±800 kV特高压直流输电线路单极接地故障过电压产生机理及影响因素

周 浩，李济沅，王东举，邱玉婷，李 莎，韩雨川

（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）

0 引言

电力需求持续快速增长，能源资源分布不均，电网发展相对滞后，这对发展特高压输电提出了客观要求［1-3］。 而特高压直流（UHVDC）输电在提高输送容量、减少输电损耗、节约走廊土地资源等方面具有不可替代的优势［4-7］。

研究表明，单极接地故障是特高压直流输电线路发生概率较高的故障之一，其通过极线间的电磁耦合作用，在健全极线路上产生较为严重的过电压，是直流线路过电压的研究重点［8-11］。文献［12-13］对±800 kV直流线路故障过程中电磁耦合特性进行研究分析；文献［14］对单极线路接地在健全极线路产生的缓波前过电压的沿线分布进行研究并给出绝缘配合方案；文献［15］研究了特高压直流线路距整流站不同距离发生对地闪络故障时过电压的沿线分布及水平，并对部分过电压影响因素进行计算分析。

本文采用电磁暂态计算软件EMTDC以及行波理论将单极接地故障过电压分成第一次跃升和第二次跃升2个阶段，并对2次电压跃升作用的形成机理进行分析；同时，分析直流滤波器主电容参数、直流滤波器型式、直流控制系统、杆塔接地电阻、线路中点杆塔是否装设避雷器、输电线路参数以及输送功率等因素对该过电压的影响；最后，讨论了限制该过电压的主要措施，并指出控制直流滤波器主电容是限制单极接地故障过电压的关键因素，并给出直流滤波器主电容推荐取值范围。

1 直流线路单极故障过电压仿真

1.1 仿真计算参数

本文依据±800 kV向家坝—上海直流输电工程参数，通过仿真计算对直流输电线路过电压产生机理、影响因素以及防护措施进行分析。该工程输电线路导线参数如表1所示。

表1 ±800 kV直流输电线路导线参数Table 1 Conductor parameters of±800 kV UHVDC transmission lines

复龙换流站及奉贤换流站的直流极线与中性线间各配置一组直流2/12/39三调谐直流滤波器，具体电路及参数如图1和表2所示。

图1 向家坝—上海直流滤波器电路图Fig.1 Circuit of DC filter for Xiangjiaba-Shanghai DC transmission project

表2 向家坝—上海直流滤波器参数Table 2 Parameters of DC filter for Xiangjiaba-Shanghai DC transmission project

1.2 仿真计算结果

正极性线路沿线从0～100%发生单极接地故障，相应的健全极负极性线路沿线（0～100%）过电压分布的计算结果如图2所示。另外，正极性线路距离线路中点±30 km范围内发生单极接地故障时，相应的健全极负极性线路距离线路中点±30 km范围内过电压分布的计算结果如图3所示。

图2 故障极线路发生沿线接地故障时健全极线路沿线过电压分布Fig.2 Overvoltage distribution along healthy line for different grounding fault locations of faulty line

图3 故障极线路距离线路中点±30 km范围内发生接地故障时健全极线路过电压分布Fig.3 Overvoltage distribution along healthy line when grounding fault occurs within±30 km from midpoint of faulty line

由图2、图3可以看出，单极接地故障位置对单极接地故障过电压有较大影响，直流系统在完整双极运行方式下，线路中点发生单极接地故障时过电压最大；故障点距离线路中点较远时，健全极上沿线过电压一般在相应的接地故障处达到最大值；而当故障点距离线路中点较近时，健全极上沿线过电压一般在相应的接地故障处关于线路中点的对称位置（即两端换流站直流滤波器放电电流波在线路上相遇的位置）达到最大值。

通过对向家坝—上海直流输电工程的仿真计算，得到故障极（正极）线路中点接地时健全极（负极）线路中点过电压波形曲线如图4所示，电压跃升过程用 A、B、C、D、E 5 个点来表征。

