舟山多端柔性直流工程過電壓與絕緣配合

余世峰，馬為民，聶定珍，李亞男，蔣維勇

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市100052)

0 引言

基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)是柔性直流技術(shù)的新型解決方案，除具備可控性高的傳統(tǒng)特點外，還將直流系統(tǒng)損耗進(jìn)一步降低，同時可以提高直流電壓的等級［1-7］。工程應(yīng)用方面，除國外已建工程外，舟山多端柔性直流工程也采用該技術(shù)方案，用以滿足各島嶼用電負(fù)荷增長的需要，以及交流線路故障時向各島嶼供電［8］。

在建的舟山多端柔性直流工程是目前世界上端數(shù)最多的柔性直流工程，工程新建定海換流站(舟山本島)、岱山換流站(岱山島)、衢山換流站(衢山島)、洋山換流站(洋山島)、泗礁換流站(泗礁島)共計5座±200 kV換流站［9］。

絕緣配置方案作為確定工程設(shè)備參數(shù)的重要條件，對工程設(shè)備選型及運行特性研究有指導(dǎo)意義。開展該項研究時，首先應(yīng)當(dāng)遵循通用的原則和標(biāo)準(zhǔn)，以確保工程的安全、穩(wěn)定運行，并合理地選擇設(shè)備以滿足系統(tǒng)條件，絕緣配合的方法與電壓等級和輸送容量并無一定關(guān)系，但實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的特點開展相關(guān)研究。舟山多端柔性直流絕緣配合方案與傳統(tǒng)直流不同之處在于，由于采用偽雙極結(jié)構(gòu)和全控型IGBT器件，換流器的拓?fù)渑c傳統(tǒng)直流不同，因此對關(guān)鍵設(shè)備的保護方式也有所區(qū)別。由于運行方式的增加，考慮設(shè)備可能承受的過電壓時也應(yīng)當(dāng)合理考慮可能存在的各種極限情況。舟山多端柔性直流工程大量采用海底電纜作為直流線路，敷設(shè)和運行均存在難度較大、成本較高的問題，在絕緣配合時應(yīng)充分計及該設(shè)備耐受過電壓的能力。

國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院從2012年開始獨立開展舟山多端柔性直流工程的研究工作，并承擔(dān)了工程成套設(shè)計，明確了工程接線、運行方式與控制模式，并基于此開展了絕緣配合方案研究，確定了避雷器保護配置，設(shè)備絕緣水平等關(guān)鍵參數(shù)，推進(jìn)了工程設(shè)備的研發(fā)。

1 直流系統(tǒng)主接線及運行方式

舟山多端柔性直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，定海換流站采用定直流電壓控制，考慮到測量誤差，換流站直流電壓不高于202 kV。其他換流站的最高運行電壓需要根據(jù)直流網(wǎng)絡(luò)(如圖1所示)的潮流計算結(jié)果確定。以泗礁換流站為例，當(dāng)其運行于逆變方式，輸送功率為100 MW，洋山換流站也運行在逆變方式，功率也為100 MW，岱山至定海直流輸電線路功率方向由岱山—定海，且功率為400 MW，直流線路電阻為最大值，泗礁換流站直流電壓達(dá)到最高。當(dāng)其運行于整流方式，輸送功率為100 MW，洋山換流站也運行在整流方式，功率也為100 MW，岱山至定海直流輸電線路功率方向由定?！飞?，且功率為400 MW，直流線路電阻為最大值，泗礁換流站直流電壓達(dá)到最低。

圖1 換流站拓?fù)銯ig.1 Topology of converter stations

考慮到工程建設(shè)目的，舟山工程投運后最主要的運行方式是以定海站作為送電端，其他4個換流站作為受電端。當(dāng)定海站退出運行時，舟山本島與岱山島間通過交流220 kV連接，岱山站將作為送電端，其他3個換流站作為受電端。

為增加運行的靈活性，發(fā)揮多端柔性直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢，也保留其他運行方式。對于并聯(lián)型五端系統(tǒng)，其運行方式可分為五端、四端、三端、二端及STATCOM這五大類，理論上共有27種運行方式，但正常運行時衢山站和泗礁站不配置接地點，不考慮衢山站與泗礁站兩端運行方式，也沒有STATCOM運行方式，因此工程實際共有26種運行方式。各換流站的無功吸收和提供能力按功率因數(shù)為0.95確定，同時應(yīng)具備1.1倍過負(fù)荷能力。

