柔性直流配电网过电压及避雷器配置研究

苏宜靖，董 立，唐 律，丁月强，李子恒

（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；2.国网陕西省电力公司，西安 710048）

0 引言

直流配电网具有可控性强、线路损耗低、兼容新能源且无周期同步性问题等优势，随着直流配电技术的研究逐步深入，柔性直流配电网的应用场景愈加丰富，包括智能楼宇直流供电、工业园区直流供电、重要数据中心供电和分布式微电网等[1-2]。直流配电网可为未来智慧城市的发展提供优质电力支持。

直流配电设备的选型、设计和制造是应用场景真正落地的必要条件。为确保直流配电系统的安全运行，考虑过电压保护措施，选择合理的避雷器布置方案，选取合适的设备绝缘水平显得尤为重要。较好的避雷器布置方案不仅需要增强直流配电系统的安全性、稳定性，同时需要兼顾制造成本。

目前直流配电网的避雷器配置经验主要可以借鉴高压直流输电工程[3]。直流系统在各类故障情况下，会在关键设备上产生过电压，配置避雷器是目前有效降低过电压水平的主要手段，可实现对联接变压器（以下简称“联接变”）、换流阀、直流电抗器等重要设备的防护。本文基于伪双极柔性直流配电网的基本结构，提出了相应的避雷器布置方案，统计并对比了布置前后的过电压水平，在考虑合理的绝缘裕度下确定了设备的绝缘水平。

1 柔性直流配电网系统参数设计

参考相关示范工程[4]，以两端状伪双极柔性直流配电网结构为例，直流配电网设备主要包括交流母线、联接变、接地装置、MMC（模块化多电平换流器）、桥臂电抗器、直流电抗器、直流配电线路及二次控制设备等。直流配电换流站的网侧接入10 kV交流系统，换流站直流极线额定直流电压为±10 kV，联接变阀侧中性点经电阻接地，系统拓扑结构如图1所示。

图1 典型柔性直流配电网拓扑结构

柔性直流配电网采用基于21电平的MMC直流换流技术，配电电缆采用10 kV规格的XLPE（交联聚乙烯）单芯电缆，构成正负两回配电线路，中性点经电阻接地。参考目前交流配电网输送容量，直流配电交直流系统基本参数设置见表1。

表1 直流配电交直流系统基本参数

2 避雷器布置方案

结合上述对直流配电交直流系统参数的设置，借鉴高压柔性直流输电绝缘配合的经验，避雷器布置基本原则一致[5]，本文研究的柔性直流配电网避雷器布置方案初步设计如图2所示。其中，交流侧设备采用交流避雷器进行保护，直流侧设备采用直流避雷器进行保护。

图2 柔性直流配电网避雷器初步布置方案

与常规柔性直流输电系统不同，配电网电压等级不高，产生过电压水平普遍较低，而配电线路上增加了较多的负荷设备[6-7]。因此，可适当删减配电换流站内避雷器，而适当增加负荷设备出口处避雷器的布置。

3 避雷器参数选择

参考高压柔性直流工程避雷器参数选择的基本原则，依据避雷器的运行条件，选取合适的避雷器荷电率和CCOV（持续运行电压峰值），可计算得到设计避雷器的参考电压。再通过直流配电网PSCAD/EMTDC软件仿真各类故障，初步得到避雷器装设处可能出现的过电压水平，作为避雷器SIPL（操作冲击保护水平）的选取依据。本文对±10 kV柔性直流配电网避雷器参数的选择如表2所示。

对于避雷器荷电率，选取过大则正常运行过程中避雷器的泄漏电流较大，会加速老化过程，降低避雷器使用寿命；选取过小则避雷器对抗冲击电压水平提高，对设备起不到保护作用。交流侧避雷器的荷电率可选择0.8～0.9，以降低泄漏电流；而直流侧避雷器一般选择0.9以上的荷电率，以保护配电线路的设备。

