特高壓直流保護與避雷器動作特性配合分析

黎建平，汪鳳嬌，盧文浩，陳 偉，龍 啟，王鋼

(1．中國南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣州市510663;2．華南理工大學電力學院，廣州市510640)

0 引 言

能源資源分布與電力負荷需求相對不均衡造成了我國能源遠距離、大規模流動的必然趨勢。特高壓直流輸電具有輸送距離遠、輸送容量大、易于控制和調節、節約線路走廊和易于電網互聯等優點［1］，成為我國電網建設的重要發展方向之一。

我國±500 kV 直流輸電工程運行經驗較為豐富，但±800 kV 直流輸電工程運行經驗相對貧乏，電壓等級的升高，導致過電壓水平也增大。直流控制保護整定參數會影響故障后過電壓暫態特性，而現有特高壓換流站直流設備是采用氧化鋅避雷器進行直接保護，因而兩者的配合非常重要。但是，直流控制保護整定和避雷器參數配置均從各自角度出發來進行選擇和配置的，因此，有必要對直流保護和避雷器的配合進行研究。

±800 kV 直流輸電工程的避雷器配置對過電壓和絕緣配合的影響研究較多［2-3］，且有相對定性的結論。直流保護策略對絕緣配合的影響方面研究較少，現僅有針對糯扎渡直流輸電工程的相關研究［4］，但控制保護策略和實際有一定差異。目前，暫無針對云廣工程且基于實際控制保護策略的保護與避雷器動作特性配合的研究［5-6］。本文基于云廣特高壓直流輸電電磁暫態模型，對閥避雷器和中性母線避雷器考核比較嚴格的3 種典型過電壓工況中，保護與避雷器配合的問題進行理論分析和仿真研究。

1 避雷器配置

特高壓直流換流站避雷器配置的原則是換流站交流側產生的過電壓應由交流側的避雷器進行限制;換流站直流側產生的過電壓應由直流側避雷器進行限制;換流站內的重要設備應由緊靠其的避雷器直接進行保護［7-8］。

云廣特高壓直流輸電工程額定輸送功率5 000 MW，額定運行電壓± 800 kV，額定電流3.125 kA，線路長1 418 km。云廣特高壓楚雄換流站避雷器配置如圖1 所示，整流站和逆變站采用相同絕緣配合方案，減少了不同電壓等級設備的制造成本。最高端YY 換流變閥側采用A2 避雷器直接保護，降低了最高電位的換流變閥側操作沖擊絕緣水平。中性母線避雷器采用相同的避雷器配置，其中E1H 避雷器為8 柱E 型避雷器并聯，E2H 為3 柱E 型避雷器并聯，在金屬回線方式下有EM 避雷器(3 柱E 型避雷器并聯)，雙極大地和單極大地回線方式下有EL避雷器。除此以外還有交流母線避雷器A，閥避雷器V1、V2 和V3，直流母線避雷器C2，直流母線中點避雷器C1，直流線路避雷器D 和平波電抗器避雷器DR。

2 控制保護配置

±800 kV 特高壓直流由于采用雙12 脈整流器，閥組數增多，為了減少故障之后直流功率的減少，保護采用分層方式分為極保護和閥組保護。極保護主要包括極換流器保護、直流母線保護、直流線路保護、接地極線路保護、高速開關保護和直流濾波器保護。閥組保護主要包括閥組級換流器保護和旁路開關保護［9-11］。云廣控制系統也是通過分層控制，包括雙極控制層、極控制層和閥組控制層。

3 交流側相間沖擊

交流側的相間操作過電壓通過換流變傳遞到閥側，會在換流變的閥側端子和閥上產生過電壓，是決定閥避雷器絕緣水平的重要工況之一。常用的施加方法是在金屬回線方式下，交直流系統運行時，相間施加操作波的電流源或電壓源，通過調節電流幅值使得交流相間電壓達到1 326 kV。

圖1 云廣楚雄換流站避雷器配置Fig.1 Arrangement of arrester in Chuxiong converter station

故障時刻選取1個周期內承受對應交流兩相過電壓的閥由導通到開始換相關斷的時刻。例如，對AB 相施加操作波，選取閥1 開始換相的時刻故障，操作波到達時，閥2 換相失敗，閥3 繼續承受反相電壓，此時的反相電壓的最大值取決于換流變閥側AB相間的電壓差。故障時刻示意圖如圖2 所示，圖中A點為交流側相間沖擊施加時刻即閥1 向閥2 開始換相時刻，B 點為閥3 到達最大過電壓時刻。

