分析特高压直流输电系统换流站故障过电压

分析特高压直流输电系统换流站故障过电压

蒲守文

国网四川省电力公司检修公司610000

摘要：伴随着特高压直流输电工程的持续推进，基本实现了能源资源科学配置。特高压直流输电系统换流站元件众多，一旦出现短路故障就会导致过电压问题。对此，加强故障分析对系统稳定运行有着重要作用。接下来，笔者结合实践研究，对特高压直流输电系统换流站故障过电压问题进行简要分析。

关键词：特高压；直流输电系统；换流站；故障过电压

特高压直流输电承担着西部区域和境外电力传输，节约了较多电能源资源，也是智能电网建设重要环节。现阶段，全球直流输电工程中最大直流输电为±800kV，做好直流输电系统换流站故障过电压有着重要意义。

一、特高压直流输电系统换流站避雷器系统

特高压直流输电系统利用整流站把送端的交流电能转为直流电能，经过输电线路传输至手段。随后，经过逆变站转为交流电能，使电能传输至负荷端。这样一来，换流站运行状态直接影响特高压直流输电系统运行。由于换流站组成构件较多，一旦出现短路就会导致过电压继而影响换流站运行。对此，采用金属氧化物避雷系统（MOA）可以确保特高压直流输电系统稳定运行，在避雷器参数选择上还需结合绝缘配合与制造成本确认。首先，避雷器设置。换流站避雷器设置要求是：交流侧形成的过电压需采用交流侧避雷器装置进行限制。直流侧过电压通过直流母线MOA、直流线路、中性母线MOA限制。核心装置利用MOA直接保护，例如：交流、直流滤波器、换流阀。其次，以某地为例对具体设置方法展开分析。该地区±800kV特高压直流输电系统换流站选择无间隙氧化锌避雷装置，送受端500kV交流侧避雷装置设置和正常±500kV高压直流输电交流侧相似，各台换流变侧、交流滤波器母线与500kV出线为一组避雷装置。换流站单级避雷装置设计与特高压直流工程相近，最大不同为上组12脉动换流单元，最高端Y/Y换流变阀侧绕组与地安装A2避雷器，减少绝缘水平和空气间隙。同时，对上组12脉动换流单元安装C2型避雷装置。

二、特高压直流输电系统换流站故障分析

±800kV直流输电系统运行统计结果表明，由故障或操作引起的操作过电压是换流站直流侧设备绝缘的主要威胁。随着我国特高压直流输电工程的规划和建设，特高压换流站的内部过电压特性研究将关系到换流站绝缘配合设计以及特高压直流输电系统稳定运行的一个重要课题。

（一）阀顶对中性母线故障

由于换流站组成构件较多，一旦出现短路故障就会导致多种类型的过电压，严重影响设备绝缘性。阀顶对中性母线短路故障具体特征为：直流电流和交流电相较少，阀短路保护造成整流站闭锁，由逆变侧传输信号。逆变侧在发生阀顶对母线故障时，通常从整流侧低压保护动作闭锁直流，保护动作延时约0.5s。通过PSCAD仿真软件即可创建±800kV输电系统模型，把故障点设计在上阀组，出现时间约2s，持续时间约100ms。第一，整流侧仿真分析。整流侧发生故障问题，故障在2s位置，相对于逆变侧，整流侧需预先进行故障反应。结合仿真模型了解到，故障在整流侧的线路端口发生1015kV过电压，约1.28个p.u。其中，1p.u等于800kV，其他位置的过电压水平较低，换流站其他避雷装置正常运行。第二，逆变侧仿真分析。如果是逆变侧发生阀顶对中性母线故障，故障在2s位置，相对于整流侧，逆变侧需预先进行故障反应。结合仿真模型知道故障中过电压水平低，初始阶段过电压位置为逆变侧端口，不过其参数低于整流侧。换流站中，尽管只有单一的母线避雷器动作，但能量消耗方面较为满意。

（二）换流变阀侧单相接地故障

换流阀发生单相接地时会出现较高能量，当能量输送至直流极线和直流滤波器时出现过电压。整流侧、逆变侧皆发生单相接地故障时，在阀的保护形式上有一定差距。整流侧时，因为直流线路的电路和中性母线电流较小，阀保护操作时信号将传输至逆变侧。通过对故障直流电压分析，故障位置发生在53s时，非故障极线路电压为915kV。故障发生在52s时，非故障极线路电压860kV。故障发生在63时，非故障极线路电压898kV的。故障发生在62s时，非故障极线路电压868kv。综合分析，上组高压端Y/Y端子发生单相接地故障最大过电压参数约915kV，中性母线、平波电抗器皆产生较大过电压。不过，仅设置中性母线周围的避雷装置出现动作，其他能耗可忽略不计。逆变侧发生单相接地时，值有直流电<交流电才能启动换流阀保护操作。通过对逆变侧单相接地故障计算确定，故障位置在53时，非故障极线路电压908kV。故障位置在52时，非故障极线电路电压为850kV。故障位置在61时，非故障极线电路电压880kV。故障位置在60时，非故障极线路电压为888kV。由此可知，故障在53时故障电压最高，输电工程Y/Y绕组端子安装A2避雷装置，压缩空气间缝隙，换流变阀侧绝缘性有明显提高。

结语：

伴随着用电负荷水平的提高和能源区分布不均问题，远距离、大功率输电线路应用在电力系统中，直流输电系统运行稳定、经济性强，适合远距离和大功率输电。通过PSCAD仿真软件创建完整的特高压直流输电工程模型，研究换流站内换流器阀顶对中性母线短路故障、换流变阀侧单相接地短路故障过电压问题。实践证明，第一，整流侧换流阀阀顶对中性母线短路故障，非故障极线出口位置存在1015kV过电压，其他点过电压水平不高。逆变侧换流阀阀顶对中性母线短路故障过电压水平不高。第二，针对换流变阀侧单相接地故障问题，整流侧与逆变侧发生高压端Y/Y绕组端子位置出现单相接地故障的过电压水平较高。

参考文献：

[1]李俊松,张英敏,曾琦,陈可,田洪江.MMC-MTDC系统单极接地故障电流计算方法[J/OL].电网技术2018（10）.

[2]刘黎,俞兴伟,乔敏.直流断路器及阻尼快速恢复系统在舟山多端柔性直流输电工程中的应用[J/OL].浙江电力,2018(09).

[3]徐鹏,赵成勇,曹雅榕.一种典型混联直流输电系统的运行特性分析[J].电力工程技术,2018(05).

[4]裴翔羽,汤广福,张盛梅,谢素娟,吴亚楠,杨杰.双极柔性直流电网短路电流暂态特性分析[J].全球能源互联网,2018(04).