劉志遠(yuǎn)，于曉軍，李秀廣，李江濤，郭 潔，何家欣，虞江華

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，銀川 750000; 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049;3.安徽徽電科技股份有限公司, 合肥 230088)

0 引 言

由于我國(guó)的能源分布和負(fù)荷中心存在較大差異，決定了我國(guó)需要發(fā)展遠(yuǎn)距離、大容量的特高壓直流輸電系統(tǒng)將能源從西部和北部地區(qū)輸送到中、東部負(fù)荷中心[1-2]。

高壓直流避雷器作為特高壓直流輸電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，在絕緣配合中起著決定性的作用。其中中性母線避雷器安裝于換流站中性母線，在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電壓較低，雙極大地平衡運(yùn)行時(shí)電壓為零，但當(dāng)線路發(fā)生故障或發(fā)生某些操作時(shí)，中性母線上易產(chǎn)生較大過(guò)電壓且能量巨大。為保護(hù)中性母線區(qū)設(shè)備不受過(guò)電壓損傷，該類型避雷器需具備吸收最高40 MJ左右能量的能力。受避雷器制造技術(shù)的限制，電阻片尺寸不能過(guò)大，中性母線避雷器需采用是大規(guī)模多柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分流，保證所有的電阻片不會(huì)吸收過(guò)多能量[3-4]。以溪洛渡直流輸電工程為例，其整流側(cè)牛寨換流站單回中性母線避雷器設(shè)計(jì)能量耐受能力為33.12 MJ，并聯(lián)柱數(shù)量為92柱，每4柱構(gòu)成一個(gè)避雷器單元筒。

由于結(jié)構(gòu)特殊，且電阻片伏安特性存在分散性，這種大規(guī)模并聯(lián)避雷器組各電阻片耐受能量和特性老化不均勻問(wèn)題尤為嚴(yán)重。當(dāng)避雷器組中部分電阻片伏安特性在能量沖擊后降低較多，在下次避雷器限制過(guò)電壓時(shí)會(huì)吸收更多的能量，使電阻片進(jìn)一步老化，形成惡性循環(huán)。最終部分電阻片吸收能量過(guò)多而損壞，導(dǎo)致單柱閃絡(luò)接地故障。近十及年來(lái)，相繼投運(yùn)的直流輸電工程中，中性母線避雷器故障相繼發(fā)生三十余起[5-9]。

國(guó)內(nèi)一些文獻(xiàn)針對(duì)特高壓換流站中性母線多柱并聯(lián)避雷器組進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]提出了±800 kV糯扎渡特高壓直流輸電工程人工接地試驗(yàn)中中性點(diǎn)避雷器損壞的故障分析。文獻(xiàn)[8]分析了昭通±500 kV換流站中性點(diǎn)母線避雷器故障。多柱并聯(lián)避雷器之間的電流分布與其電流分布系數(shù)有關(guān)。因此，必須嚴(yán)格控制該系數(shù)，以避免一列壓敏電阻吸收過(guò)多的能量。目前針對(duì)多柱并聯(lián)避雷器的研究多是從電流分布角度進(jìn)行分析[10-17]。包括電流波形、幅值、電阻片溫度、電阻片伏安特性分散規(guī)律等因素對(duì)電流分布系數(shù)的影響。但從系統(tǒng)分析角度分析單柱伏安特性變化對(duì)大能量吸收過(guò)程中電流及吸收能量分布的影響的研究不夠充分。

筆者基于PSCAD建立了中性點(diǎn)避雷器直流輸電的詳細(xì)模型。通過(guò)仿真研究了中性點(diǎn)母線避雷器在故障過(guò)程中的分布特性。最后對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行了總結(jié)，為多柱并聯(lián)避雷器組能量分布特性研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 換流站電磁暫態(tài)仿真模型

1.1 系統(tǒng)模型及參數(shù)

仿真模型依托±660 kV銀川東-青島直流輸電工程實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，輸電容量約4 000 MW，單極運(yùn)行方式時(shí)，額定功率傳輸能力為2 000 MW。功率反送方式下，青島換流站輸出功率雙極運(yùn)行時(shí)不應(yīng)小于3 600 MW，單極運(yùn)行時(shí)不應(yīng)小于1 800 MW。每極為單12脈動(dòng)閥組接線方式，輸電距離約1 335 km，直流電壓±660 kV，直流電流3 030 A，送端換流器接入330 kV交流電網(wǎng)；受端換流器接入500 kV交流電網(wǎng)，見(jiàn)圖1。