由图4可以看出，健全极线路中点电压在正常工作电压下经过2次电压跃升后达到峰值。开始时系统处于稳定运行状态，健全极线路中点电压约为-783 kV，如曲线AB段所示；在6 s时刻，故障极线路中点发生单极接地故障，健全极线路中点电压瞬间由-783 kV直接跃升至-981 kV，如曲线BC段所示；在曲线CD段，健全极线路中点电压由-981kV逐渐上升至-1055 kV，该过程持续大约6.5 ms（恰好为故障电流波从故障点传播至换流站端部再返回至故障点所需要的时间）；故障电流波返回至故障点瞬间，健全极线路中点电压发生第二次跃升，电压上升至-1254 kV，如曲线DE段所示。

图4 故障极线路中点发生接地故障时健全极线路中点过电压波形Fig.4 Overvoltage waveform of healthy line midpoint when grounding fault occurs at midpoint of faulty line

2 过电压机理分析

直流线路发生单极接地故障时，故障极上主要会发生2个过程：首先，接地瞬间一个与故障极电压幅值相同、极性相反的电压波由故障点向两侧换流站传播，使得故障极线路上的电压下降至零，并产生相应的电流波；接着，当电压波传到换流站两侧，故障极线路的直流滤波器主电容会对故障点开始回传放电的波过程，并在故障极沿线产生一个较大的脉冲放电电流。

假设故障极为正极，稳态运行时全线对地电容充电至U0=+800 kV，此时若在线路中点发生金属性单极接地故障，故障极线路接地故障点电压瞬间由U0=+800 kV下降为零。这就相当于有一个幅值为-U0的电压行波，沿着故障极线路由故障点向两侧换流站同时开始传播，该行波在故障极线路的传播过程如图5所示。

图5 正极线路中点发生单极接地故障时故障极线路电压行波传播过程Fig.5 Propagation of voltage traveling wave on faulty line when single-pole grounding fault occurs at midpoint of positive line

考虑电压波-U0由故障点向左侧传播的过程。通常电流行波、电压行波均以向右为正方向，故从故障点处向左侧换流站传播的电压波-U0是一个电压反行波，此时线路上产生的相应电流反行波为：

其中，Z为波阻抗；i0为电压反行波在故障极线路上产生的电流反行波。

仿真计算得到的故障极线路中点电流波形如图6所示。从图6中可以看出，开始时系统处于稳定运行状态，线路运行电流为额定电流4 kA，如曲线A1B1段所示；随后，故障极线路中点电流发生2次跃升，在故障发生瞬间，由额定工作电流4 kA跃升至6.38 kA，如曲线B1C1段所示；故障发生约6.5 ms后，故障极电流再次由6.03 kA跃升至6.50 kA，如曲线D1E1段所示。实际上，第一次电流跃升是由向换流站传播的电压反行波-U0造成的，由文献［14］中的方法可估算向家坝—上海工程直流线路的波阻抗约为380 Ω，代入式（1）可估算出故障极线路电流第一次跃升作用使线路电流上升至6.13 kA，与仿真计算得到的6.38 kA接近，验证了故障瞬间确实是电压波-U0从故障点向两端换流站传播的过程；而第二次电流跃升是由故障极线路的直流滤波器主电容向故障点回传放电造成的，它的数值与主电容的大小直接相关。

在故障点左侧附近，故障极线路与健全极线路电流对应关系如图7所示。由图7可以看出，由于极线间的电磁耦合作用，与故障极线路电流的2次跃升（在额定电流+4 kA的基础上正突变）相对应，健全极线路电流也会发生2次反向跃升（在额定电流-4 kA的基础上负突变）。

图7 故障点左侧附近故障极线路与健全极线路电流波形Fig.7 Current waveforms of faulty and healthy line points left to fault point

