750 kV／±800 kV輸電工程交流濾波器暫態定值研究

李璟延

（國網北京經濟技術研究院，北京市 100052）

0 引言

直流輸電工程的建設有效緩解了我國資源分布的不均衡，±800kV 電壓等級直流“西電東送”工程是我國特高壓直流輸電的標志性工程［1］。能源豐富的西北電網交流750kV 超高壓輸變電工程的建成，對發展和加強西北骨干輸電網架，具有極其重要和深遠的意義。研究±800kV 特高壓直流輸電工程換流變網側直接接入750kV 電網這一新的直流輸電思路，無須經過中間聯絡變，極大地降低了工程成本；并結合了西北電網的特點，更有利于新疆地區向內地送電［1－5］。

750kV／±800kV 接入方案可以極大提高直流輸電工程的經濟效益，應用前景十分廣闊。對750kV／±800kV接入方案關鍵技術的研究顯得日益緊迫和重要。直流換流站交流濾波器用于濾除換流器產生的各次諧波，同時補償換流器工作所需的無功功率，保證交直流系統正常運行，是換流站建設中的關鍵設備之一［6－8］。我國在運、在建的±800kV 特高壓直流工程送端和受端均為直接接入500kV 交流電網，目前還沒有針對750kV／±800kV 接入方案的交流濾波器的技術研究。

交流濾波器元件暫態額定值計算是濾波器設計的關鍵。主要包括選擇合適的濾波器避雷器、濾波器元件暫態電流和絕緣水平，保證濾波器元件在各種嚴重工況下安全運行［9］。

本文主要針對±800kV 特高壓直流輸電工程750kV／±800kV 接入方案，選取最惡劣的運行工況，計算換流站交流濾波器各元件暫態定值，確定在750kV 電壓等級下，濾波器避雷器配置方案和濾波器各元件的暫態定值及絕緣水平設計方案。

1 研究條件

根據以往直流輸電工程的要求［5，10］，用于換流站交流濾波器暫態額定值的輸入條件主要包括：

（1）交流濾波器的配置方案和元件參數；

（2）所選的保護方案（包括每種濾波器的避雷器的個數和位置）；

（3）避雷器的類型以及與8／20μs 和30／60μs放電電流波形相對應的最高／最低保護性能；

（4）避雷器上的穩態和暫時工頻諧波電壓。

為了確定濾波器元件的雷電沖擊耐受能力（lightning impulse withstand voltage，LIWL）和操作沖擊耐受能力（switching impulse withstand voltage，SIWL），在雷電沖擊保護水平和操作沖擊保護水平的基礎上分別增加一定的裕度［11－12］，來提高元件的保護能力。

仿真計算使用Manitoba HVDC 研究中心提供的PSCAD／EMTDCTM進行計算。

2 交流濾波器元件參數和避雷器配置

根據西北電網的特點，750kV／±800kV 接入方案中特高壓直流輸電工程換流站諧波特性選用3種型式濾波器BP11／BP13、HP24／36和HP3，其中SC主要用于提供換流站無功需求［13］。兩端換流站濾波器參數如表1所示，濾波器結構如圖1～4所示。圖中，C為電容器，L為電抗器，F為避雷器，R為電阻器，Lx為暫態短路電抗器，其他為雜散電抗器。

濾波器中的避雷器用于保護濾波器元件（主要是電感和電阻），避免放電和投切造成的雷電沖擊和操作沖擊。

表1 換流站交流濾波器元件參數Tab.1 Parameters of AC filter components in convertor stations

3 交流濾波器避雷器配置原則

直流輸電工程中交流濾波器的避雷器選取主要考慮因素包括［14－17］：（1）連續和暫時運行電壓的峰值，包括諧波分量；（2）在正常投切濾波器時計數器應不動作；（3）濾波器放電時的峰值電流；（4）濾波器放電時的能量。

根據西北電網背景諧波和750kV／±800kV 接入方案中特高壓直流換流站交流濾波器的配置類型和參數，各種運行工況下濾波器各元件上的最大連續運行電壓（maximum continuous working voltage，MCOV）及各諧波電壓如表2所示。

3.1 連續和暫時運行電壓

避雷器的MCOV 是根據最惡劣的基波電壓和諧波電壓的組合確定的。交流濾波器避雷器的電壓包含多個諧波分量，根據下面的公式可獲得總電壓值：

式 中：Uarr（t）、n、Un、ωo、t和φn分別是避雷器的MCOV、諧波次數、諧波電壓、基波角頻率和每個諧波的相角。

由于不同運行條件下相角（φn）不同，保守的算法是令φn ＝0，即將所有諧波分量直接線性相加得到總電壓值。

3.2 計數器

設計驗證根據上述MCOV 選擇的避雷器參考電壓值Uref是否足夠高，以免在正常投切濾波器時計數器動作。當通過避雷器的電流足夠大時，會導致計數器動作。避雷器的計數器動作電流一般選為600～700A。

