。交流側(cè)系統(tǒng)為500 kV系統(tǒng)，系統(tǒng)等效阻抗為2.5∠84°Ω，換流站為雙12脈動(dòng)換流站。4臺(tái)換流變壓器均為雙繞組變壓器，主要參數(shù)為：額定容量為750 MVA，阻抗電壓為18%，整流站換流變額定電壓為525 kV/170 kV，逆變站換流變額定電壓為525 kV/160 kV。平波電抗器參數(shù)為0.3 H，接地極線路長(zhǎng)度為20 km，故障發(fā)生時(shí)間為1 s，故障持續(xù)時(shí)間為2 s，仿真時(shí)長(zhǎng)為4 s。

圖2 PSCAD雙12脈動(dòng)±800kV特高壓直流系統(tǒng)模型

2 500 kV交流側(cè)過(guò)電壓

2.1 交流側(cè)暫時(shí)過(guò)電壓

在直流甩負(fù)荷和接地故障等故障下可能會(huì)產(chǎn)生幅值較高、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的暫時(shí)過(guò)電壓，并可能產(chǎn)生諧波諧振過(guò)電壓。

2.2 交流側(cè)諧振過(guò)電壓

系統(tǒng)電抗和交流濾波器可能會(huì)形成各種頻率的串聯(lián)或并聯(lián)諧振回路，濾波器和換流變的投切操作以及單相或三相接地故障會(huì)產(chǎn)生諧振過(guò)電壓，特別是換流變保持有剩磁通時(shí)，換流變合閘或接地故障時(shí)，換流變發(fā)生偏磁性飽和，飽和勵(lì)磁涌流含有高幅值的低次諧波，更易產(chǎn)生諧波諧振過(guò)電壓。

2.3 交流側(cè)暫態(tài)過(guò)電壓和操作過(guò)電壓

交流側(cè)單相或三相接地故障會(huì)在換流母線上引起較嚴(yán)重的暫態(tài)過(guò)電壓，換流站內(nèi)的斷路器操作也可能引起設(shè)備上的操作過(guò)電壓。

在PSCAD中令高端Y/Y聯(lián)結(jié)的換流變壓器的低壓側(cè)在1 s時(shí)發(fā)生三相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間為2 s，高端Y/△聯(lián)結(jié)換流變壓器低壓側(cè)相電壓波形如圖3所示，可以看到在3 s時(shí)低壓側(cè)相電壓呈現(xiàn)出一個(gè)峰值較高的暫態(tài)過(guò)電壓。

圖3 高端Y/△聯(lián)結(jié)換流變壓器低壓側(cè)相電壓波形圖

3 ±800 kV直流側(cè)過(guò)電壓

3.1 直流側(cè)諧振過(guò)電壓

換流閥的任何連續(xù)不正常工作，例如閥連續(xù)丟失觸發(fā)脈沖，可能產(chǎn)生極線路或金屬回線或接地極線路的二次諧波的諧振過(guò)電壓。逆變站閉鎖而旁通對(duì)未解鎖故障會(huì)將工頻電壓加到極線上，產(chǎn)生工頻諧振過(guò)電壓。最低電位換流變低壓套管閃絡(luò)會(huì)將工頻電壓加到金屬回線或接地極線路，產(chǎn)生工頻諧振過(guò)電壓。

在PSCAD中對(duì)上述故障情況中的兩種情況進(jìn)行仿真。

1）換流閥的任何連續(xù)不正常工作，例如閥連續(xù)丟失觸發(fā)脈沖，可能產(chǎn)生極線路或金屬回線或接地極線路的二次諧波的諧振過(guò)電壓。

在PSCAD中，令最高電位的Y/△聯(lián)結(jié)的換流變壓器網(wǎng)側(cè)單相接地，故障時(shí)間為1 s，這時(shí)換流閥的正常工作將受到影響，可以看到在±800 kV直流線路上疊加了1個(gè)二次諧波過(guò)電壓，如圖4、圖5所示，圖5為圖4的波形放大圖。

