闽粤联网换流站直流系统过电压保护及绝缘配合研究_陈安杰.pdf

2023.04.DQGY 37CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术流站的设计及运行操作中应尽量避免谐振过电压的产生，如果不能避免，则必须采取一定的措施，如加装选相合闸装置或合闸电阻等。直流侧内过电压主要由直流系统内的接地故障、短路和控制失灵等引起，这些过电压将传入换流阀或极线上。外部过电压主要考虑交直流线路以及接地极线路的雷击，包括直击雷和绕击雷，通常雷击产生的过电压不会传入直流极线上，不会影响阀及相关设备5。1.1 过电压情况分析1.1.1 工频过电压及其限制措施换流站换流阀及直流侧设备只需考虑甩单极直流负荷的静态过电压。甩双极直流负荷意味着系统存在双极故障，阀必须全部闭锁，最长延时是换流变压器进线断路器跳闸时间（约3周波），工频动态过电压在阀闭锁后不可能传递到直流侧。故应采取的限制工频过电压措施如下：1）双极运行甩单极负荷时，应保证功率能迅速向正常极转移。2）单极运行单极甩负荷且过电压较高时，采取快速切除交流滤波器的措施。1.1.2 操作过电压及其限制措施0 引言绝缘配合指的是考虑所采用的过电压保护措施后，根据设备上可能的作用电压、绝缘特性及可能影响绝缘特性的因素确定设备的绝缘水平的原则及方法，是决定电气设备安全运行和经济合理性的重要因素1。直流输电换流站绝缘配合的目的就是寻求一种避雷器配置和参数选择方案，在保证换流站所有设备正常运行、故障期间及故障后安全的同时使得全站的费用最省。其特点在于为加强串联阀组的保护，需在非地电位的端子之间装设避雷器；换流站的不同部位绝缘水平不同，且可以采用非标值；换流回路不会直接遭受电气过电压的作用。闽粤联网换流站直流额定输送功率2000MW，直流额定电压100kV，根据国标规定1-4对闽粤联网换流站的绝缘配合问题进行研究，为后续背靠背换流站工程建设提供参考。1 过电压保护过电压可分为内过电压和外过电压。内过电压包括动态、操作、暂时过电压及谐振过电压，在换陈安杰1,2 郑子墨1,3 郭春彬2 唐铭洁1（1.福州大学 2.福建省送变电工程有限公司 3.国网福建省电力有限公司超高压分公司）闽粤联网换流站直流系统过电压保护及绝缘配合研究摘要：根据闽粤联网换流站特点及换流站绝缘配合原则，对背靠背换流站直流侧过电压特点进行了研究，探讨直流系统过电压保护方案及绝缘配合方案，对设备选型有一定的指导意义。关键词：背靠背换流站；过电压；避雷器；绝缘配合电器工业202304设计排版.indd 452023.4.25 11:39:52 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 38PRODVCT AND TECHNIC产品与技术换流站操作过电压一般包括以下几种：（1）从交流侧传递的操作过电压在换流变压器网侧的交流场或附近的交流网络的操作或故障清除等会引起操作过电压。该过电压会对换流变网侧各种交流设备产生冲击，并通过换流变耦合到直流侧，对换流阀和平波电抗器阀侧直流极母线及设备等产生冲击。该过电压由交流避雷器及阀避雷器等加以限制。（2）阀厅内短路故障引起的过电压阀厅内短路故障引起的过电压有如下几种情况：1）换流站12脉冲阀桥极顶部接地。当换流站12脉冲阀桥极顶部发生接地故障后，平波电抗器将受到直流极线全电压作用，并叠加由平波电抗器本身电感与其端部杂散电容所产生的过渡振荡，同时，中性母线因被倒置，将在中性母线各元件上产生过电压。2）换流变压器阀侧高压绕组线端闪络。换流变阀侧高压绕组（Y线圈）在运行中承受着很高的交直流叠加电压，当发生闪络接地故障时，接于故障相的最高层某个阀承受反向电压立即截止并和平波电抗器串联承受直流极线全电压，因而产生过电压。