特高压直流输电系统换流站故障过电压研究

裴旵，吕思颖，秦昕，要航



特高压直流输电系统换流站故障过电压研究

裴旵，吕思颖，秦昕，要航

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

±800 kV特高压直流输电系统换流站内电容性和电感性组件较多，在发生短路故障时容易引起过电压现象。研究各种操作和故障情况下过电压的特性，保证系统的安全稳定运行非常重要。利用PSCAD仿真软件建立了±800 kV云南—广东特高压直流输电工程的模型，在换流站内选取了换流阀阀顶对中性母线短路故障和换流变压器阀侧单相接地两种典型故障工况进行了研究。结果表明阀顶对中性母线故障时非故障极线路过电压水平较高，在上组四个换流变压器阀侧绕组中高压端Y/Y绕组端子处单相接地时的过电压水平最高。

特高压直流输电；换流站；避雷器；短路故障；过电压

0 引言

结合我国能源资源分布和经济发展形势呈现逆向分布这一特有国情，将西部地区的能源资源转换成电能并输送到经济发达的中东部地区，不仅是经济快速增长的重要保障，而且可以有效缓解该区域的环保压力。然而，在大规模和长远距离输送电能方面，特高压直流输电UHVDC(Ultra High Voltage Direct Current)能够表现出显著的优势[1-5]。因此，建设和发展特高压直流输电工程显得尤为重要。

相对于传统的高压直流输电工程来说，特高压直流输电工程每极采用两个12脉动换流器(400 kV+400 kV)串联接线的方式，一方面可以使得直流电压和交流电流中的谐波成分有效减少，但另一方面复杂的接线方式对于过电压的发展机制、波形以及影响也更为复杂[6-7]。在设计建设特高压直流输电工程时，过电压与设备绝缘配合方面的研究就是设计内容之一[8-12]。其中，换流站是特高压直流输电系统不可或缺的一个环节，站内存在着很多的电容性和电感性组件，这些组件在故障时充放电的过程中容易引起过电压问题。研究换流站内过电压的特性，能够有效解决换流站内避雷器的参数选择、直流开关场的配置方式和直流控制保护等问题。

1 特高压直流输电系统换流站避雷器配置

与传统高压直流输电系统结构一样，特高压直流输电系统仍然是通过整流站将送端的交流电能变换成直流电能，通过输电线路输送到受端，然后通过逆变站变换成交流电能，将电能送到负荷端。因此，换流站的安全稳定运行，对于整个特高压直流输电系统的安全稳定运行非常重要。

换流站内电容性电感性组件很多，在发生短路故障时容易引起过电压的问题，危害换流站的安全稳定运行。金属氧化物避雷器(MOA)能够有效限制特高压直流输电系统由于各类操作和故障引起的暂态过电压，然而对于MOA参数的选取主要是从绝缘配合角度和制造成本两个方面出发，经过细致的暂态计算来确定。

1.1 避雷器的布置原则

换流站MOA布置的基本原则为[13-14]：交流侧产生的过电压应尽可能用交流侧MOA加以限制；直流侧产生的过电压应由直流线路MOA、直流母线MOA和中性母线MOA等加以限制；重点保护的关键设备应由紧靠它的MOA直接保护，如换流阀、交流和直流滤波器设备等，应分别由各自的MOA保护。实际工程中，在上述MOA布置原则的前提下，保证设备足够安全的基础上尽可能地简化MOA的配置。

1.2 云广特高压直流输电工程避雷器布置方案

云广换流站单极避雷器的布置方式同其他在运行的特高压直流工程基本相同。主要差别在于上组12脉动换流单元，云广特高压直流输电工程在最高端Y/Y换流变阀侧绕组和地之间布置了A2避雷器，降低了其操作绝缘水平，减小了空气间隙。并对整个上组12脉动换流单元配置了C2型避雷器，主要是考虑了上组400 kV换流单元单独运行时的绝缘水平。云广特高压直流输电工程单极避雷器布置方案如图1所示[16-18]。

图1 云广换流站单极避雷器布置方案

2 计算条件

2.1 计算原理

直流输电工程换流器采用半可控硅器件，不具有自动关断能力。考虑到串联元件的误差，晶闸管恢复阻断能力的时间最小关断角(或称息弧角)为10°。逆变器关断角计算方式为[19]

特高压直流输电工程每极双12脉动串联接线方式，每个12脉动换流器由两个6脉动串接形成。其中，6脉动换流器正常运行时的直流电压为

特高压直流输电工程整流站和逆变站极对地电压分别为

2.2 系统主要参数

表1换流站额定参数

Table 1 Rated system parameters of converter station

与常规高压直流输电相比，云广特高压直流输电工程将电感值为150 mH的平波电抗器分别布置在极母线和中性母线上。150 mH的平波电抗器由2台75 mH的干式平波电抗器串联提供，整流侧和逆变侧换流站平波电抗器的布置方式和参数均相同。这种平均分置方式不仅可以减少双12脉动换流器中点和极母线处的谐波含量[20]，而且可以降低高电位换流器的绝缘保护水平。

2.3 换流站主要避雷器描述及参数

云广特高压直流输电工程换流站主要布置的避雷器描述如表2所示。

表2换流站主要避雷器的描述

Table 2 Definition of arresters for converter stations

方案中相关避雷器参数如表3所示。表中PCOV表示持续运行电压的最高峰值，包括换相过冲；CCOV表示持续运行电压的最高峰值，不包括换相过冲。

表3云广换流站避雷器参数

Table 3 Parameters of arresters for converter station

3 故障仿真与计算

3.1 阀顶对中性母线短路故障

换流站内设备间的短路故障将会在换流站各类设备上引起不同类型的过电压，影响着设备的绝缘。阀顶(92)对中性母线短路故障时，在整流侧表现为直流电流小于交流电流，此时阀短路保护将动作闭锁整流站，同时向逆变侧发出闭锁信号[21]。逆变侧发生阀顶对中性母线故障通常由整流侧低压保护动作闭锁直流，该保护动作延时0.5 s。