圖4 換流變網(wǎng)側(cè)單相接地時(shí)±800 kV直流線路電壓

圖5 換流變網(wǎng)側(cè)單相接地時(shí)±800 kV直流線路電壓波形放大圖（波形周期0.01 s）

2）最低電位換流變低壓套管閃絡(luò)會(huì)將工頻電壓加到金屬回線或接地極線路，產(chǎn)生工頻諧振過(guò)電壓。

在PSCAD中，令最低電位的Y/Y聯(lián)結(jié)的換流變壓器低壓套管單相閃絡(luò)接地，故障時(shí)間為1 s，可以看到在800 kV直流線路上疊加了一個(gè)工頻電壓，但這個(gè)工頻電壓應(yīng)該是兩個(gè)相位不同的工頻電壓疊加而成的，如圖6、圖7所示，圖7是圖6的波形放大圖。

圖6 換流變低壓套管單相閃絡(luò)接地時(shí)±800 kV直流線路電壓

圖7 換流變低壓套管單相閃絡(luò)接地時(shí)±800 kV直流線路電壓放大圖（波形周期0.02 s）

3.2 直流側(cè)操作過(guò)電壓

1）直流側(cè)接地、短路和開(kāi)路故障。例如高（壓）端Y/Y換流變閥側(cè)繞組對(duì)地閃絡(luò)；雙極對(duì)稱或不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，一極接地故障，在健全極產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓；接地極線路、金屬回線開(kāi)路故障等。

2）直流控制和保護(hù)系統(tǒng)失靈。例如全電壓?jiǎn)?dòng)、閥連續(xù)丟失脈沖故障、逆變站閉鎖而旁通對(duì)未解鎖、閥誤導(dǎo)通、換流站失去交流電源等。

3）交流側(cè)操作或接地故障在直流側(cè)產(chǎn)生的過(guò)電壓。例如交流線路單相或三相接地和清除故障通過(guò)換流變壓器傳遞至閥上，并且通過(guò)閥的串聯(lián)聯(lián)接，在閥側(cè)產(chǎn)生對(duì)地附加過(guò)電壓。

4）直流側(cè)開(kāi)關(guān)操作過(guò)電壓。例如高、低（壓）端12脈動(dòng)換流器旁路開(kāi)關(guān)合閘和分閘；投切直流濾波器；單極金屬回線與單極大地回線運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換時(shí)直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)操作等。

在PSCAD中對(duì)上述故障情況中的兩種情況進(jìn)行仿真。

1）交流側(cè)操作或接地故障在直流側(cè)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓

圖12 平波電抗器線路端電壓

3）從換流變壓器閥側(cè)到平波電抗器的閥側(cè)端的換流器區(qū)域

在PSCAD中，令雷電流從800 kV直流線路侵入，雷電流峰值為47 kA，波形為（2.6/50）μs，觀察高端Y/△聯(lián)結(jié)換流變壓器閥側(cè)電壓情況，如圖13所示。

圖13 高端Y/△聯(lián)結(jié)換流變壓器閥側(cè)電壓

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)在PSCAD中搭建雙12脈動(dòng)±800 kV特高壓直流系統(tǒng)模型，對(duì)各種故障下系統(tǒng)各個(gè)部位呈現(xiàn)出的過(guò)電壓進(jìn)行了仿真分析，得到了如下結(jié)論：

1）交流側(cè)發(fā)生故障時(shí)（如單相或三相接地等故障），交流側(cè)可能會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的工頻過(guò)電壓或暫態(tài)過(guò)電壓。

2）交流側(cè)發(fā)生故障時(shí)（如單相或三相接地、斷路器分合閘等故障）接地故障時(shí)，±800 kV直流線路可能會(huì)產(chǎn)生工頻過(guò)電壓或暫態(tài)過(guò)電壓，甚至諧振過(guò)電壓。

3）當(dāng)特高壓直流輸電系統(tǒng)遭受雷擊時(shí)，在換流站或直流輸電線路上會(huì)產(chǎn)生雷電過(guò)電壓，雷電過(guò)電壓幅值與雷電流大小、雷電流經(jīng)過(guò)路徑等因素有關(guān)。