特高壓直流換流站的避雷器經濟配置方案

張擇策，王秀麗，侯雨伸

(西安交通大學電氣工程學院，西安市 710049)

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特高壓直流換流站的避雷器經濟配置方案

張擇策，王秀麗，侯雨伸

(西安交通大學電氣工程學院，西安市 710049)

基于±800 kV特高壓換流站設備可靠性和經濟性的綜合考慮，提出一種新的避雷器配置方案，該方案提出在換流站直流側配置M2避雷器，讓其與V3避雷器串聯代替交流側A2避雷器泄放能量。采用平波電抗器分別配置在極線和400 kV直流母線上的方式，同時去掉了CB1B避雷器和E1H高能量避雷器。通過對比典型的±800 kV特高壓換流站避雷器配置方案和該經濟配置方案，論述了經濟配置方案優化經濟性的原因，并根據避雷器直流參考電壓的選擇原則給出了一個參數選擇方案。該文所介紹的避雷器配置方案和所選用的避雷器參數對±800 kV特高壓DC輸電工程具有一定的指導作用。

換流站；避雷器；平波電抗器；配置方案

0 引 言

特高壓直流輸電調度靈活，適合超遠距離、超大容量送電。截至2014年12月4日，向上、錦蘇、哈鄭、溪浙四大特高壓直流工程年內累計輸送電量已達到1 003億kWh[1]。在國家大力發展特高壓直流輸電的大環境下，換流站是特高壓直流輸電工程的“心臟”，在系統中扮演著重要的角色。文獻[2]介紹了鄭州±800 kV特高壓直流換流站工程的概況，分析了該工程建設的必要性，在充分考慮河南地區電力系統和發展規劃情況，以及備選站址的技術經濟影響因素的基礎上，先后確定了換流站的落點和最終站址方案。文獻[3]利用仿真研究±800 kV云廣特高壓直流輸電工程在雙極運行的方式下，整流側分別采用定功率和定電流控制時，交流系統的整流側和逆變側故障對直流系統的影響，并對直流控制系統和交流系統的響應過程進行了較為詳細的分析與計算，然后對2種控制方式下系統的動態特性進行了對比和分析。文獻[4]詳細地介紹了±800 kV云廣特高壓直流輸電工程換流站的避雷器配置方案，給出了避雷器的配置原則，并為避雷器參數該如何選擇提供了思路。文獻[5]同樣是基于云廣特高壓直流輸電工程，主要研究了特高壓直流控制系統，較為深入地分析了基本原理，對控制系統功能的闡述也比較全面。文獻[6]則針對換相失敗這一特高壓直流輸電系統常見的故障，詳細地分析了換流站發生換相失敗的原因和機理。

±800 kV特高壓直流輸電系統的運行統計結果表明，一些操作和雷擊將會在系統換流站中引起較高過電壓，危害設備的絕緣。這時需要在合適的位置配置避雷器用以泄放過電壓能量，方能保持系統的安全。因此，包含避雷器配置和參數選擇在內的相關研究對特高壓直流系統換流站的穩定運行具有重要意義。

本文論述±800 kV DC換流站避雷器的配置方案和參數選擇，采用PSCAD/EMTDC進行直流系統模型的搭建與換流站過電壓的仿真研究，所采用的避雷器配置方案和所選用的避雷器參數對DC輸電工程有一定的指導作用。

1 避雷器功能分述

已投運或是在建的±800 kV特高壓直流系統中，避雷器都主要采用無間隙氧化鋅避雷器。根據Q/GDW 144—2006《±800 kV特高壓直流換流站過電壓保護和絕緣配合導則》[7]，保護換流站的避雷器主要有A 型、V型、M型、C型、CB1型、D型、和E型等，各個避雷器的作用和功能[8-13]如下：