圖2 交流側相間沖擊故障時刻示意圖Fig.2 Failure moment diagram of AC-side phase-phase switching impulse

各閥避雷器承受的最大過電壓如表1 所示，該工況下由于操作波施加時間很短，而交流過電壓保護最快動作時延為10 ms，無法達到保護動作啟動要求，因而，在此種工況下，避雷器的最大應力不受保護影響。由于操作沖擊時間很短，閥最大過電壓幅值較高，但能量較低。

表1 交流側相間沖擊避雷器應力Table 1 Arrester stress of AC-side phase-phase switching impulse

對比V1、V2 和V3 避雷器應力可以看出，V3 避雷器承受的過電壓最高，其次是V2 避雷器，V1 避雷器的過電壓電壓水平最低，因而，研究V3 避雷器的絕緣水平時一定要對此種工況進行研究。

4 最高YY 換流變閥側套管閃絡

最高電位換流變YY 閥側套管在運行中承受著很高的交直流疊加電壓，有可能會發生對地閃絡。Y線圈套管閃絡時，下12 和上12 脈動換流器的直流電壓通過上半橋導通閥與交流線電壓串聯向故障點提供短路電流，逆變站則由直流線路通過導通的閥向故障點提供短路電流［12-13］，換流器高壓端直流電流上升，換流器中性母線直流電流下降。正常情況下由閥短路保護I 段動作，后續動作保護為直流差動保護和直流線路低電壓保護。云廣閥短路保護和直流差動保護邏輯如表2、3 所示，保護動作后閥閉鎖，直流電流降低，與V1 避雷器并聯的換流閥電流熄滅后，V1避雷器將承受最大過電壓，此時吸收能耗也最大，此種工況是V1 避雷器的主要決定性工況之一。由于閥短路保護I 段無時延，無論后續保護時延為多少，閥避雷器最大應力不受影響。從考慮最不利的情況出發，下面分析當閥短路保護無法正常啟動時，直流差動保護時延不同對閥避雷器應力的影響。

表2 閥短路保護Table 2 Short circuit protection of valve

表3 換流器直流差動保護Table 3 DC differential protection of converter

圖3為雙極輸送功率5 000 MW 時，直流差動保護時延分別為3 、5、10 ms 時V1 避雷器最大應力以及直流差動保護動作信號和觸發角波形。仿真中按1 周期波20 ms 取20個點進行仿真，得到避雷器最大應力。圖3 的仿真數據為3.5 s 時設置C 相接地，由于換流閥的作用，閥避雷器最大過電壓出現在非故障相閥上。從V1 電壓波形可以看出，直流差動保護動作信號發出后，最先閉鎖閥基電子設備(valve base electronic，VBE)，閥電流減小，V1 避雷器很快達到最大過電壓幅值。但閥電流并沒有完全熄滅，V1 避雷器后續還有幾次動作，但是最大過電壓幅值降低。時延為3 ms 和5 ms 時觸發角波形幾乎一致，兩者V1避雷器最大過電壓幅值也幾乎一致，但時延為10 ms時，3.51 ～3.53 s 觸發角的上升速率明顯低于3 ms和5 ms 時的，閥電流關斷速度減慢，導致V1 避雷器的最大過電壓幅值略低。

圖3 輸送功率5 000 MW 時最高YY換流變閥側接地時各電壓、電流波形Fig.3 Voltage and current waveform during flashover of value side of high YY converter transformer with 5 000 MW transmission power

圖4為雙極輸送功率為500 MW 時，直流差動保護時延分別為3、5、10 ms 時V1 避雷器應力以及直流差動保護動作信號和觸發角的波形。圖4 中故障開始時間為3.511 s，從V1 電壓波形可以看出，在直流差動保護發出動作信號之前，V1 避雷器就已經達到了動作電壓開始放電，保護時延為3 ms 和5 ms 時，V1 避雷器最大過電壓出現在保護動作之后，當保護時延為10 ms 時，V1 避雷器在保護動作之前達到了最大過電壓。由于輸送功率小，直流線路電流小，閥電流容易關斷，相比于輸送額定功率的V1 避雷器很快達到最大過電壓。與不同保護不同時延情況下避雷器應力相比，V1 避雷器最大應力變化很小，保護時延的影響很小。