表2 直流配电网避雷器参数及保护水平

4 直流配电网过电压分析

4.1 过电压产生原因

直流配电系统过电压由内部或外部因素引起，外部因素包括远处交流系统异常操作、雷击等，内部因素包括直流系统短路、接地故障或控制系统故障等[8-10]。直流配电线路一般采用埋地电缆送电，而配电换流站占地面积小、高度较低且有水泥墙防护，系统遭受雷击的概率较低。与交流系统相比，直流配电系统设备较多、控制方式复杂，运行中若发生设备故障或控制信号异常，则有可能产生设备过电压，影响系统正常运行，轻则威胁设备安全，重则导致系统瘫痪，甚至造成配电网停电事故。依据故障发生位置，可分为交流母线侧故障、直流阀厅故障和直流线路侧故障[11]。交流母线侧故障主要由交流系统异常操作或雷击引起，发生单相或多相接地故障而跳闸，故障发生概率较大。直流阀厅故障主要由控制信号异常或换流器故障引起，存在一定概率，随着直流控制技术不断完善，这一故障概率会有所下降。直流线路侧故障主要由开关异常或电缆绝缘破坏导致，一般情况下这类故障概率较低。上述故障所能引起的过电压分别为交流侧、直流阀厅和直流线路侧过电压。

4.1.1 交流侧过电压

交流侧发生的故障包括联接变网侧或阀侧交流故障，故障类型包含单相、两相和三相接地或短路故障。依据现有直流系统交流侧发生故障的情况，本文重点分析单相和三相接地故障所产生的过电压。

当联接变网侧发生单相接地故障时，网侧故障相电压下降为零，非故障相电压抬升，同时由于变压器一、二次侧的隔离作用，阀侧的运行电压不受影响。当联接变阀侧发生单相接地故障时，特别是阀厅内交流母线金属性接地时，非故障相由于电路的不对称性引起线路电磁振荡产生过电压，同时过电压直接进入阀厅，影响直流线路的正常运行，极线电压随着交流频率发生振荡。

当联接变网侧或阀侧发生三相接地故障时，接地瞬间换流器中储存的能量通过接地回路释放，这一过程不产生过电压。当故障清除、系统恢复时，控制系统响应敏感，易造成电压超调而产生过电压。

4.1.2 直流阀厅过电压

直流阀厅故障包含桥臂短路、桥臂开路、阀底接地、阀顶接地等故障，阀厅内部的故障一般为永久性，无法自我恢复，因此会严重威胁直流配电系统的正常运行[12]。本文重点考虑发生概率相对较高的阀顶接地及桥臂短路故障。

当阀顶发生单极接地故障时，接地极电压突降为零，极线电流从接地点回流，回路参数发生变化。由于极线电流的突变，直流电抗及桥臂电抗发生激荡，产生过电压。待系统稳态后，由于配电换流站两极电容的钳位作用，直流非故障极电压上升为正常值的两倍。

当桥臂发生短路故障时，短路桥臂上的电容快速放电。若换流阀组触发信号正常，桥臂轮流导通，由于故障桥臂的存在导致直流换流电压波形紊乱，对阀侧交流电压也产生巨大的干扰。

4.1.3 直流线路侧过电压

直流线路侧产生过电压存在两种情况，一是直流断路器发生误动作；二是直流配电线路发生故障[12-13]。配电电缆受到外力作用或内部老化而造成绝缘层破坏，可分为直流单极接地、直流断线及双极短路故障。电缆断线后，深埋地下的导体层与土壤直接接触，可等效为直流单极接地。本文主要考虑直流断路器误动作、直流单极接地和双极短路故障。

当直流断路器发生误动作而开断时，直流电抗的电流被截断，由于电抗作用其两端产生较高的感应电压，导致电抗器的线路侧产生过电压。同时由于换流阀电容作用，在故障瞬间阀组两极电压保持不变，则过电压将传递至非故障极。

当直流单极接地故障发生时，接地极电压突降为零，线路电容经直流电抗通过接地回路放电，电抗器两端产生过电压。由于换流阀电容的钳位作用，过电压传递至非故障极。待系统稳态后，直流非故障极电压上升为正常值的两倍，这一过程与阀顶单极接地故障类似。