直流系统在双极运行方式下，当一极发生接地故障时，故障极线路故障点处会产生同时向两端换流站传播的故障电压波（与故障极电压幅值相同、极性相反），并产生相应的故障电流波，由于极线间电磁耦合作用，该故障电流波电流突变处（B2C2段）会在健全极线路感应产生相应的反向突变脉冲电流（B3C3段），并对故障点附近的健全极线路对地电容充电，从而造成健全极线路电压的第一次跃升；接着，待电压波传到两侧换流站，故障极线路的直流滤波器主电容会对故障点放电并产生较大的突变脉冲故障电流（D2E2段），同样由于极线间的电磁耦合作用，该突变故障电流也会在健全极线路上感应出反向突变脉冲电流波（D3E3段）（它的大小主要由故障极线路直流滤波器主电容放电脉冲电流和极线间互感耦合系数共同决定），该反向脉冲电流波又会对故障点附近的健全极线路对地电容充电，导致健全极线路电压的第二次跃升。上述2次电压跃升叠加在健全极对地正常工作电压上，从而在健全极线路形成较为严重的过电压。另外，若单极接地故障发生在故障极线路中点，则由两端直流滤波器主电容放电所产生的第二次电压跃升会在健全极中点处产生叠加，产生最严重的单极接地故障过电压；若单极接地故障发生在故障极线路其他位置（非中点），则第二次电压跃升将不会在健全极线路发生叠加，此时产生的单极接地故障过电压没有前者严重。因此，故障极线路中点发生单极接地故障时，健全极线路上的过电压最严重。

由图7可以看出，在健全极线路上，故障点左侧会产生2次负的电流脉冲跃升（负突变），会对健全极线路（负极）对地电容反向充电，充电过程如图8所示，造成了健全极线路电压在额定电压（-800 kV）基础上的2次跃升，其电流与电压的对应关系如图9所示。类似地，在故障点右侧，健全极线路上会产生2次正的电流脉冲跃升（正突变），也会对健全极线路（负极）对地电容反向充电，同样造成了健全极线路电压在额定电压（-800 kV）基础上的2次跃升。

图8 故障点左侧健全极线路负的电流脉冲向线路中点对地电容充电Fig.8 Negative current pulse of healthy line left to fault point charges line-to-ground capacitor at midpoint

图9 健全极线路电流和电压波形Fig.9 Current and voltage waveforms of healthy line

实际上，第一次电压跃升是由第一个过程——故障极线路接地瞬间向两端换流站传播的-800 kV故障电压波产生的，一般无法进行控制；而第二次电压跃升是由第二个过程——故障极线路直流滤波器主电容对故障点放电的波过程造成的，可以通过直流滤波器主电容加以控制。

仿真计算表明，直流滤波器主电容增大将直接导致单极接地故障过电压第二次跃升作用明显增加。 在直流滤波器主电容值取为 1 μF、2 μF、3 μF和4 μF这4种情况下，故障极线路电流与健全极线路电流分别如图10和图11所示。从图中可以看出，随着直流滤波器主电容增大，在故障极线路上产生的放电电流增大，因此通过极线间电磁耦合作用在健全极线路上产生的感应电流增大，从而导致过电压上升，进一步验证了直流滤波器主电容值是单极接地故障过电压的关键影响因素。

图10 故障极线路电流与主电容关系Fig.10 Relationship between faulty line current and main capacitor

图11 健全极线路电流与主电容关系Fig.11 Relationship between healthy line current and main capacitor

3 影响因素分析

直流线路发生单极接地故障时的健全极线路过电压可能受多种因素影响，根据影响程度主要可分为关键影响因素和一般影响因素2类。

3.1 关键影响因素

3.1.1 直流滤波器主电容

对于图1所示直流滤波器电路，当直流滤波器主电容分别为 1 μF、2 μF、3 μF 和 4 μF，故障极线路中点发生单极接地故障时（最严酷情况），相应的健全极线路中点过电压仿真计算结果如表3所示。

表3 不同直流滤波器主电容值对单极接地故障过电压的影响Table3 Influence of main DC filter capacitor on single-pole grounding fault overvoltage

由表3可以看出，直流滤波器主电容参数是影响单极接地故障过电压的关键因素，主电容越大，过电压幅值越大；当主电容取2 μF时，过电压幅值为1357 kV，已达到额定电压的1.7倍。