3.3 避雷器的放電電流和能量

驗證所選的參考電壓Uref是否會導致過高的放電電流和放電能量。如果存在這種情況，則應該提高參考電壓，防止放電時產生過高的電流和能量。

4 交流濾波器避雷器參數

在計算高壓避雷器負載時，交流母線接地故障模擬電感Lx一般取最低值，包括故障點和故障點附近的連線電感。此時計算出的避雷器能量也是最大。計算低壓避雷器的負載時，Lx的取值應使放電電流和能量達到最大值［18－20］。

表2 換流站交流濾波器避雷器上的最大連續運行電壓Tab.2 Maximum continuous operating voltages on arresters of AC filters in converter station

如果將從交流系統入侵的操作沖擊水平限制在交流母線避雷器的操作沖擊保護水平USIPL，波頭時間取250μs，高壓避雷器的配合電流可采取下式近似計算：

式中：C1為濾波器高壓電容，du／dt 為電壓變化速率。

根據西北電網的特點，750 kV／±800 kV 特高壓直流輸電工程換流站BP11 濾波器配合電流I≈2.5kA，BP13濾波器配合電流I≈4.2kA，HP24／36、HP3濾波器和SC 并聯電容器配合電流均為I ≈6.6 kA。

高壓避雷器F1 的最大能量和電流出現在近區故障中，Lx取20μH，采用8／20μs的電流波形和最低避雷器保護特性，來確定F1避雷器的參數。低壓避雷器F2的Lx取值應使避雷器負載達到最大，采用最大配合電流計算避雷器的最大保護水平。

750 kV／±800 kV 特高壓直流輸電工程接入側換流站交流濾波器避雷器參數如表3 所示。其中ULIPL為雷電沖擊保護水平。

表3 換流站濾波器及并聯電容器避雷器額定值Tab.3 Rating of AC filter and arrester with parallel capacitor in converter station

5 計算結果及分析

5.1 濾波器電抗器電阻器設備暫態負載分析

仿真計算交流濾波器電抗器和電阻器上可能出現的暫態沖擊電流和能量的最大值，可作為電阻器和電抗器制造的重要設計依據。表4和表5給出了交流濾波器電抗器和電阻器暫態負載計算值，用來確定設備耐受沖擊電流的能力。對于干式電抗器，沖擊耐受強度和匝間應力由最大暫態沖擊電流決定。

表4 電抗器暫態負載計算值Tab.4 Calculated value of transient load of reactor

5.2 絕緣水平選擇確定

根據雷電保護電壓ULIPL，選擇合適的絕緣裕度，從而確定與其相連的元件的絕緣水平，是進行交流濾波器絕緣配置的關鍵。雙調諧濾波器高壓電抗器的雷電絕緣水平ULIWL和操作絕緣水平USIWL分別為避雷器F1和F2的雷電保護電壓ULIPL和操作保護電壓USIPL的總和加上一定的絕緣裕度。對于特高壓直流換流站，雷電沖擊絕緣水平最小裕度參考值取20%，操作沖擊絕緣水平最小裕度參考值取15%［21－23］。

表5 電阻器暫態負載計算值Tab.5 Calculated value of transient load of resistor

交流750 kV 接入±800 kV 特高壓直流換流站交流濾波器元件以高壓電容器為例，其高壓端（high voltage，HV）、低壓端（low voltage，LV）和跨接的絕緣水平見表6。如表6所示，HV 端子絕緣水平可用于選擇電容器組高壓端母線的支撐絕緣子；LV 端子絕緣水平用以選擇電容器組底部的支撐絕緣子；跨接絕緣水平用以選擇電容器組內電容器單元出線套管和層間支撐絕緣子，并決定電容器單元的極間絕緣水平和短路試驗電壓。高壓電容器的跨接水平是由交流母線避雷器保護水平和電容器低壓端避雷器F1保護水平共同決定的。對于交流濾波器電抗器而言，跨接絕緣水平用以確定電抗器本體的高度和外絕緣情況，跨接絕緣水平與電抗器的設計高度成正比。交流濾波器電阻器的跨接絕緣水平決定了電阻器箱體的引線套管的爬電距離。