為實現(xiàn)工程雙極對稱運行，需要保證兩極線中點的電位為零，因此在換流站合適的地方設(shè)置接地點。經(jīng)系統(tǒng)研究后推薦，舟山工程定海、岱山換流站采用通過電抗器形成中性點經(jīng)電阻接地的方案，以提供可靠的接地，并降低變壓器成本。洋山換流站采用通過聯(lián)結(jié)變Y繞組經(jīng)接地電阻接地的方案，考慮到舟山五端直流工程變壓器采用三相三繞組方式，存在第三繞組可以采用角形接線，因此洋山站變壓器可以采用Y/Y0/△的方式。在定海和岱山站均退出的情況下，洋山站也可以作為系統(tǒng)接地點的備用，保證剩下的換流站正常運行。對于衢山、泗礁換流站，不考慮從這2個換流站充電運行的方式，因此在整個直流系統(tǒng)中完全可以由其他換流站通過電抗器形成中性點經(jīng)電阻接地供接地點，這2個換流站不需要設(shè)置接地點。

2 主設(shè)備參數(shù)設(shè)計

作為過電壓仿真的模型基礎(chǔ)，需要確定工程主設(shè)備參數(shù)，并基于實際設(shè)備參數(shù)開展研究。研究中，通過主回路設(shè)計計算，確定了五站換流閥子模塊電容、橋臂電感、變壓器、直流電纜和啟動電阻等主要參數(shù)。

2.1 子模塊電容

根據(jù)IGBT器件的電壓耐受能力以及冗余因素考慮，舟山工程初步擬選擇250個子模塊。根據(jù)直流電壓的波動要求，計算得到子模塊電容器參數(shù)值如表1所示［10-12］。舟山工程配置了直流電抗器，能夠?qū)χ绷麟妷翰▌佑幸欢ǖ囊种谱饔?，換流閥廠家可綜合考慮。

表1 各換流站子模塊電容器參數(shù)Tab.1 Capacitor parameters in each convertor station mF

2.2 橋臂電抗器

橋臂電抗器是電壓源換流器的一個重要部分，由該設(shè)備提供換相所需的主要電抗，換流器也是通過橋臂電抗器實現(xiàn)有功和無功的控制。橋臂電抗器參數(shù)的選擇綜合考慮二倍頻環(huán)流抑制要求、電流響應(yīng)速度、故障電流抑制、無功提供能力等方面的因素。橋臂電抗器參數(shù)的選擇還要經(jīng)過無功以及動態(tài)性能仿真的驗證。綜合考慮各方面因素，本工程各換流站橋臂電抗器暫按表2取值［13］。

表2 各換流站橋臂電抗器參數(shù)Tab.2 Arm reactor parameters in each convertor station mH

2.3 聯(lián)結(jié)變壓器

聯(lián)結(jié)變壓器詳細(xì)參數(shù)見表3［14］，在柔性直流輸電工程中其主要作用是在閥側(cè)形成與換流閥直流側(cè)匹配的電壓，同時能夠提供部分換相電抗。由于舟山工程采用偽雙極結(jié)構(gòu)，其聯(lián)結(jié)變壓器閥側(cè)在正常運行條件下僅承受直流電流，而無直流電壓。

本工程各換流站均以與系統(tǒng)交換功率為0作為額定運行狀態(tài)。在確定最大最小分接頭檔位時，除了要考慮交流系統(tǒng)的運行電壓、無功提供量，還要考慮直流的最大、最小電壓。

表3 聯(lián)結(jié)變壓器參數(shù)Tab.3 Parameters of connection transformer

2.4 直流電纜

考慮到實際運行電流的需要，舟山工程直流電纜至少應(yīng)滿足1 000，750，250 A這3種通流能力，可采用通用截面電纜或不同規(guī)格電纜，視工程實際需求和造價決定。本工程研究中，對國內(nèi)外制造廠商海底電纜的設(shè)計制造能力進(jìn)行了詳細(xì)的考核和評估，該設(shè)備的敷設(shè)及造價投資在工程中占相當(dāng)大的比重［15］。