由于设备电感和对地电容的存在，在接地的最初数微秒内，各电位来不及作相应的改变，阀两端的过电压具有陡波性质。3）换流变阀侧低压绕组线端闪络。换流变阀侧低压绕组（线圈）套管在运行中承受着交、直流叠加电压，当发生绕组线端闪络，该极下面6脉冲桥上层接于故障相的阀因承受反向电压而立即截止并和整个上面6脉冲阀桥及平波电抗器串联承受直流极线全电压。内短路故障过电压主要通过在阀臂及桥间母线装设避雷器加以限制，是确定该处避雷器保护水平及通流容量的决定性工况。（3）控制系统故障引起的过电压1）全电压启动引起的过电压。直流系统正常启动时，逆变侧先解锁，整流侧后解锁，直流电压和电流上升率受调节系统控制，均以比较平缓的斜率上升到额定值，时间至少几分钟，因此不会有过电压。但如果直流控制系统失灵或通讯系统发生故障，整流侧以最小角解锁，且调节器失去调节功能，而逆变侧处于闭锁状态即相当于直流线路末端开路时直流系统全电压起动，由于整流侧充电速率大，电压幅值高，线路末端呈全反射，于是在直流母线设备上产生很高过电压。当逆变侧站用电发生故障后重新启动，也会出现这种过电压。由此可知，这种过电压只在阀控系统故障和通讯系统完全失灵时才有可能产生，因此发生的概率较低。2）阀丢失脉冲引起的过电压。换流器控制系统故障可能会导致部分阀丢失几个周期脉冲、连续丢失脉冲或全部丢失脉冲。阀丢失几个脉冲时，仅会引起直流电压下降，能够迅速恢复。阀连续丢失脉冲时，对整流侧来说，极线直流电压叠加上较明显的50Hz交流分量，并在两端极设备有不太高的过电压产生，直至保护将整流侧停运。对于逆变侧来说，由于直流增加，可能造成两次连续的换相失败，造成直流中出现50Hz交流分量，流经逆变侧的振荡电流可能振荡过零。如最上层的阀电流同时熄灭，而与之串联的阀仍处于导通状态，则最上层的阀将产生严重的过电压。阀全部丢失脉冲时，对于整流侧来说，直流电压迅速下降，一般过电压不高。但对于逆变侧，由于丢失全部脉冲，原导通的阀将继续导通，发生二次连续换相失败，将交流相间电压直接通到直流侧，在直流极线上作50Hz振荡，产生较高的过电压和过电流。振荡严重时逆变侧电流过零，全部阀因此关断，而整流侧继续向极线注入能量，同时极线末端处于开路状态，冲击波在极线上多次折反射，这样会在直流极线和端部设备上产生严重的过电压。该类故障通过阀臂及桥间母线装设避雷器加以电器工业202304设计排版.indd 462023.4.25 11:39:52 AM2023.04.DQGY 39CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术限制。1.1.3 雷电过电压换流站内出现的雷电过电压一般是从交流线路或直流线路侵入的。由于背靠背换流站无直流架空线且交流线路之间有换流变隔开，雷电波只能通过电磁耦合进入阀厅，其波头和幅值将大大衰减。雷电波通过静电耦合传播时，由于阀组对地电容和换流变压器绕组的杂散电容之比很大，耦合过电压幅值也较小。1.1.4 晶闸管阀正向过电压保护触发晶闸管阀正向过电压保护触发也是一种过电压保护措施。2 避雷器配置方案综上所述，换流站直流系统避雷器配置方案如下：闽粤联网换流站阀组采用空气绝缘，对称单极接线，每个换流单元整流、逆变侧各采用1个12脉动换流阀组，每个阀臂并联一支避雷器，整流侧12脉动中点经避雷器接地，逆变侧12脉动中点直接接地。如下图所示为直流系统避雷器配置方案。其中，A避雷器安装在换流变进线上紧靠换流变网侧绕组处和交流滤波器大组母线上，用于保护交流母线/交流滤波器大组母线设备、换流变网侧绕组，限制交流侧产生的传递到直流侧的暂态过电压。