3.1.2 直流滤波器型式

在特高压直流输电工程中，向家坝—上海直流输电工程采用每站每极一组直流2/12/39三调谐直流滤波器，具体电路和参数如图1和表2所示；锦屏—苏南直流输电工程采用每站每极一组2/39双调谐滤波器和一组12/24双调谐滤波器并联的直流滤波器，具体电路和参数如图12和表4所示；云南—广东直流输电工程采用每站每极一组12/24/45三调谐直流滤波器，具体电路和参数如图13和表5所示。

图12 锦屏—苏南直流滤波器电路图Fig.12 Circuit of DC filter for Jinping-South Jiangsu DC transmission project

表4 锦屏—苏南直流滤波器参数表Table 4 Parameters of DC filter for Jinping-South Jiangsu DC transmission project

图13 云南—广东直流滤波器电路图Fig.13 Circuit of DC filter for Yunnan-Guangdong DC transmission project

表5 云南—广东直流滤波器参数表Table 5 Parameters of DC filter for Yunnan-Guangdong DC transmission project

本节将向家坝—上海特高压直流输电工程的直流滤波器型式分别替换成锦屏—苏南和云南—广东2种直流滤波器型式，对健全极线路中点过电压进行仿真计算，3种情况下的过电压计算结果如表6所示。

表6 不同直流滤波器型式对单极接地故障过电压的影响Table 6 Influence of DC filter type on single-pole grounding fault overvoltage

由表6可以看出，3种直流滤波器型式对过电压幅值几乎没有影响；另外，考察3种不同型式的直流滤波器还可以发现一个特点，其总的主电容参数分别为 1.05 μF、1.15 μF、1.2 μF，三者很接近。因此，在直流滤波器主电容参数值接近的情况下，即使采用不同直流滤波器型式，一般也不会对过电压整体水平产生太大影响，直流滤波器主电容值才是影响单极接地故障过电压的最关键性因素。

3.2 一般影响因素

3.2.1 直流控制系统

考虑到线路发生故障后，需要经过故障电流波在故障极线路的传播时间以及保护装置的延时作用后，直流保护装置方能发出保护指令，而该时间一般都会比单极接地故障过电压达到最大值的时间长，两侧控制系统无法及时对该故障作出反应。因此，直流控制系统通常不会对该过电压幅值产生影响。

3.2.2 杆塔接地电阻

杆塔接地电阻可以降低线路对地闪络时的暂态分量，从而使得健全极线路上的过电压幅值有所降低，但其对该过电压的整体波形及其幅值出现时间基本没有影响。不同杆塔接地电阻情况下的健全极线路中点过电压仿真结果如表7所示。

表7 不同杆塔接地电阻对单极接地故障过电压的影响Table 7 Influence of tower grounding resistance on single-pole grounding fault overvoltage

由表7可以看出，随着杆塔接地电阻阻值增大，健全极线路中点过电压幅值稍有下降，但影响较小。

3.2.3 线路中点杆塔装设避雷器

在杆塔接地电阻取0 Ω且直流滤波器主电容分 别取为 1 μF、2 μF、3 μF 和 4 μF 4 种情况下，分析在线路中点杆塔上装设避雷器（与换流站极线处特性相同）对该过电压的影响。当故障极线路中点发生单极接地故障时，该避雷器对健全极线路中点过电压幅值的影响如表8所示。

表8 线路中点杆塔装设避雷器对过电压的影响Table 8 Influence of arrester installed on tower at line midpoint on overvoltage

由表8可以看出，在线路中点处装设的避雷器对该过电压有一定的限制作用，但效果不太明显。在主电容取值为4 μF的情况下，线路中点杆塔处装设避雷器可使过电压从1422 kV下降至1340 kV，过电压水平仅降低5.8%。因此，通常情况下不建议采用在杆塔中点处加装线路避雷器的方式来限制该过电压。