圖1 ±660 kV銀川東-青島直流輸電工程主接線Fig.1 Main connection scheme of ±660 kV Yinchuan-Qingdao UHVDC project

換流變采用單相雙繞組變壓器，變壓器交流側(cè)繞組中性點(diǎn)接地。變壓器主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 換流變壓器參數(shù)Table 1 Parameters of transformers in converter stations

換流站平波電抗器每極極線配置75 mH，中性線側(cè)配置3×75 mH，中性母線電容器總的電容值為40 μF，單極運(yùn)行時(shí)為20 μF。

1.2 避雷器組模型及參數(shù)

合理配置避雷器參數(shù)可以有效控制換流站內(nèi)過(guò)電壓的幅值，從而降低對(duì)設(shè)備絕緣水平的要求。換流站避雷器配置方案見(jiàn)圖2,描述及參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 換流站避雷器描述Table 2 Definition of arresters in converter stations

圖2 避雷器配置方案Fig.2 Sketch of arresters arrangement

表3 銀川東站避雷器參數(shù)Table 3 Parameters of arresters in converter stations

續(xù)表3

仿真中避雷器模型采用非線性電阻元件，根據(jù)實(shí)際測(cè)量電阻片伏安特性數(shù)據(jù)設(shè)置避雷器參數(shù)。實(shí)際避雷器組中電阻片伏安特性存在一定的分散性，導(dǎo)致在限制過(guò)電壓過(guò)程中，流過(guò)每一柱的電流和每一片電阻片吸收的能量不均勻。但在仿真理想條件下，先設(shè)置所有電阻片伏安特性相同，電阻片串聯(lián)組成單柱避雷器伏安特性也相同，然后并聯(lián)構(gòu)成避雷組，再針對(duì)性地改變局部伏安特性曲線開(kāi)展研究。以EM避雷器為例，單柱避雷器串聯(lián)55片電阻片，整組并聯(lián)64柱可滿足能量吸收能力要求。伏安特性曲線見(jiàn)圖3。

圖3 避雷器伏安特性曲線Fig.3 Volt-ampere characteristics curve of EM arrester

2 系統(tǒng)故障特性仿真

直流換流站中性母線避雷器包括E、EL、CBN、EM 4個(gè)不同位置的避雷器，其參考電壓及能量吸收要求也不同。

2.1 閥頂接地故障

在直流側(cè)故障中，閥頂接地故障是較為嚴(yán)重的一種工況，此時(shí)中性母線避雷器在限制過(guò)電壓過(guò)程中會(huì)吸收大量能量。接地點(diǎn)如圖4中K1位置，當(dāng)換流站內(nèi)發(fā)生閥頂接地故障時(shí)，直流極母線差動(dòng)保護(hù)及時(shí)采取保護(hù)措施，停止換流閥的能量傳輸，使流過(guò)故障點(diǎn)電流迅速減小過(guò)零，從而消除故障。判據(jù)及定值設(shè)置原則：比較閥廳高壓母線直流電流IdP和出線側(cè)直流電流IdL，如果兩電流的差值大于整定值，保護(hù)將跳閘。即|IdP-IdL|>Δ。典型定值：Δ=0.5 pu，T=10 ms。

圖4 閥頂接地故障電流回路示意圖Fig.4 Schematic diagram of current loop when grounding fault at the top of converter valve

整流站逆變站接地故障對(duì)應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作為X閉鎖。保護(hù)動(dòng)作順序：移相閉鎖、跳交流斷路器、極隔離、起動(dòng)斷路器失靈保護(hù)、鎖定交流斷路器。對(duì)于整流站故障，X閉鎖通過(guò)移相使整流器轉(zhuǎn)換為逆變器工作，使交流側(cè)電能停止向直流側(cè)傳遞并將直流側(cè)多余電能反送至交流側(cè)，從而達(dá)到減小故障電流，及時(shí)消除故障的目的。故障后，退出故障極，另一極正常運(yùn)行。

雙極全壓下整流側(cè)發(fā)生閥頂接地故障時(shí)CBN避雷器所承受的過(guò)電壓與能量見(jiàn)圖5。

圖5 整流側(cè)閥頂接地故障時(shí)EM避雷器波形及故障點(diǎn)電流Fig.5 Grounding current and waveform of EM arrester when grounding fault at the top of rectifier