(1)A 型避雷器保護換流站交流母線處的設備。A 型避雷器要盡量靠近換流變壓器，以抑制交流側操作和雷電過電壓，并決定換流閥的絕緣水平。

(2)V型避雷器可直接保護閥組，它按能量級別可分為V1、V2、V3，采用不同并聯柱數。

(3)M型避雷器保護2個六脈動橋之間的直流母線，并與V型避雷器串聯保護換流變壓器閥側繞組。

(4)C型避雷器保護十二脈動換流單元以及極頂設備。

(5)D型避雷器裝在平波電抗器附近，保護直流開關場和直流濾波器。

(6)E型中性母線避雷器主要用于雷電波的保護，其數量和安裝位置可根據雷電侵入波的計算結果確定。圖1為各避雷器在±500 kV DC換流站中的典型配置圖。

2 避雷器的配置原則

±800 kV換流站內避雷器配置的原則是：交流側產生的過電壓用交流側的避雷器限制；直流側產生的過電壓由直流側的避雷器限制；重點保護設備由緊靠它的避雷器直接保護[14]。

±800 kV特高壓直流輸電系統由于電壓等級高，設備體積大，價格也很昂貴。因此，在保證系統可靠性的同時，提高經濟性顯得尤為重要，本文正是基于可靠性和經濟性的綜合考慮提出了新方案。

3 特高壓換流站配置避雷器的特殊問題

(1)特高壓DC換流站的電壓等級高，所使用避雷器的通流容量很大，往往需要分立避雷器并聯或者采用多柱式避雷器來限制沖擊過電壓所導致的放電電流，增強避雷器的吸收能力。由于對電流分配均勻性的要求很高，這種設計會加大避雷器的制造難度。

(2)在特高壓DC換流站里，各點會出現較大的諧波電壓，這時通常將平波電抗器分置在極線和中性母線處。已投運特高壓直流系統的運行經驗表明，“平抗分置”策略能產生重大的經濟效益。有時，避雷器的配置需要進行配合。如要在中性母線和直流極線的平抗兩端配置避雷器，那么平抗一般不使用油浸式平波電抗器[15]。

圖1 ±500 kV DC換流站避雷器典型配置方案Fig.1 Typical arrester protection scheme for ±500 kV DC converter station

4 新方案與傳統方案的比較與分析

本文研究依托糯扎渡直流輸電工程。該系統為遠距離雙極對稱運行的特高壓直流輸電系統，整流側和逆變側的交流電網等級為525 kV/50 Hz，經±800 kV特高壓直流輸電線路聯網輸電。

[7]，按照上文的避雷器配置原則，本文給出了2種±800 kV換流站十二脈動換流單元避雷器配置方案并進行比較，本文推薦的經濟方案為方案A，傳統方案為方案B，分別見圖2和圖3。

4.1 避雷器配置方案討論

經濟方案和典型方案中大部分避雷器的配置位置完全一樣，其作用和功能在上文中已有介紹，下面針對配置方案中較為特殊的地方做出以下幾點討論。

(1)典型方案(方案B)中在最高電位換流變二次側直接配備A2避雷器。經濟方案(方案A)中則用M2+V3串聯保護最高電位換流變二次側，而二者各有其優缺點。典型方案(方案B)的優點在于A2可直接保護最高電位換流變的閥側繞組，易于選擇較高荷電率，從而得到較低的過電壓保護水平，減小空氣間隙的同時也降低了最高電位換流變閥側的絕緣水平。然而，這有著明顯的缺點，由于處于交流側，考慮每相配備，需要的避雷器數量為3個，并且均處于較高電位，設備壽命較低。而經濟方案(方案A)的優點是在直流側只使用1支M2避雷器，所用避雷器的數量較少，比較經濟，并且從該避雷器所處的位置可以看出其直流運行電壓為600 kV，絕緣要求相對A2避雷器也較低。另外，其占用閥廳空間的也較小。

(2)典型方案(方案B)中同時配備CB1A避雷器和CB1B避雷器，而經濟方案(方案A)中在上、下十二脈動換流單元中間母線處只配備CB1A避雷器。典型方案(方案B)的優點在于CB1B的保護水平比CB1A的保護水平低，從而可以降低保護高壓換流變d線圈端的保護水平(“CB1B+V3”)和保護極線穿墻套管與隔離開關的保護水平(“CB1B+C2”)。其缺點是比方案A多配置了1個避雷器，數量上不經濟，而且占用較大的閥廳空間。經濟方案(方案A)的優點在于去掉了CB1B避雷器，所用避雷器的數量少，占用更小的閥廳空間，更為經濟，而且在2組換流單元串聯運行時其荷電率較低，利于避雷器安全運行。

