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        直流換流站中性母線避雷器組故障仿真研究

        2022-04-27 03:30:24劉志遠(yuǎn)于曉軍李秀廣李江濤何家欣虞江華
        電瓷避雷器 2022年2期
        關(guān)鍵詞:換流站伏安避雷器

        劉志遠(yuǎn),于曉軍,李秀廣,李江濤,郭 潔,何家欣,虞江華

        (1.國網(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

        由于我國的能源分布和負(fù)荷中心存在較大差異,決定了我國需要發(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)生較大過電壓且能量巨大。為保護(hù)中性母線區(qū)設(shè)備不受過電壓損傷,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多而損壞,導(dǎo)致單柱閃絡(luò)接地故障。近十及年來,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。通過仿真研究了中性點(diǎn)母線避雷器在故障過程中的分布特性。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圖2,描述及參數(shù)見表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)致在限制過電壓過程中,流過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電壓過程中會(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,使流過故障點(diǎn)電流迅速減小過零,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避雷器所承受的過電壓與能量見圖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)的過電壓;在故障電流下降階段,CBN避雷器承受正的過電壓;避雷器吸收能量也分為兩個(gè)階段。故障過程持續(xù)約17.5 ms,整個(gè)過程中,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,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,在避雷器在限制過電壓吸收能量的過程中,吸收能量更多。通過仿真對(duì)此過程進(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,波形見圖7。電流幅值和吸收能量變化見表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電壓過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,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。

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