±800kV錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程交流濾波器暫態額定值計算

馬春，李明，曹燕明

(1.山西省電力公司晉城供電公司，山西省晉城市 048000;2.國網北京經濟技術研究院，北京市 100052)

0 引言

國家電網公司于2005年開始部署特高壓直流輸電工程建設，以實現全國范圍內的資源優化配置和能源供給［1-6］?！?00kV錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程于2008年6月獲國家發改委批復，2009年正式開工建設，2012年雙極建成投運?！?00kV錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程將建設成為世界上輸送容量最大、送電距離最遠的特高壓直流輸電工程［7］。

換流站換流器在運行中產生大量的諧波，并吸收無功功率，一般在換流器交流母線側安裝交流濾波器和并聯電容器用來補償無功功率，并濾除換流器在交流側產生的諧波［8-15］。交流濾波器一般由電容器、電抗器和電阻器組成，并在高壓和低壓側配有相應的測量裝置以進行控制和保護。通過暫態額定值的計算以確定交流濾波器內避雷器的配置，并得到各元件的絕緣水平和沖擊電流數據。

本文以±800kV錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程交流濾波器元件的暫態額定值計算為例，介紹換流站交流濾波器暫態計算的過程，包括避雷器參數和配置方案的選擇，濾波器各設備元件絕緣水平確定的原則，以及用于相關測量設備暫態額定值的確定方法。

1 輸入條件

進行交流濾波器暫態額定值仿真計算，需要以下輸入條件:

(1)輸電線路兩端換流站交流濾波器和并聯電容器的配置和參數。

(2)每種濾波器的避雷器的數量和位置。一般，每組雙調諧濾波器配置2組避雷器，每組單調諧濾波器和并聯電容器配置1組避雷器，主要保護電抗器和電阻器。

(3)避雷器雷電放電和操作放電電流波形對應的特性曲線，通常根據已有避雷器產品得到。需要強調的是，避雷器的特性曲線具有分散性，一般根據最高特性和最低特性2條曲線進行計算。

(4)通過交流濾波器穩態額定值計算得到的避雷器上的穩態電壓數據，包括各次諧波分量［16-18］。

為了確定交流濾波器元件的雷電沖擊耐受能力(lightning impulse withstanding level，LIWL)和操作沖擊耐受能力(switching impulse withstanding level，SIWL)，在雷電沖擊保護水平(lightning impulse protective level，LIPL)的基礎上增加了20%以上的裕度，在操作沖擊保護水平(switching impulse protective level，SIPL)的基礎上增加了15%以上的裕度。

連接導線、電抗器的雜散參數按照以下經驗方法獲得:

(1)一般連接導線長度為2～3 m，雜散電感約為0.02 mH。

(2)電抗器的等效電阻值根據電抗器品質因數計算得到，雙調諧濾波器的品質因數一般采用2個諧振頻率的中間值。一般，工程上要求品質因數不小于100。

2 濾波器參數及結構

±800kV錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程西起四川裕隆站，東到江蘇同里站。裕隆站交流濾波器場共有BP11、BP13、HP24/36和HP3這4種濾波器，同里站只有HP24/36和HP12這2種濾波器［19-20］。兩端換流站濾波器的電路結構如圖1所示，參數見表1、2。

3 避雷器參數

首先根據避雷器所在位置的最大持續運行電壓確定避雷器的參考電壓。最大持續運行電壓由交流濾波器的穩態額定值計算得到［19-20］，即直流系統運行時可能出現的最大電壓有效值，以及包含的主要諧波的次數(n)和電壓值。本工程避雷器最大持續運行電壓如表3、4所示。

高壓避雷器參考電壓選取的原則是，在濾波器正常投切時產生的沖擊不會造成避雷器計數器動作。換流站交流濾波器小組開關都帶有選相合閘裝置，投切時間誤差為1 ms。為了保證設計具有充分的裕度，一般考慮濾波器小組開關在誤差3.3 ms時合閘，即合閘電壓為母線電壓幅值的一半時，產生的沖擊仍然不會使避雷器發生動作而計數。設計中采用此原則進行校核。根據經驗，一般避雷器的參考電壓為最大持續運行電壓的1.5倍以上。

高壓避雷器的雷電配合電流選擇計算最大值。由于避雷器特性曲線具有分散性，最大雷電配合電流一般在采用避雷器最小特性曲線計算時得到。但選擇雷電沖擊保護水平時，應該將最大配合電流對應到避雷器最大特性曲線上，以找到可能出現的最高保護水平。這種計算方法偏于保守。

高壓避雷器的操作配合電流［10］近似計算式為

式中:USIPL為交流母線的操作沖擊保護水平。

對于裕隆站 BP11、BP13濾波器，I≈3.6 kA，設計中配合電流采用4 kA;對于裕隆站其他濾波器和并聯電容器，I≈7.3 kA，設計中配合電流采用7.5 kA。對于同里站交流濾波器和并聯電容器，I≈10.26 kA，設計中配合電流采用10.5 kA。

低壓避雷器并聯的低壓電容器和電抗器上的電壓主要由高次諧波組成，這些高次諧波容易在避雷器上產生較大的容性電流。此容性電流會被避雷器泄漏電流表測量到，雖然不會直接造成避雷器故障，但一旦避雷器發生受潮等問題，阻性的電流分量容易被容性電流分量所掩蓋，留下隱患。因此低壓避雷器

的參考電壓一般選擇在最大持續運行電壓的3倍以上。

低壓避雷器的雷電配合電流可以選擇計算最大值，也可以根據交流濾波器場地最大落雷的電流值來選擇。這里雷電流為計算最大值。低壓避雷器的操作配合電流采用計算中出現的最大操作電流。

為了降低成本，減少換流站設備備品數量，通常情況下換流站的交流濾波器和并聯電容器的高壓避雷器采用相同配置。本工程中確定的交流濾波器避雷器參數見表5、6。

4 絕緣水平計算結果

濾波器各元件的絕緣水平由與其相連的避雷器的保護水平決定。高壓電抗L1的雷電沖擊耐受水平和操作沖擊耐受水平分別為高低端避雷器的雷電保護水平和操作保護水平之和加上20%和15%的絕緣裕度。HP3濾波器電抗器的操作沖擊絕緣水平是由仿真計算最大電壓值加絕緣裕度得到的。

裕隆、同里兩站交流濾波器各元件端子的絕緣水平見表 7、8。

5 結論

(1)根據±800kV錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程中交流濾波器的配置和參數，確定了濾波器避雷器的參考電壓、配合電流、殘壓和能量吸收能力等重要參數。

(2)根據濾波器避雷器的保護水平，確定了交流濾波器中電容器、電抗器和電阻器的絕緣水平。

(3)本文提供的研究數據作為±800kV錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程中交流濾波器設備的重要參數，為工程的可靠性提供了有力保障。

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