利用PSCAD仿真计算软件搭建云广特高压直流输电系统模型，设置故障发生在上阀组，故障发生时刻为2 s，故障持续时间为100 ms。

3.1.1整流侧故障仿真

整流侧阀顶对中性母线故障时，仿真结果如图2所示。2 s故障发生时，整流侧要早于逆变侧对故障做出反应。经过仿真计算可得，整流侧阀顶对中性母线短路故障时，整流侧负极线路出口将产生1 015 kV的过电压，约为1.27个p.u.(1 p.u.=800 kV)。其他各点的过电压水平均不高，换流站各避雷器未动作。

3.1.2逆变侧故障仿真

逆变侧阀顶对中性母线故障时，仿真结果如图3所示。2 s故障发生时，逆变侧要早于整流侧对故障做出反应。计算可得，逆变侧阀顶对中性母线短路故障时，过电压水平并不是很高，逆变侧负极线路出口处过电压出现时刻比整流侧要早，但其幅值略低于整流侧。换流站内仅中性母线避雷器动作，但能耗相对较低。

3.2 换流变阀侧单相接地短路故障

换流变阀侧发生单相接地故障时，需要释放直流滤波器和直流极线上的能量[22-23]，会引起过电压现象。整流侧和逆变侧在换流器阀侧单相接地故障时，阀的保护动作不同。整流侧换流变单相接地故障时，直流线路上的直流电流小于中性母线上的直流电流，换流阀差动保护动作闭锁并向逆变侧发出闭锁信号。逆变侧换流变阀侧单相接地故障只会在出现直流电流小于交流电流时，换流阀的短路保护动作闭锁。

图3逆变侧阀顶对中性母线短路故障仿真

Fig. 3Simulation of short circuit occurred between at the top of convert valve and neutral bus at inverter side

整流侧换流变阀侧单相接地故障时，计算非故障极极线路直流电压如表4所示。通过表4可以发现，上组高压端Y/Y绕组端子(52)处发生单相接地故障时过电压水平最高为915 kV，平波电抗器、中性母线以及接地极线处均有较高的过电压，但仅有中性母线处的避雷器动作并且能耗不大。

表4整流侧换流变阀侧单相接地故障电压幅值

Table 4 Overvoltage amplitude of single-phase ground fault occurred at rectifier bridge side of converter transformer at rectifier side

逆变侧换流变阀侧单极接地故障时，计算非故障极极线直流电压如表5所示。通过表5发现，逆变侧同样是上组高压端Y/Y绕组端子(52)处发生单相接地故障时过电压水平最高为907 kV，这一特性与整流侧一样。

表5逆变侧换流变阀侧单相接地故障电压幅值

Table 5 Overvoltage amplitude of single-phase ground fault occurred at inverter bridge side of converter transformer at inverter side

通过换流变阀侧单相接地故障计算发现，整流侧和逆变侧均是在上组高压端Y/Y绕组端子(52)处发生单相接地故障时过电压水平最高。云广特高压直流输电工程在上组高压端Y/Y绕组端子(52)处装设了A2避雷器，不仅减小了空气间隙，而且还降低了换流变阀侧的操作绝缘水平。

4 结论

利用PSCAD仿真软件建立一个比较完整的云广特高压直流输电工程的模型，仿真分析了换流站内换流器阀顶对中性母线短路故障和换流变阀侧单相接地短路故障两种工况下的过电压问题。结果表明：

(1) 整流侧换流阀阀顶对中性母线短路故障时，非故障极极线出口处将有1 015 kV的过电压，约为1.27个p.u.，其他各点的过电压水平均不高，换流站各避雷器未动作。逆变侧换流阀阀顶对中性母线短路故障时，各点的过电压水平不高，仅逆变站中性母线避雷器动作。

(2) 换流变阀侧单相接地故障时，整流侧和逆变侧均表现为高压端Y/Y绕组端子(52)处发生单相接地故障时的过电压水平最高。整流侧故障仅中性母线避雷器动作。

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(编辑 葛艳娜)

Study on fault overvoltage of converter station of UHVDC power transmission system

PEI Chan, LÜ Siying, QIN Xin, YAO Hang

(College of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

There are many capacitive and inductive components in converter station for ±800 kV DC power transmission system, which is easy to cause overvoltage phenomenon when a short circuit fault occurred. Research on the characteristics of overvoltage under various operation and fault conditions to ensure the system's safe and stable operation is very important. A simulation model of the UHVDC power transmission project from Yunnan to Guangdong is built by using PSCAD software. To carry out this research, two typical faults in convert station are chosen: the short circuit fault between the top of convert valve and neutral bus, and single-phase ground fault occurred at the side of converter transformer. Research results show that higher overvoltage appears on the non-faulty pole when short circuit fault between the top of convert valve and neutral bus; among four upper rectifier bridge side of connected winding of convert transformer, the highest overvoltage appears at upper rectifier bridge side wye-wye connected winding of convert transformer when single-phase ground fault occurred.

UHVDC power transmission; converter station; arrester; short circuit fault; overvoltage

10.7667/PSPC151280

2015-07-24；

2015-10-09

裴 旵( 1989-)，男，硕士研究生，研究方向为高压直流输电；E-mail: 297753876@qq.com

吕思颖(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护；

秦 昕(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为配电网自动化。