圖4 輸送功率500 MW 時最高YY 換流變閥側接地時各電壓、電流波形Fig.4 Voltage and current waveform during flashover of value side of high YY converter transformer with 500 MW transmission power

表4 為不同輸送功率和不同保護時延對避雷器應力的影響仿真對比結果，輸送功率小時因系統電流較小，換流閥容易關斷，V1 應力較大，V1 最大過電壓為384 kV，最大能量為3.52 MJ，在保護設計范圍內。輸送功率較大時，由于線路壓降大，中性母線的E1H型避雷器應力較大，故障時刻在1個周期內流過故障電流的閥剛換相導通時，中性母線E 避雷器承受的過電壓最大。E1H 最大過電壓為258 kV，單臺最大能量為1.47 MJ，E2H 最大過電壓為255 kV，單臺最大能量為0.22 MJ，均在絕緣設計水平內。保護時延對中性母線避雷器承受的最大電流和最大能量影響較大，時延越短，電流和能量越小。

5 金屬回線開路

當直流系統以單極金屬回線方式運行時，因金屬回線斷線或金屬回線開關(metallic return switch，MRS)誤跳可發生金屬回線開路故障。一旦發生直流電流在斷路點入地通道完全切斷的情況，直流電流被迫經E1H、E2H、EM 型避雷器入地，E 型避雷器遭受較大的能耗強度。此工況下過流、橋差和極差保護均不會動作，當中性母線電壓超過98 kV 時，接地極線過電壓保護或中性母線過電壓保護時延100 ms 啟動ESOF，合上快速接地開關。

仿真中將保護時延分別設為50、100、150 ms，得到的避雷器應力參數如表5 所示，保護時延分別為50 ms 和100 ms 時的E 型避雷器應力對比如圖5 所示。可以看出，在此種故障情況下，保護時延對避雷器的最大過電壓幅值影響不大，但對避雷器承受的最大能量影響很大。保護時延在100 ms 之內時，E1H

表4 最高YY 換流變閥側套管閃絡避雷器應力Table 4 Arrester stress of value-side flashover of high YY converter transformer

表5 金屬回線開路避雷器應力參數Table 5 Arrester stress parameters of metal loop open-circuit

圖5 金屬回線開路時E 型避雷器應力波形Fig.5 Stress wave of E-type arresters during metal loop open-circuit

和E2H 單臺避雷器最大能量在絕緣設計水平之內，但保護時延為150 ms 時，E2H 單臺避雷器的最大能量為3.74 MJ，已經超出了絕緣設計水平3.6 MJ，考慮1.2 倍的設計裕度最大泄放能量為3 MJ，E1H 的單臺泄放能量3.4 MJ 也超出了設計水平。

6 結 論

本文基于云廣特高壓直流輸電電磁暫態模型，結合實際控制保護策略，分析了±800 kV 特高壓直流輸電工程中保護與避雷器配合問題，主要分析了3 種典型過電壓工況和相應保護的配合，得出以下結論:

(1)交流側相間沖擊時，當故障時刻為承受對應交流兩相沖擊電壓的閥即將換相關斷時，閥避雷器承受的過電壓幅值最大。此種工況下保護對避雷器不起限制作用，由于過電壓持續時間短，避雷器的能量并不大，但過電壓幅值很高。

(2)最高換流變閥側單相接地故障時，對V1 和中性母線避雷器的沖擊比較大，當閥短路保護拒動或無法正常啟動時，換流器直流差動保護時延會影響閥避雷器和中性母線避雷器的最大電流和最大能量，仿真結果表明閥避雷器和中性母線避雷器最大應力均在絕緣設計水平范圍內。

(3)金屬回線開路時，E1H 和E2H 型避雷器承受主要沖擊，接地極線過電壓保護或中性母線過電壓保護時延在100 ms 之內時，E 型避雷器應力在絕緣設計水平之內，保護時延為150 ms 時，避雷器最大能量會超出設計水平。

(4)云廣工程實際控制保護和避雷器的配合滿足運行的需求，保護時延的可調節范圍留有一定裕度，其控制保護策略和避雷器配置可供其他直流輸電工程參考。

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