2.5 直流電抗器

直流電抗器主要起到抑制直流側(cè)短路電流和限制站間環(huán)流的作用，其參數(shù)與橋臂電抗器的參數(shù)應(yīng)相互適應(yīng)配合，還能起到抑制直流紋波的作用。直流電抗器電感值各站均取20 mH［16］。

2.6 啟動電阻

為了保證換流閥及其他一次設(shè)備的安全，柔性直流輸電系統(tǒng)啟動時需限制啟動電流;充電電流不超過額定電流的50%，同時應(yīng)對充電時間進(jìn)行限制。經(jīng)過設(shè)計，定海換流站啟動電阻的阻值為6 kΩ，岱山為9 kΩ，其他換流站均為 26 kΩ［17］。

3 換流站絕緣配合方案

3.1 絕緣配合的原則

作為工程設(shè)計原則，舟山工程絕緣配合遵循相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及國際標(biāo)準(zhǔn)［18-19］?？紤]避雷器配置時，應(yīng)盡量按照交流側(cè)和直流側(cè)過電壓由該側(cè)避雷器保護的原則，并在關(guān)鍵設(shè)備緊密連接位置配置避雷器。詳細(xì)布置如圖2所示。

傳統(tǒng)直流平波電抗器采用并聯(lián)避雷器直接保護的方案，對加在電抗器本體的過電壓進(jìn)行限制，而對于柔性直流換流閥設(shè)備，其故障下沖擊電流的抵御能力較低，若對直流電抗器仍采用并聯(lián)避雷器保護方式，一旦該避雷器動作，故障電流將直接通過避雷器流向換流閥。對于常規(guī)直流換流閥，晶閘管換流閥能夠承受，而通過調(diào)研，柔性直流換流閥對于該沖擊的耐受能力較弱。因此，本工程選取在電抗器兩側(cè)加裝避雷器的方式進(jìn)行保護，橋臂電抗器的考慮方式相同。

3.2 換流站避雷器保護配置

換流站過電壓來源包括外部及內(nèi)部2個途徑。引起過電壓的外部因素有:交流系統(tǒng)(本工程包括220 kV和110 kV)開關(guān)操作、故障清除、雷擊和甩負(fù)荷，這些事件不會直接導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運。引起過電壓的內(nèi)部因素有:直流系統(tǒng)內(nèi)(包括電源部分)的接地故障、短路以及控制故障，這些故障通常會導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運。

圖2 換流站避雷器配置(基于定海站接線)Fig.2 Configuration of arresters in convertor station(based on connection of Dinghai station)

(1)直流電抗器線側(cè)的直流極線。直流電抗器線路側(cè)的設(shè)備由直流極線避雷器保護。傳統(tǒng)直流極母線過電壓分析時需要著重考慮由直流線路侵入的雷電或因直流場屏蔽失效的雷擊。對于柔性直流工程，由于采用電纜連接，且均采用海底電纜或隧道敷設(shè)。因此無須考慮雷擊影響。電纜應(yīng)直接接入戶內(nèi)設(shè)備，且在電纜連接處(無屏蔽層)需考慮配置避雷針或其他設(shè)備。

(2)閥頂。閥頂區(qū)域故障由閥頂避雷器保護。閥頂避雷器能夠限制閥頂區(qū)域的過電壓水平，同時，閥頂避雷器配合換流閥與橋臂電抗間避雷器，保護閥設(shè)備。對于基于模塊化多電平換流器的柔性直流系統(tǒng)，需要考慮交流側(cè)出現(xiàn)過電壓時直流側(cè)的過電壓水平。

(3)換流閥與橋臂電抗間母線。該點過電壓需要考慮的故障主要包括其他橋臂故障、對極橋臂故障、閥頂故障以及聯(lián)接變壓器閥側(cè)故障對該點的沖擊。

(4)變壓器閥側(cè)母線。變壓器閥側(cè)避雷器保護聯(lián)接變閥側(cè)和接地點母線。避雷器的安裝緊靠接地電抗。變壓器閥側(cè)避雷器的能量要求和操作沖擊保護水平(switching impulse protection level，SIPL)由交流系統(tǒng)故障引起的操作沖擊決定。直流側(cè)接地故障也可能導(dǎo)致該點電壓升高。