加裝避雷器后，中性母線平波電抗器閥側(cè)電壓最大值由-425 kV降至-379 kV，起到了抑制過(guò)電壓的作用。從圖中可以看到，與故障電流相對(duì)應(yīng)，CBN避雷器過(guò)電壓分為兩個(gè)階段，在故障電流上升時(shí)，CBN避雷器承受負(fù)的過(guò)電壓；在故障電流下降階段，CBN避雷器承受正的過(guò)電壓；避雷器吸收能量也分為兩個(gè)階段。故障過(guò)程持續(xù)約17.5 ms，整個(gè)過(guò)程中，避雷器吸收了約730 kJ能量。對(duì)比避雷器吸收能量曲線與故障電流曲線，可以看出兩者相互對(duì)應(yīng)。故障電流陡度較大地變化時(shí)避雷器動(dòng)作并吸收能量。

當(dāng)故障發(fā)生在逆變側(cè)閥頂時(shí)，故障電流同樣經(jīng)接地極、中性母線、平抗、換流器以及換流站接地網(wǎng)形成回路。故障電流在中性母線平抗上產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，使得CBNi避雷器動(dòng)作。CBNi避雷器殘壓也較低，由-434 kV降為-381 kV，吸收能量峰值為235 kJ。逆變側(cè)閥頂發(fā)生接地故障時(shí)，故障嚴(yán)重程度較整流側(cè)故障要小得多。其原因主要有兩點(diǎn)：一是逆變站電流方向與整流站電流方向相反，發(fā)生故障時(shí)，故障電流更小。二是逆變側(cè)直流電壓較整理側(cè)直流電壓低15 kV左右，使得逆變器存儲(chǔ)能量較小，發(fā)生接地故障后故障電流也就更小。

2.2 故障影響因素分析

系統(tǒng)運(yùn)行方式、接地點(diǎn)過(guò)渡電阻、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間對(duì)故障嚴(yán)重情況影響較明顯。系統(tǒng)在單極金屬回線運(yùn)行方式下發(fā)生閥頂接地故障時(shí)，過(guò)電壓更嚴(yán)重。其原因是在雙極運(yùn)行方式下，當(dāng)一極發(fā)生故障，另一極基本不受影響，仍正常運(yùn)行，從而能夠提供平衡電流，減小流經(jīng)避雷器的電流，并且整流站有效連接接地極，也能夠提供一部分電流。而單極金屬運(yùn)行方式下，整流站不直接與接地極相連，當(dāng)整流站閥廳內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流會(huì)通過(guò)中性線避雷器形成回路。因此在該運(yùn)行方式下，將有更多故障電流經(jīng)避雷器，避雷器殘壓幅值比雙極全壓更高，承受更大應(yīng)力。

在單極金屬回線運(yùn)行方式下，金屬回線避雷器EM投入運(yùn)行，在發(fā)生閥頂接地故障時(shí)，EM避雷器、E避雷器、CBN避雷器都會(huì)動(dòng)作提供回路電流，但由于EM避雷器設(shè)計(jì)參考電壓比其他避雷器低一點(diǎn)，因此在故障發(fā)生時(shí)會(huì)吸收更多能量。在閥閉鎖后金屬回線上存儲(chǔ)的能量有一個(gè)釋放過(guò)程，故障后應(yīng)立即閉合NBGS，一般NBGS閉合動(dòng)作需40 ms左右，此時(shí)系統(tǒng)保護(hù)已經(jīng)動(dòng)作，避雷器吸收能量結(jié)束，因此不考慮NBGS的影響。

另外，在單極大地回線運(yùn)行方式下，由于整流站中性母線直接與接地接連接，大部分故障電流經(jīng)中性線和接地極形成回路，從而流經(jīng)避雷器的電流比單極金屬回線小得多，因而CBN避雷器節(jié)點(diǎn)過(guò)電壓峰值和避雷器吸收能量都較小。3種運(yùn)行方式下殘壓與吸收能量對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)故障的影響Table 4 Influence of system operation mode on fault

在單極金屬運(yùn)行方式下，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為10 ms時(shí)，接地電阻對(duì)故障點(diǎn)電流以及EM避雷器吸收能量的影響見(jiàn)表5。

表5 接地電阻對(duì)故障的影響Table 5 Influence of grounding resistance on fault

接地電阻越大時(shí)，故障電流越小，故障程度就越輕，避雷器吸收能量少。同樣，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間對(duì)故障點(diǎn)電流以及EM避雷器吸收能量的影響很大，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)，避雷器吸收能量越多。在本文中以典型值10 ms計(jì)算，接地電阻選為2 Ω。其中EM避雷器吸收能量21 MJ。1 s時(shí)刻發(fā)生閥頂接地故障，波形見(jiàn)圖6。