V避雷器每个阀臂并联一支，保护换流阀和换流变阀侧绕组相间绝缘。M避雷器十二脉动换流单元6 脉动桥间母线的保护，并和V避雷器串联保护换流变阀侧绕组端对地绝缘。3 绝缘配合直流换流站绝缘配合的一般方法与交流系统绝缘配合的方法相同，采用惯用法进行。即在电气设备上可能出现的最大过电压与电气设备的要求雷电冲击耐受电压（RLIWV）、操作冲击耐受电压（RSIWV）或陡波前冲击耐受电压（RSFIWV）之间留有一定的裕度6-7。直流系统主要设备冲击耐受电压与避雷器保护水平关系见表1。根据国家标准8、闽粤联网换流站系统参数及技术规范，相关避雷器保护水平见表2。A交流母线避雷器 V阀避雷器 M直流中性母线避雷器图 闽粤联网换流站直流系统避雷器配置方案表1 直流系统主要设备绝缘裕度陡坡前冲击耐受电压雷电冲击耐受电压操作冲击耐受电压 网侧1.201.201.25 阀侧1.151.201.25换流阀1.151.151.20直流阀厅设备1.151.151.25户内直流场设备1.151.201.25表2 避雷器保护水平避雷器额定电压雷电冲击最大残压（kV）操作冲击最大残压（kV）A396961780V116.9215230M117167165设备要求冲击耐受电压和避雷器保护水平的比值换流变设备类型电器工业202304设计排版.indd 472023.4.25 11:39:53 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 40PRODVCT AND TECHNIC产品与技术根据直流系统各点的空气间隙耐受电压值，直流系统主要设备绝缘水平计算值见表3，其中LIWL为雷电冲击耐受水平；SIWL为操作冲击耐受水平。4 结束语本文基于闽粤联网换流站的特点分析直流系统多种工况下产生过电压的机理，提出了相应的保护表3 直流系统主要设备绝缘水平保护目标保护措施LIWL/kVSIWL/kV 阀桥两侧V300310整流侧V+M650550逆变侧M3003106脉动桥中点整流侧M250220整流侧V+M650550逆变侧V300310整流侧V+M650550逆变侧V300310整流侧A+M400逆变侧A200 阀侧相间AN.A.350 阀侧直流母线对Yy中性点AN.A.200极线对阀桥中点V300310Yy 阀侧中性点对阀桥中点AN.A.200Yy 一相端子间AN.A.200Yd 一相端子间AN.A.350措施及避雷器配置方案，给出了直流系统主要系统的绝缘水平。为后续背靠背换流站直流系统绝缘配合设计提供一定参考作用。参考文献1GB/T 311.12012 绝缘配合 第1部分：定义、原则和规则S.2GB/T 311.32017 绝缘配合 第3部分：高压直流换流站绝缘配合程序S.3GB/T 500642014 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范S.4GB/T 285412012 800kV高压直流换流站设备的绝缘配合S.5杨光亮，王永，邰能灵，等.换流站主设备绝缘配合研究J.电瓷避雷器，2012（5）：43-48.6张翠霞，刘之方.800 kV直流输电工程过电压保护与绝缘配合研究J.中国电力，2006，39（10）：43-46.7聂定珍，郑劲.灵宝背靠背换流站过电压与绝缘配合研究J.高电压技术，2005，31（2）：3.8GB/T 110322020 交流无间隙金属氧化物避雷器S.（收稿日期：2023-01-04）阀侧直流母线 Yy 变压器阀侧相地Yd 变压器阀侧相地Yy 变压器阀侧中性点N.A.电器工业202304设计排版.indd 482023.4.25 11:39:53 AM