(3)配置C2避雷器是必要的。在高電位十二脈動換流單元單發生接地故障、閥脈沖連續丟失等故障下，C2避雷器能保護十二脈動換流單元兩端和內部元件。若有故障導致了高電位的換流單元緊急停運，在緊急停運的暫態過程中閥將會關閉，換流單元失去2個串聯的閥避雷器保護，此時僅靠C2避雷器保護。因此，2種方案中都裝設C2避雷器。

圖2 避雷器配置方案AFig.2 Arrester protection scheme A

圖3 避雷器配置方案BFig.3 Arrester protection scheme B

4.2 平波電抗器分置方案討論

4.2.1 平波電抗器分置在極線和中性母線

在典型方案(方案B)中采用平波電抗器分置在極線和中性母線處，可使極母線和中性母線平抗的諧波電壓降大小相同、方向相反，從而使串聯的2個十二脈動換流單元中間母線的電壓接近于純直流的電壓。這樣，上十二脈動換流單元各處的持續運行電壓峰值PCOV可以按照500 kV換流站的計算公式計算，再加上母線直流電壓400 kV，而不用加上中性母線的PCOV。即平抗分置在極線和中性母線上，不僅可以降低上十二脈動換流單元各處的PCOV，且安裝在該處的避雷器參考電壓也將低于平抗全裝在極線上時的避雷器參考電壓。避雷器保護水平和上十二脈動換流單元各處的絕緣水平得到了降低[16-21]。

4.2.2 平波電抗器分置在極線和400 kV直流母線

在經濟方案(方案A)中讓平波電抗器分別配置在極線和400 kV直流母線上，并且去掉E1H避雷器。值得一提的是，E1H高能量避雷器由8支參數和特性一致的E型避雷器并聯而成，通過分立避雷器并聯來限制泄能電流的大小。但E1H高能量避雷器的能量參數很大，尤其是在整流站，考慮到閥廳的安全，要盡量將E1H避雷器裝于戶外，使其泄放能量過大發生自爆時不至于危及廳內設備。而在經濟方案中不再需要E1H避雷器，減少了避雷器數量，提高了閥廳安全性，也降低了下十二脈動換流變和中性母線穿墻套管的絕緣水平。

4.3 最終方案的確定

仔細對比經濟方案和典型方案后，可以看出經濟方案中使用M2避雷器與V3避雷器串聯替代典型方案中A2避雷器，將平波電抗器分別配置在極線和400 kV直流母線上，去掉了CB1B避雷器和安全性較低的E1H高能量避雷器。經濟方案在保證可靠性的同時減少了避雷器數量，明顯提高了換流站的經濟性。因此，該文最終采用經濟方案(方案A)。

5 避雷器參數的選擇

5.1 避雷器參數的選擇原則

避雷器參數的選擇需要遵循的原則[4,18]如下：避雷器的持續運行電壓幅值CCOV和PCOV必須高于所安裝地點的最高運行電壓峰值，并考慮最嚴酷工況下的運行電壓疊加諧波。避雷器參考電壓的選擇需綜合考慮荷電率、PCOV、雷電沖擊和操作沖擊保護水平和避雷器的能量等因素。

5.2 交流避雷器參數的選擇

交流避雷器參數的選擇不需要照搬500 kV直流工程的模式，即在交流母線的避雷選用420 kV避雷器，而交流濾波器的母線側和換流變側選用400 kV避雷器。參考已經投運的±800 kV特高壓直流輸電系統實際工程，統一將交流側避雷器的額定電壓選為400 kV。

5.3 直流避雷器參數的選擇

對于直流側避雷器，需要選擇的參數有CCOV、

PCOV、Uref(直流參考電壓)和避雷器能量參數。CCOV的計算公式參照常規直流工程：

(1)

式中Udim為考慮了換流變分接頭一級電壓偏差和交流電壓測量容差的理想空載直流電壓最大值[13]。

C2避雷器和CB1A避雷器的CCOV計算公式參照公式(2)：

(2)

特高壓DC換流站避雷器的CCOV見表1。根據文獻[7]，取PCOV =1.17CCOV，得到各類避雷器的PCOV，見表2。

荷電率是PCOV與Uref的比值，是用來表征單位電阻片上的電壓負荷。Uref一般定義為避雷器的起始動作電壓，取直流1～5 mA電壓[17]。參考電壓的具體選擇還與閥片每單位面積上的電流密度有關。