(5)交流母線。交流母線避雷器保護聯(lián)接變交流側(cè)。避雷器的安裝緊靠聯(lián)接變。換流站交流母線側(cè)避雷器的能量要求和SIPL要考慮與220 kV交流系統(tǒng)避雷器保護水平的匹配。換流站交流母線側(cè)避雷器的雷電沖擊保護水平(lightningimpulse protection level，LIPL)由來自交流系統(tǒng)的雷電沖擊決定，其配合電流按每一組避雷器單獨承擔(dān)電流設(shè)計。

3.3 避雷器參數(shù)

設(shè)計時，為保證避雷器在最嚴(yán)重過電壓情況下能夠保證安全，在研究能量特性時，對象避雷器應(yīng)采用最小特性曲線，同時其他避雷器采用最大特性。研究中假定多柱避雷器中的每柱避雷器伏安特性相同，因此，被研究的避雷器將盡可能多地承擔(dān)能量，而非研究對象的避雷器將盡可能少地分擔(dān)能量。

直流工程避雷器為滿足過電壓時能量要求，可能采用多柱并聯(lián)的方式，多柱避雷器性能設(shè)計時必須考慮避雷器伏安特性曲線的制造公差。進(jìn)行多柱避雷器性能設(shè)計時，多柱避雷器要保證電流分配誤差低于例行試驗的保證值。電流分配試驗應(yīng)按與實際放電電流相近的電流進(jìn)行。電流分配保證值用于降低避雷器能量要求。若承受電流最大的一柱避雷器，其電流比平均試驗電流高10%，那么該柱避雷器的能量要求與最嚴(yán)重的研究結(jié)果相比，也提高10%。

表4所列為換流站內(nèi)避雷器參數(shù)，其中，A避雷器參數(shù)由接入的交流電網(wǎng)電壓等級決定，定海和岱山站為A(220 kV)避雷器，衢山、洋山和泗礁站使用A(110 kV)避雷器。交流避雷器的參數(shù)選擇參考GB 11032—2010，其中，按照252 kV考慮，交流避雷器實際持續(xù)運行電壓的峰值不超過146 kV，對應(yīng)額定電壓204 kV型避雷器，實際填寫避雷器持續(xù)運行電壓最大值(crest value of continuous operating voltage，CCOV)為 150 kV。

表4 換流站避雷器參數(shù)及保護水平Tab.4 Parameters and protection levels of arresters in convertor station

4 過電壓驗證及設(shè)備絕緣水平

4.1 過電壓驗證

對于避雷器保護，既要考慮避雷器對被保護設(shè)備的有效作用，即在研究避雷器設(shè)備參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計合理的保護水平，將過電壓限制在一定范圍內(nèi)，同時，給予絕緣配合設(shè)計的避雷器特性參數(shù)用于過電壓仿真建模，通過過電壓仿真結(jié)果對其配合參數(shù)進(jìn)行校核和驗證。

舟山工程過電壓仿真分析考慮了以下操作故障:(1)220 kV或110 kV交流母線接地故障(包括單相和三相);(2)聯(lián)接變壓器閥側(cè)接地故障(包括單相和三相);(3)換流閥與橋臂電抗間接地故障;(4)直流側(cè)電抗閥側(cè)接地故障;(5)直流側(cè)電抗線路側(cè)接地故障;(6)電纜中點短路故障;(7)直流側(cè)開路故障。

如前文所述，由于直流側(cè)無直接暴露于戶外的設(shè)備及線路，因此無須考慮其雷電過電壓，僅需考慮交流側(cè)雷擊過電壓。故障位置如圖3所示。

圖3 故障位置Fig.3 Fault position

(1)交流側(cè)故障。交流側(cè)故障包括交流電網(wǎng)故障與聯(lián)接變壓器閥側(cè)故障2類。網(wǎng)側(cè)故障與交流系統(tǒng)條件有關(guān)，根據(jù)可行性研究相關(guān)成果，短路電流按遠(yuǎn)景年換流站短路電流水平選取?？紤]聯(lián)接變壓器的接線方式，故障時零序分量對閥側(cè)不會產(chǎn)生較大影響。三相接地短路故障時，交流側(cè)電壓降至0，由于直流側(cè)采用定電壓控制，仍維持運行電壓，因此在閥及橋臂電抗上產(chǎn)生較高過電壓。

