柔性直流配電網過電壓及避雷器配置研究

蘇宜靖，董 立，唐 律，丁月強，李子恒

（1.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網陜西省電力公司，西安 710048）

0 引言

直流配電網具有可控性強、線路損耗低、兼容新能源且無周期同步性問題等優勢，隨著直流配電技術的研究逐步深入，柔性直流配電網的應用場景愈加豐富，包括智能樓宇直流供電、工業園區直流供電、重要數據中心供電和分布式微電網等[1-2]。直流配電網可為未來智慧城市的發展提供優質電力支持。

直流配電設備的選型、設計和制造是應用場景真正落地的必要條件。為確保直流配電系統的安全運行，考慮過電壓保護措施，選擇合理的避雷器布置方案，選取合適的設備絕緣水平顯得尤為重要。較好的避雷器布置方案不僅需要增強直流配電系統的安全性、穩定性，同時需要兼顧制造成本。

目前直流配電網的避雷器配置經驗主要可以借鑒高壓直流輸電工程[3]。直流系統在各類故障情況下，會在關鍵設備上產生過電壓，配置避雷器是目前有效降低過電壓水平的主要手段，可實現對聯接變壓器（以下簡稱“聯接變”）、換流閥、直流電抗器等重要設備的防護。本文基于偽雙極柔性直流配電網的基本結構，提出了相應的避雷器布置方案，統計并對比了布置前后的過電壓水平，在考慮合理的絕緣裕度下確定了設備的絕緣水平。

1 柔性直流配電網系統參數設計

參考相關示范工程[4]，以兩端狀偽雙極柔性直流配電網結構為例，直流配電網設備主要包括交流母線、聯接變、接地裝置、MMC（模塊化多電平換流器）、橋臂電抗器、直流電抗器、直流配電線路及二次控制設備等。直流配電換流站的網側接入10 kV交流系統，換流站直流極線額定直流電壓為±10 kV，聯接變閥側中性點經電阻接地，系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 典型柔性直流配電網拓撲結構

柔性直流配電網采用基于21電平的MMC直流換流技術，配電電纜采用10 kV規格的XLPE（交聯聚乙烯）單芯電纜，構成正負兩回配電線路，中性點經電阻接地。參考目前交流配電網輸送容量，直流配電交直流系統基本參數設置見表1。

表1 直流配電交直流系統基本參數

2 避雷器布置方案

結合上述對直流配電交直流系統參數的設置，借鑒高壓柔性直流輸電絕緣配合的經驗，避雷器布置基本原則一致[5]，本文研究的柔性直流配電網避雷器布置方案初步設計如圖2所示。其中，交流側設備采用交流避雷器進行保護，直流側設備采用直流避雷器進行保護。

圖2 柔性直流配電網避雷器初步布置方案

與常規柔性直流輸電系統不同，配電網電壓等級不高，產生過電壓水平普遍較低，而配電線路上增加了較多的負荷設備[6-7]。因此，可適當刪減配電換流站內避雷器，而適當增加負荷設備出口處避雷器的布置。

3 避雷器參數選擇

參考高壓柔性直流工程避雷器參數選擇的基本原則，依據避雷器的運行條件，選取合適的避雷器荷電率和CCOV（持續運行電壓峰值），可計算得到設計避雷器的參考電壓。再通過直流配電網PSCAD/EMTDC軟件仿真各類故障，初步得到避雷器裝設處可能出現的過電壓水平，作為避雷器SIPL（操作沖擊保護水平）的選取依據。本文對±10 kV柔性直流配電網避雷器參數的選擇如表2所示。

對于避雷器荷電率，選取過大則正常運行過程中避雷器的泄漏電流較大，會加速老化過程，降低避雷器使用壽命；選取過小則避雷器對抗沖擊電壓水平提高，對設備起不到保護作用。交流側避雷器的荷電率可選擇0.8～0.9，以降低泄漏電流；而直流側避雷器一般選擇0.9以上的荷電率，以保護配電線路的設備。