圖6 單極閥頂接地故障時(shí)EM避雷器波形Fig.6 Waveform of EM arrester when grounding fault at top of converter under mono-polar metallic return

同雙極運(yùn)行方式時(shí)的故障波形類似，避雷器過(guò)電壓分為正負(fù)兩個(gè)部分。此時(shí)在理想狀態(tài)下，避雷器組中每一柱流過(guò)電流相同，電阻片吸收能量相同。波形與圖中相同，能量及電流波形幅值為整組避雷器的1/64。

3 避雷器組局部故障

上述EM避雷器包含3 000多片電阻片，必然存在伏安特性分散、電流、吸收能量分布不均勻，老化程度不一致的問(wèn)題，部分避雷器柱的電阻片伏安特性下降較快，在避雷器在限制過(guò)電壓吸收能量的過(guò)程中，吸收能量更多。通過(guò)仿真對(duì)此過(guò)程進(jìn)行模擬。

假設(shè)其中一柱避雷器老化嚴(yán)重，伏安特性曲線整體下降10%，其他柱保持理想狀態(tài)不變，在相同的單極閥頂接地工況下，波形見(jiàn)圖7。電流幅值和吸收能量變化見(jiàn)表6。

圖7 伏安特性降低后單柱波形變化Fig.7 Change of waveform of single column after the decrease of volt-ampere characteristic

表6 電流幅值和吸收能量變化Table 6 Change of current and energy absorbed

從圖7中可以看出，在單一避雷器柱伏安特性的降低10%時(shí)，避雷器組耐受能量沖擊時(shí)該柱流過(guò)電流及吸收能量遠(yuǎn)超其他理想狀態(tài)柱，且吸收能量超出其耐受限值。單柱電流幅值及吸收能量隨伏安特性變化見(jiàn)圖8。

圖8 伏安特性對(duì)單柱電流幅值及吸收能量的影響Fig.8 Influence of volt-ampere characteristic on current amplitude and energy absorbed of single column

可以看出單柱避雷器伏安特性的略微降低會(huì)導(dǎo)致電流快速集中，這種現(xiàn)象在中性母線避雷器這種并聯(lián)規(guī)模大的結(jié)構(gòu)中更為明顯。當(dāng)單柱避雷器吸收能量達(dá)到一定程度，由于電阻片熱老化加速形成熱崩潰，會(huì)導(dǎo)致電阻片側(cè)面發(fā)生局部閃絡(luò)，進(jìn)而快速發(fā)展為整體閃絡(luò)接地故障。

在仿真模型中添加閃絡(luò)電弧指數(shù)電阻模型模擬單柱避雷器發(fā)生閃絡(luò)接地故障，弧道電阻Ra通過(guò)式(1)確定。

Ra(t)=Ra+R0e-t/τ

(1)

式中τ為時(shí)間常數(shù)，Ra為靜態(tài)電弧電阻，R0為弧前電阻。假設(shè)圖 中1.01 s時(shí)刻該問(wèn)題柱發(fā)生閃絡(luò)接地，弧道電阻從弧前電阻呈指數(shù)降低至靜態(tài)電弧電阻，波形見(jiàn)圖9。

圖9 伏安特性對(duì)單柱電流幅值及吸收能量的影響Fig.9 Influence of volt-ampere characteristic on current amplitude and energy absorbed of single column

圖9中可以看出電流迅速集中在電弧通道，仿真中電流在幾十微秒內(nèi)達(dá)到上百千安。同時(shí)中性母線電壓迅速降低，在150 μs左右到零，瞬時(shí)大電流集中導(dǎo)致避雷器會(huì)出現(xiàn)爆炸等危險(xiǎn)事故。

4 結(jié)論

1)中性母線避雷器由于運(yùn)行工況特殊，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不承擔(dān)工作電壓，故障時(shí)需要耐受大量能量，因此采用大規(guī)模多柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

2)在發(fā)生直流側(cè)接地故障時(shí)，中性母線避雷器在限制過(guò)電壓過(guò)程中需要耐受大量能量，發(fā)生單極閥頂接地故障時(shí)EM避雷器吸收能量21 MJ。

3)由于并聯(lián)柱數(shù)多，某一單柱避雷器由于老化導(dǎo)致伏安特性參數(shù)降低時(shí)，會(huì)引起電流集中通過(guò)，吸收能量快速增加。

4)單柱避雷器吸收能量達(dá)到電阻片熱容量限值時(shí)，電阻片損壞引起避雷器內(nèi)絕緣閃絡(luò)，發(fā)展形成接地故障。