與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)故障不同，柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)無濾波器。傳統(tǒng)直流交流側(cè)故障時，故障過電壓產(chǎn)生于故障恢復(fù)時刻，而柔性直流不存在交流濾波器，然而持續(xù)的交流側(cè)過電壓可能在直流側(cè)產(chǎn)生較高過電壓，這樣就對避雷器、電纜等直流側(cè)設(shè)備提出了較高的絕緣要求。而聯(lián)接變壓器閥側(cè)故障會在閥臂和直流側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓。

(2)直流側(cè)故障。換流閥與橋臂電抗器間的故障會在閥臂和直流側(cè)產(chǎn)生過電壓。閥頂故障會在閥臂和直流側(cè)產(chǎn)生過電壓。而極母線故障則會在閥臂和直流側(cè)產(chǎn)生過電壓。

(3)系統(tǒng)模型的建立。過電壓仿真采用電磁暫態(tài)仿真方法，模型按照系統(tǒng)實際控制策略進(jìn)行［20］，提出故障時序和保護，并與其他直流工程進(jìn)行了對比，通過對控制保護設(shè)備廠家的調(diào)研，該控制策略可以順利實現(xiàn)，故障后的保護時序按照過電壓研究的基本原則在合理范圍內(nèi)選取了最為保守的情況。實踐證明，直流電纜參數(shù)對過電壓仿真結(jié)果有顯著影響，因此在建模過程中對國內(nèi)外廠家電纜的典型參數(shù)進(jìn)行了仿真，在設(shè)備規(guī)范編制階段，盡量保證了要求與仿真模型一致。

4.2 設(shè)備絕緣水平

舟山工程設(shè)備絕緣裕度參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［18-19］，對于本工程的關(guān)鍵設(shè)備電纜，推薦采用30%的絕緣裕度，整體絕緣裕度按不小于表5所示值考慮。最終確定的設(shè)備絕緣水平見表6。

表5 設(shè)備絕緣裕度Tab.5 Insulation margins of equipments %

表6 換流站保護水平及設(shè)備絕緣保護水平Tab.6 Protection levels of convertor station and insulation levels of equipments kV

工程中，直流電纜的絕緣水平充分考慮了各種過電壓，由于海底電纜故障后維修和更換不具備實際操作的可行性，因此設(shè)計的510 kV絕緣水平是合理且能夠保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的。設(shè)備絕緣水平已實際應(yīng)用于指導(dǎo)舟山工程設(shè)備技術(shù)規(guī)范的編制。

5 結(jié)論

本文的研究結(jié)果已實際應(yīng)用于舟山多端柔性直流工程設(shè)計、設(shè)備選型及試驗，各項參數(shù)已應(yīng)用于設(shè)備規(guī)范;同時確定了柔性直流工程過電壓及絕緣配合研究方法;若采用架空線路時，需要考慮線路雷電過電壓的影響。

(1)基于開展工程完整成套設(shè)計，完成舟山多端柔性直流輸電工程換流站絕緣配合技術(shù)前期研究及工程設(shè)計。

(2)結(jié)合模塊化多電平柔性直流換流器的特點，特別制定了對換流閥本體的避雷器保護配置策略，對直流電抗器、橋臂電抗器及換流閥本體均采用兩側(cè)布置避雷器的保護方式，而并非常規(guī)直流的并聯(lián)保護方式。

(3)結(jié)合工程設(shè)計需要對各制造廠商的設(shè)計制造能力進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)模塊化多電平柔性直流控制策略建立了電磁暫態(tài)仿真模型。模型參數(shù)包括換流閥、聯(lián)結(jié)變壓器、橋臂電抗器、直流電纜等設(shè)備的準(zhǔn)確參數(shù)。由于該工程的仿真尚屬首次，且過電壓仿真能夠真實反映實際系統(tǒng)特性，所以本文結(jié)果具有實際意義。

(4)確定了舟山多端柔性直流工程用避雷器的參數(shù)及各主要設(shè)備的絕緣水平，設(shè)計結(jié)果可用于指導(dǎo)工程設(shè)備規(guī)范的制定。

(5)詳細(xì)開展直流電纜設(shè)計及試驗方案研究，針對直流電纜設(shè)備采用海底敷設(shè)的方式，提出采用30%的絕緣裕度，并提出其絕緣水平。

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