表2 直流配電網避雷器參數及保護水平

4 直流配電網過電壓分析

4.1 過電壓產生原因

直流配電系統過電壓由內部或外部因素引起，外部因素包括遠處交流系統異常操作、雷擊等，內部因素包括直流系統短路、接地故障或控制系統故障等[8-10]。直流配電線路一般采用埋地電纜送電，而配電換流站占地面積小、高度較低且有水泥墻防護，系統遭受雷擊的概率較低。與交流系統相比，直流配電系統設備較多、控制方式復雜，運行中若發生設備故障或控制信號異常，則有可能產生設備過電壓，影響系統正常運行，輕則威脅設備安全，重則導致系統癱瘓，甚至造成配電網停電事故。依據故障發生位置，可分為交流母線側故障、直流閥廳故障和直流線路側故障[11]。交流母線側故障主要由交流系統異常操作或雷擊引起，發生單相或多相接地故障而跳閘，故障發生概率較大。直流閥廳故障主要由控制信號異常或換流器故障引起，存在一定概率，隨著直流控制技術不斷完善，這一故障概率會有所下降。直流線路側故障主要由開關異常或電纜絕緣破壞導致，一般情況下這類故障概率較低。上述故障所能引起的過電壓分別為交流側、直流閥廳和直流線路側過電壓。

4.1.1 交流側過電壓

交流側發生的故障包括聯接變網側或閥側交流故障，故障類型包含單相、兩相和三相接地或短路故障。依據現有直流系統交流側發生故障的情況，本文重點分析單相和三相接地故障所產生的過電壓。

當聯接變網側發生單相接地故障時，網側故障相電壓下降為零，非故障相電壓抬升，同時由于變壓器一、二次側的隔離作用，閥側的運行電壓不受影響。當聯接變閥側發生單相接地故障時，特別是閥廳內交流母線金屬性接地時，非故障相由于電路的不對稱性引起線路電磁振蕩產生過電壓，同時過電壓直接進入閥廳，影響直流線路的正常運行，極線電壓隨著交流頻率發生振蕩。

當聯接變網側或閥側發生三相接地故障時，接地瞬間換流器中儲存的能量通過接地回路釋放，這一過程不產生過電壓。當故障清除、系統恢復時，控制系統響應敏感，易造成電壓超調而產生過電壓。

4.1.2 直流閥廳過電壓

直流閥廳故障包含橋臂短路、橋臂開路、閥底接地、閥頂接地等故障，閥廳內部的故障一般為永久性，無法自我恢復，因此會嚴重威脅直流配電系統的正常運行[12]。本文重點考慮發生概率相對較高的閥頂接地及橋臂短路故障。

當閥頂發生單極接地故障時，接地極電壓突降為零，極線電流從接地點回流，回路參數發生變化。由于極線電流的突變，直流電抗及橋臂電抗發生激蕩，產生過電壓。待系統穩態后，由于配電換流站兩極電容的鉗位作用，直流非故障極電壓上升為正常值的兩倍。

當橋臂發生短路故障時，短路橋臂上的電容快速放電。若換流閥組觸發信號正常，橋臂輪流導通，由于故障橋臂的存在導致直流換流電壓波形紊亂，對閥側交流電壓也產生巨大的干擾。

4.1.3 直流線路側過電壓

直流線路側產生過電壓存在兩種情況，一是直流斷路器發生誤動作；二是直流配電線路發生故障[12-13]。配電電纜受到外力作用或內部老化而造成絕緣層破壞，可分為直流單極接地、直流斷線及雙極短路故障。電纜斷線后，深埋地下的導體層與土壤直接接觸，可等效為直流單極接地。本文主要考慮直流斷路器誤動作、直流單極接地和雙極短路故障。

當直流斷路器發生誤動作而開斷時，直流電抗的電流被截斷，由于電抗作用其兩端產生較高的感應電壓，導致電抗器的線路側產生過電壓。同時由于換流閥電容作用，在故障瞬間閥組兩極電壓保持不變，則過電壓將傳遞至非故障極。

當直流單極接地故障發生時，接地極電壓突降為零，線路電容經直流電抗通過接地回路放電，電抗器兩端產生過電壓。由于換流閥電容的鉗位作用，過電壓傳遞至非故障極。待系統穩態后，直流非故障極電壓上升為正常值的兩倍，這一過程與閥頂單極接地故障類似。