表1 各類避雷器的CCOV

Table 1 Arresters CCOV

表2 各類避雷器的PCOVTable 2 Arresters PCOV

荷電率的選擇需要考慮泄漏電流和溫度對伏安特性的影響。避雷器老化程度受荷電率的影響很大，在允許的情況下，要盡量提高荷電率以降低避雷器的保護水平，這對降低設備的絕緣水平具有十分重要的意義。武漢高壓研究所的老化試驗證明了國產500 kV交流避雷器荷電率達到95%時也不會發生熱擊穿。直流避雷器的荷電率則要考慮避雷器的具體安裝位置、持續運行電壓峰值甚至污穢對避雷器的影響。選擇各類避雷器荷電率[4,7]如表3所示。

表3 各類避雷器的荷電率

Table 3 Arresters chargeability

根據各類避雷器的荷電率和PCOV，計算出直流參考電壓Uref如表4所示。

表4 各類避雷器的Uref

Table 4 ArrestersUref

5.4 避雷器能量參數的選擇

該文使用±800 kV DC模型仿真了高壓端Y/Y換流變閥側繞組與閥之間連接母線對地故障、低壓端Y/Y換流變閥側繞組與閥之間連接母線對地故障、低壓端Y/D換流變閥側繞組與閥之間連接母線對地故障、交流側接地故障及清除、雙極運行方式下直流極線接地、閥閉鎖、高壓端換流器頂接地故障、接地極線開路以及各類雷擊故障。對比未配置避雷器和配置避雷器后的電壓峰值可以看到配置避雷器后各關鍵位置電壓峰值明顯降低，這說明避雷器起到了泄放能量并抑制過電壓的效果。限于篇幅，在此不再列表贅述，直接給出能量參數，見表5。

表5 各類避雷器的能量參數

Table 5 Energy parameters of arresters

6 結 論

(1)綜合考慮2種方案的可靠性和經濟性后選擇經濟方案(方案A)，在上十二脈動換流單元安裝C2避雷器，在上、下電位十二脈動換流單元分別安裝M2避雷器、M1避雷器，并在二者的中間母線上安裝CB1A避雷器。

(2)平波電抗器采用分別配置在±800 kV直流線路和400 kV直流母線上的方式，這種配置不僅能減少換流站中多處位置的對地諧波電壓，也不用再配置安全性較低的E1H高能量避雷器。

(3)交流側避雷器選用額定電壓400 kV的避雷器。直流側避雷器需要選擇的參數有CCOV、PCOV和Uref，提高荷電率，可降低避雷器的保護水平，對降低設備絕緣水平有重要意義。

(4)為簡化設備和備件的種類、降低試驗和制造的復雜度，選擇逆變站直流側避雷器參數和整流站相同。

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(編輯：張媛媛)

Economical Arrester Protection Scheme and Arrester Parameters Selection for ±800 kV UHV DC Converter Station

ZHANG Zece, WANG Xiuli, HOU Yushen

(School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

This paper introduces a new arrester protection scheme for ±800 kV UHVDC converter station by considering both reliability and economy. In the new scheme, M2 arresters are proposed to use at the DC side of converter station and M2 and V3 arresters are suggested to install in series to replace the A2 arresters. Smooth reactors are suggested to install equally on pole bus and 400 kV DC bus and CB1B and E1H arresters be abandoned. By comparing the typical scheme and the economical scheme for ±800 kV UHVDC converter station, the reason why the economical scheme can optimize the economical efficiency is analyzed. The arrester parameters are selected according to the selection principle of the arrester DC reference voltage. The new arrester protection scheme and its parameters have played some guiding roles in ±800 kV UHVDC transmission projects.

converter station；arrester；smooth reactor；protection scheme

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2012AA052701)。

TM 862

A

1000-7229(2015)06-0001-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.001

2015-04-06

2015-05-19

張擇策(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向為特高壓直流過電壓、電力系統可靠性；

王秀麗(1961)，女，博士，教授，博士生導師，西安交通大學電力系系主任，長期從事電力系統及其自動化的科研工作，主要的研究方向有：電力系統規劃、電力市場、電力系統可靠性、電力系統分析、新型輸電方式等。

侯雨伸(1988)，男，博士研究生，主要研究方向為電力系統可靠性、冰災天氣下電網風險評估與融冰策略。

Project Supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program).