3.2.4 输电线路长度

±800 kV向家坝—上海直流输电工程线路长度为1907 km，在不同的线路长度下，故障极线路中点发生接地故障，健全极线路中点过电压与线路长度的关系如表9所示。

表9 不同线路长度对单极接地故障过电压的影响Table 9 Influence of line length on single-pole grounding fault overvoltage

由表9可以看出，随着直流输电线路长度逐渐增加，过电压水平略有升降，但变化规律不明显。这主要是因为线路长度变化并不会对互感耦合系数产生太大影响，故特高压直流线路长度变化对该过电压幅值的影响通常不大。

3.2.5 输送功率

直流系统双极平衡运行方式下，几种典型输送功率运行工况对单极接地故障过电压的影响情况如表10所示，其中输送功率为标幺值。

表10 不同输送功率对单极接地故障过电压的影响Table 10 Influence of transferring power on single-pole grounding fault overvoltage

由表10可以看出，随着输送功率增加，过电压水平呈下降趋势。当输送功率从0.10 p.u.增大到1.05 p.u.，过电压水平仅下降2.8%，可见输送功率对单极接地故障过电压影响较小。

4 结论

a.故障极线路发生单极接地故障时，会在沿线产生2次电流跃升，由于极线间的电磁耦合作用，在健全极线路上也会产生2次反向电流跃升，2次电流脉冲会对健全极线路对地电容反向充电，从而造成健全极线路电压在额定电压的基础上发生2次跃升，从而导致过电压。

b.直流滤波器主电容是影响单极接地故障过电压的最关键因素，适当控制主电容数值，就可以有效地控制单极接地故障过电压幅值；另外，在总的主电容相接近的情况下，直流滤波器型式（双调谐或三调谐等）对单极接地故障过电压影响不大。研究表明，为了使单极接地故障过电压水平不超过1.7 p.u.，±800 kV特高压线路直流滤波器主电容参数宜控制在 1～2 μF。

c.直流输电线路结构及其参数主要包括极导线对地高度、极间距离、极导线分裂间距、极导线分裂数、子导线横截面积等因素，它们会对单极接地故障过电压产生一定影响，但影响幅度通常不大，考虑到直流线路电磁环境的限制，直流输电线路结构及其参数通常变化不大，故实际上直流输电线路结构及其参数通常对单极接地故障过电压影响不大。杆塔接地电阻一般对单极接地故障过电压影响也很小，当杆塔接地电阻由0 Ω增大到15 Ω，过电压仅下降3.2%。另外，直流控制系统对该过电压无影响，输电线路长度以及输送功率对该过电压影响不大。

d.在线路中点杆塔装设线路避雷器可以适当降低该过电压，但效果不明显；在过电压幅值为1.78p.u.情况下，若在线路杆塔中点装设一只与换流站极线处特性相同的避雷器，过电压仅下降5.8%。因此，通常不建议采取在线路中点装设线路避雷器的方式来限制单极接地故障过电压。

参考文献：

［1］周浩.特高压交直流输电技术［M］.杭州：浙江大学出版社，2014：13-20.

［2］郑晓冬，邰能灵，杨光亮，等.特高压直流输电系统的建模与仿真［J］.电力自动化设备，2012，32（7）：10-14，61.ZHENG Xiaodong，TAI Nengling，YANG Guangliang，et al.Modeling and simulation of UHVDC system［J］.Electric Power Automation Equipment，2012，32（7）：10-14，61.

［3］张文亮，于永清，李光范，等.特高压直流技术研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（22）：1-7.ZHANG Wenliang，YU Yongqing，LI Guangfan，et al.Researches on UHVDC technology［J］.Proceedings of the CSEE，2007，27（22）：1-7.

［4］莫丽琼.±800 kV特高压直流输电系统谐波不稳定研究［J］.电力自动化设备，2012，32（5）：118-122，146.MO Liqiong.Study of harmonic instability for±800 kV UHVDC system［J］.Electric Power Automation Equipment，2012，32（5）：118-122，146.