当直流双极短路故障发生时，正负极相互联接构成故障回路，极间电压瞬间为零，电容快速放电，直流电流骤升，电抗器两端感应出过电压[14]，此时直流系统无法正常工作。

4.2 最大过电压水平统计

针对过电压产生的位置及水平，本文提出两种柔性直流配电网避雷器布置的调整方案。与初步布置方案相比，方案Ⅰ减少了V，R，CD，AR，方案Ⅱ减少了R，如图3所示。

图3 避雷器布置方案Ⅱ（方案Ⅰ为虚线框部分删去后）

借助PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，仿真分析各类故障过电压的情况[15-16]，记录系统关键位置出现的最大过电压水平。以不配置避雷器作参照，得出不同布置方案下系统最大过电压水平的统计结果，如表3所示。

由表3可知，避雷器的配置限制了邻近关键设备的过电压水平，起到了重要的保护作用。对比两种避雷器配置方案的计算结果，方案Ⅱ由于直流电抗并联避雷器CD的存在，限制了直流电抗两端过电压水平，而抬高了桥臂电抗两端过电压水平。综合考虑其他关键位置过电压情况，方案Ⅱ进一步降低了联接变阀侧、中性点、换流阀顶、直流极线及直流电缆过电压，在应用上更具有优势。

表3 直流配电网最大过电压水平

5 设备绝缘水平的确定

设备绝缘水平需要与系统可能出现的过电压或避雷器的保护水平相配合。设备的耐压水平需要承受系统运行过程中各种可能出现的过电压情况，而不会造成绝缘破坏[5]。绝缘水平过高容易提高设备制造的成本，因此应综合考量直流配电工程的经济性和技术性，选择合理的绝缘水平。

5.1 设备绝缘裕度的选取

直流配电系统关键设备可能出现的过电压水平普遍不高，且配电设备绝缘水平的提高并不会增加太多成本。相比较柔性直流输电系统，直流配电系统的绝缘裕度可设置得更为宽松。从设备运行的可靠性与安全性出发，本文适当提高设备的绝缘裕度，如表4所示。

表4 设备绝缘裕度的选取

直流配电设备主要承受操作冲击过电压，基本不受雷电过电压的影响，因此本文的绝缘裕度是指设备操作过电压下的绝缘裕度水平。

5.2 设备绝缘水平

依据避雷器配置的保护水平，参考关键设备的最大过电压仿真结果，考虑设备的绝缘裕度，可计算得到设备耐压水平。参照已有规格设备的绝缘水平，将设备耐压水平向上取整，最终得到设备的绝缘水平如表5所示。

表5 配电系统保护水平及设备绝缘水平

由表5可知，方案Ⅱ可降低直流电抗及配电线路设备的绝缘水平，但也提高了桥臂电抗需要的绝缘水平。考虑配电电压水平不高，提高绝缘水平并不会增加太多成本，同时方案Ⅱ比方案Ⅰ增加了V，CD，AR，对系统起到了一定的保护作用，因此推荐采用方案Ⅱ，并确定设备相应的绝缘水平。

6 结语

（1）本文综合分析了柔性直流配电网出现过电压的原因，在充分考虑各类故障的情况下，统计得到系统关键位置的最大过电压水平，并提出了两种合适的避雷器布置方案。

（2）与交流配电不同，直流配电系统在交流侧、直流阀厅、直流线路侧均有可能发生故障而产生操作过电压，其中阀顶接地、直流单极接地、极间短路、直流断路器误动作对交直流系统均会产生较大的影响。

（3）避雷器能够有效降低邻近设备的过电压水平。本文确定了±10 kV柔性直流配电工程所用避雷器的参数，在考虑设备绝缘裕度情况下，进一步计算得到了设备的绝缘水平。综合考虑系统运行的安全性及经济性，推荐方案Ⅱ的避雷器布置策略，可为相关工程的绝缘配合提供方案参考。