表6 換流站交流濾波器絕緣水平Tab.6 Insulation levels of AC filter in converter station

研究得出的交流750 kV 接入±800 kV 特高壓直流換流站交流濾波器所選的避雷器配置方案，可以滿足系統的安全運行要求，同時將交流濾波器設備的絕緣水平、暫態負載控制在合理的水平，降低設備制造難度，減少設備運行風險。

6 結論

本文首次基于我國西北地區750 kV 電網特點，研究特高壓直流直接接入交流750 kV 電網接入方案中交流濾波器的暫態定值及其絕緣配合方案。根據特高壓直流系統特點，采用了最惡劣的運行條件，得到以下主要結論：（1）根據±800 kV 直流輸電工程系統條件和換流器無功平衡要求，研究選配了交流濾波器結構及其元件參數，確定了交流濾波器內避雷器的配置和參數；（2）計算了交流濾波器元件暫態定值，為電容器、電抗器和電阻器設備的研制提供了重要依據；（3）根據避雷器保護水平，提出了合理的裕度，確定了交流濾波器內電抗器、電容器以及電阻器各元件的絕緣水平，保證了交流濾波器設備安全運行的要求。

研究結論為我國±800 kV 特高壓直流輸電工程中750 kV／±800 kV 接入方案提供了交流濾波器關鍵技術支持，是未來工程順利建設的有力保障。

［1］趙婉君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京：中國電力出版社，2004：10－17.

［2］劉振亞.特高壓電網［M］.北京：中國電力出版社，2005：28－35.

［3］常浩.我國高壓直流輸電工程國產化回顧及現狀［J］.高電壓技術，2004，30（11）：3－4.

［4］劉澤洪，高理迎，余軍.±800 kV 特高壓直流輸電技術研究［J］.電力建設，2007，28（10）：17－24.

［5］北京網聯直流工程技術有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程功能規范書［R］.北京：北京網聯直流工程技術有限公司，2012.

［6］蘇煒，馬為民.直流輸電換流站交流濾波器穩態額定值研究［J］.高電壓技術，2004，30（11）：63－64.

［7］楊金根，馬為民.靈寶換流站交流濾波器性能研究［J］.高電壓技術，2004，30（11）：60－62.

［8］孫中明.葛南直流濾波器性能研究［J］.高電壓技術，2004，30（11）：65－71.

［9］聶定珍，鄭勁.靈寶換流站交流暫態過電壓研究［J］.高電壓技術，2005，31（4）：54－56.

［10］吳方劼，馬為民，孫中明.特高壓換流站交流濾波器現場試驗的分析與探討［J］.高電壓技術，2010，36（1）：167－172.

［11］鄭勁，聶定珍.換流站濾波器斷路器暫態恢復電壓的研究［J］.高電壓技術，2004，30（11）：57－59.

［12］北京網聯直流工程技術有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程成套設計技術報告：主回路參數研究報告［R］.北京：北京網聯直流工程技術有限公司，2012.

［13］馬為民，聶定珍，曹燕明.特高壓直流換流站系統優化設計［J］.高電壓技術，2010，36（1）：26－30.

［14］馬為民.靈寶交流濾波器暫態額定值計算［J］.高電壓技術，2005，31（4）：52－53.

［15］但剛，李明，楊俊.±660 kV 寧東—山東直流輸電工程交流濾波器暫態額定值計算［J］.高電壓技術，2010，36（6）：1583－1588.

［16］北京網聯直流工程技術有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程成套設計技術報告：交流濾波器性能研究報告［R］.北京：北京網聯直流工程技術有限公司，2012.

［17］北京網聯直流工程技術有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程成套設計技術報告：交流濾波器定值研究報告［R］.北京：北京網聯直流工程技術有限公司，2012.

［18］GB／T311.1—2002 高壓輸變電設備絕緣配合［S］.北京：中國電器工業協會，2002.

［19］IEC99－4交流系統用無間隙氧化鋅避雷器［S］.1997.

［20］GB／T11032—2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器［S］.北京：中國電力出版社，2010.

［21］北京網聯直流工程技術有限公司.±800 kV 特高壓直流輸電工程成套設計技術報告：絕緣配合研究報告［R］.北京：北京網聯直流工程技術有限公司，2012.

［22］聶定珍，馬為民，鄭勁.±800 kV 特高壓直流換流站絕緣配合［J］.高電壓技術，2006，32（9）：75－79.

［23］聶定珍，馬為民，李明.錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程換流站絕緣配合［J］.高電壓技術，2010，36（1）：92－97.