當直流雙極短路故障發生時，正負極相互聯接構成故障回路，極間電壓瞬間為零，電容快速放電，直流電流驟升，電抗器兩端感應出過電壓[14]，此時直流系統無法正常工作。

4.2 最大過電壓水平統計

針對過電壓產生的位置及水平，本文提出兩種柔性直流配電網避雷器布置的調整方案。與初步布置方案相比，方案Ⅰ減少了V，R，CD，AR，方案Ⅱ減少了R，如圖3所示。

圖3 避雷器布置方案Ⅱ（方案Ⅰ為虛線框部分刪去后）

借助PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件，仿真分析各類故障過電壓的情況[15-16]，記錄系統關鍵位置出現的最大過電壓水平。以不配置避雷器作參照，得出不同布置方案下系統最大過電壓水平的統計結果，如表3所示。

由表3可知，避雷器的配置限制了鄰近關鍵設備的過電壓水平，起到了重要的保護作用。對比兩種避雷器配置方案的計算結果，方案Ⅱ由于直流電抗并聯避雷器CD的存在，限制了直流電抗兩端過電壓水平，而抬高了橋臂電抗兩端過電壓水平。綜合考慮其他關鍵位置過電壓情況，方案Ⅱ進一步降低了聯接變閥側、中性點、換流閥頂、直流極線及直流電纜過電壓，在應用上更具有優勢。

表3 直流配電網最大過電壓水平

5 設備絕緣水平的確定

設備絕緣水平需要與系統可能出現的過電壓或避雷器的保護水平相配合。設備的耐壓水平需要承受系統運行過程中各種可能出現的過電壓情況，而不會造成絕緣破壞[5]。絕緣水平過高容易提高設備制造的成本，因此應綜合考量直流配電工程的經濟性和技術性，選擇合理的絕緣水平。

5.1 設備絕緣裕度的選取

直流配電系統關鍵設備可能出現的過電壓水平普遍不高，且配電設備絕緣水平的提高并不會增加太多成本。相比較柔性直流輸電系統，直流配電系統的絕緣裕度可設置得更為寬松。從設備運行的可靠性與安全性出發，本文適當提高設備的絕緣裕度，如表4所示。

表4 設備絕緣裕度的選取

直流配電設備主要承受操作沖擊過電壓，基本不受雷電過電壓的影響，因此本文的絕緣裕度是指設備操作過電壓下的絕緣裕度水平。

5.2 設備絕緣水平

依據避雷器配置的保護水平，參考關鍵設備的最大過電壓仿真結果，考慮設備的絕緣裕度，可計算得到設備耐壓水平。參照已有規格設備的絕緣水平，將設備耐壓水平向上取整，最終得到設備的絕緣水平如表5所示。

表5 配電系統保護水平及設備絕緣水平

由表5可知，方案Ⅱ可降低直流電抗及配電線路設備的絕緣水平，但也提高了橋臂電抗需要的絕緣水平。考慮配電電壓水平不高，提高絕緣水平并不會增加太多成本，同時方案Ⅱ比方案Ⅰ增加了V，CD，AR，對系統起到了一定的保護作用，因此推薦采用方案Ⅱ，并確定設備相應的絕緣水平。

6 結語

（1）本文綜合分析了柔性直流配電網出現過電壓的原因，在充分考慮各類故障的情況下，統計得到系統關鍵位置的最大過電壓水平，并提出了兩種合適的避雷器布置方案。

（2）與交流配電不同，直流配電系統在交流側、直流閥廳、直流線路側均有可能發生故障而產生操作過電壓，其中閥頂接地、直流單極接地、極間短路、直流斷路器誤動作對交直流系統均會產生較大的影響。

（3）避雷器能夠有效降低鄰近設備的過電壓水平。本文確定了±10 kV柔性直流配電工程所用避雷器的參數，在考慮設備絕緣裕度情況下，進一步計算得到了設備的絕緣水平。綜合考慮系統運行的安全性及經濟性，推薦方案Ⅱ的避雷器布置策略，可為相關工程的絕緣配合提供方案參考。