［5］MELVOLD D J，ODAM PC，VITHAYATHILJJ.Transient overvoltages on an HVDC bipolar line during monopolar line faults［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1977，96（2）：591-601.

［6］饶宏，张东辉，赵晓斌，等.特高压直流输电的实践和分析［J］.高电压技术，2015，41（8）：2481-2488.RAO Hong，ZHANG Donghui，ZHAO Xiaobin，et al.Practice and analyses of UHVDC power transmission［J］.High Voltage Engineering，2015，41（8）：2481-2488.

［7］邓旭，王东举，沈扬，等.±1100 kV准东—四川特高压直流输电工程主回路参数设计［J］.电力自动化设备，2014，34（4）：133-140.DENG Xu，WANG Dongju，SHEN Yang，et al.Design of main circuit parameters for±1100 kV UHVDC power transmission project from Zhundong to Sichuan［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（4）：133-140.

［8］王德林，吕鹏飞，阮思烨，等.特高压直流双极输电线路互感影响及对策研究［J］.中国电机工程学报，2015，35（17）：4353-4360.WANG Delin，LÜ Pengfei，RUAN Siye，et al.Effect of mutual inductance between bipolar transmission lines of UHVDC and proposal of countermeasure［J］.Proceedings of the CSEE，2015，35（17）：4353-4360.

［9］张万荣，黄莹，苟锐锋，等.±800 kV特高压直流工程直流滤波器设计关键问题研究［J］.南方电网技术，2009，3（6）：35-39.ZHANG Wanrong，HUANG Ying，GOU Ruifeng，et al.Study on the key issues of DC filter design for±800 kV UHVDC transmission projects［J］.Southern Power System Technology，2009，3（6）：35-39.

［10］张文亮，陆家榆，鞠勇，等.±800 kV直流输电线路的导线选型研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（27）：1-6.ZHANG Wenliang，LU Jiayu，JU Yong，et al.Design consideration of conductor bundles of ±800 kV DC transmission lines［J］.Proceedings of the CSEE，2007，27（27）：1-6.

［11］朱艺颖，刘翀，王薇薇，等.同塔双回特高压直流线路过电压研究［J］.电网技术，2013，37（8）：2225-2229.ZHU Yiying，LIU Chong，WANG Weiwei，et al.Study on overvoltage in UHVDC double-circuit transmission lines on same tower［J］.Power System Technology，2013，37（8）：2225-2229.

［12］吴驰，张龙伟，朱军，等.共走廊同塔交直流输电线路电磁耦合分量的计算分析［J］.中国电力，2013，46（4）：43-47.WU Chi，ZHANG Longwei，ZHU Jun，etal.Calculationand analysis on electromagnetic coupling component of AC/DC transmission lines on the same tower built in same corridor［J］.Electric Power，2013，46（4）：43-47.

［13］周全，别睿，涂莉，等.±800 kV直流线路故障过程中电磁耦合特性与保护研究［J］.电网技术，2014，38（8）：2133-2140.ZHOU Quan，BIE Rui，TU Li，et al.Research on electromagnetic coupling characteristics during fault process in±800kV UHVDC transmission line and its protection strategy［J］.Power System Technology，2014，38（8）：2133-2140.

［14］周沛洪，吕金壮，戴敏，等.±800 kV 特高压直流线路缓波前过电压和绝缘配合［J］.高电压技术，2009，35（7）：1509-1517.ZHOU Peihong，LÜ Jinzhuang，DAI Min，et al.Slow front overvoltage and insulation coordination of±800 kV UHVDC transmission line［J］.High Voltage Engineering，2009，35（7）：1509-1517.

［15］吴娅妮，蒋卫平，朱艺颖，等.特高压直流输电线路故障过电压的研究［J］.电网技术，2009，33（4）：6-10，27.WU Yani，JIANG Weiping，ZHU Yiying，et al.Research on inner overvoltage in UHVDC transmission line caused by flashover to ground fault［J］.Power System Technology，2009，33（4）：6-10，27.