直流換流站出口L-C型輔助防雷濾波裝置

王渝紅, 萬良彬, 曾 昊

(四川大學電氣工程學院，成都 610065)

隨著中國輸電線路電壓水平和傳輸距離不斷提高，高壓直流輸電在電力系統中廣泛應用于區域間電網互聯及大容量遠距離電力傳輸[1-3]。然而，由于高壓直流輸電線路多為架空線傳輸方式，輸電線路遭遇雷擊后會在換流站設備上產生過電壓，對系統的安全運行產生威脅。同時，直流系統運行時產生的高頻諧波不僅會對電壓和電流產生畸變，也會使換流站設備產生附加發熱。因此，利用保護設備對雷電過電壓和高頻諧波進行抑制有重要意義[4-5]。

文獻[6]研究了線路差異化防雷評估方法，對避雷器等多種降低雷擊跳閘率的措施進行分析。文獻[7]針對換流站直流場設備的直擊雷過電壓和雷電侵入波過電壓進行計算，并分析了直流線路的防雷保護性能和換流站的絕緣配合，但并未對雷電過電壓的抑制措施進行研究。文獻[8-10]分析了各種極線排列方式對耐雷水平的影響，通過裝設避雷器來提高線路的耐雷水平，并研究了避雷器數量對線路過電壓的影響效果。在高頻諧波抑制方面，文獻[11]分析了多種高階無源濾波器的拓撲結構，比較了不同濾波器的諧波濾除和諧振抑制效果，并對其經濟性做出評價。文獻[12]研究了電力線載波和無線電頻率范圍內的高頻諧波對直流輸電系統的干擾，對比分析了抑制高頻諧波和低頻諧波的濾波器型式特點并提出高頻濾波器的優化方案。

在衡量直流線路諧波水平方面，目前主要的評估指標是等效干擾電流[13]，即線路上各次諧波電流對附近通信線路產生的干擾可以等效為單一頻率(800 Hz或1 000 Hz)下的等效干擾電流產生的干擾，但其主要應用于檢驗直流濾波裝置性能。文獻[14]定義了直流側電壓或電流的諧波含有率，提出了適用于直流側的諧波總畸變率計算方法，能更好體現高頻諧波對直流分量的干擾。

上述研究主要是通過合理配置避雷裝置，改進線路和桿塔結構來進行防雷保護，利用濾波設備對高頻諧波進行抑制，但降低換流站設備上產生的雷電過電壓和抑制高次諧波這兩方面的結合分析尚未涉及。現提出在換流站出口處加裝一組L-C型輔助防雷濾波裝置，研究其降低直流側雷電過電壓的效果，并對其高頻濾波特性進行分析。介紹L-C型輔助防雷濾波裝置的結構原理和參數選取，對雷電流、輸電線路及換流站各設備建立高頻暫態仿真模型，利用PSCAD/EMTDC仿真程序對直流側設備雷電過電壓和高頻諧波進行仿真驗證。

1 換流站電氣主接線

根據《絕緣配合 第3部分：高壓直流換流站絕緣配合程序》[15]，其文中±500 kV換流站直流側避雷器配置方案及主接線如圖1所示。

V為閥避雷器；DR為平波電抗器避雷器；C為12脈動橋避雷器；DB為直流母線避雷器；DL為直流極線避雷器；E、EL為中性母線避雷器；DCF為直流濾波器

換流站包括平波電抗器、直流濾波器、換流閥、聯接變壓器和直流線路等重要一次設備，因此換流站的絕緣配合對于設備的運行安全十分重要，考慮設備絕緣水平及安裝位置等因素，對站內各重要設備配置避雷器進行保護。

2 L-C型輔助防雷濾波裝置原理及參數選取

2.1 L-C型輔助防雷濾波裝置原理

通常換流站裝設有直流濾波器，平波電抗器及中性點濾波電容等直流濾波設備[16]，可以有效抑制直流側產生的特征諧波和低次非特征諧波，但無法濾除雷電流和高頻諧波。針對此問題，提出一種由串聯電感線圈和并聯電容組成的L-C型輔助防雷濾波裝置，其原理圖如圖2所示。

圖2中，L-C型輔助防雷濾波裝置的電感線圈串聯于直流極線，電容與直流極線并聯，輸入和輸出電壓分別為UI和UO，UL為電感線圈兩端電壓，IL、IC、IM和IB分別為流經電感線圈、并聯電容、極線DL避雷器和開關場設備的電流。由于串聯電感和并聯電容兩端電壓值與頻率有關，因此首先對電感和電容兩端電壓進行分析。

電感電壓為

UL=UI-UO=jωLIL

(1)

電容電壓為

(2)

式中：ω為角頻率；j為虛數單位，L和C分別為輔助防雷裝置的電感值和電容值。由式(1)、式(2)可知，在直流系統正常運行時，ω=0。此時電感感抗為零，電感相當于短路；容抗趨近于無窮大，電容相當于開路。因此，在換流站出口處加裝L-C型輔助防雷濾波裝置不會對直流電流和直流電壓產生影響。當線路遭受雷擊或高頻諧波干擾時，電感線圈與并聯電容將構成低阻抗回路，高頻分量主要經此回路流入大地，從而降低對直流側設備產生的影響。

在雷電流和高頻諧波下，L-C型輔助防雷濾波裝置傳遞函數為

(3)

令H(ω)=∞，計算得截止角頻率和截止頻率為

(4)

(5)

可知，當頻率高于截止頻率時，此裝置將對高頻分量進行抑制；當頻率遠低于截止頻率時可通過裝置，其輸出幅值將根據頻率發生變化。

2.2 參數選取

為了正確合理選擇L-C型輔助防雷濾波裝置電感和電容的參數[17]，進行大量仿真計算。設置電感線圈參數為200～450 μH，每組間隔10 μH，共26組；并聯電容參數設置為30～60 nF，每組間隔5 nF，共7組。設置換流站直流側進線段1號桿塔分別發生繞擊和反擊時，對故障極電壓進行測量，根據過電壓變化規律和具體幅值進行參數選取。

直流側進線段發生反擊和繞擊時，故障極電壓變化規律如圖3所示。由圖3可知，加裝L-C型輔助防雷濾波裝置后故障極過電壓幅值均得到有效限制，且當電感值由200 μH增加至300 μH時，故障極過電壓下降幅度最大，此后繼續增大電感值過電壓降幅逐漸減弱。由圖3(a)可知，電感值在300～450 μH時，隨著電容值增大，故障極反擊過電壓的下降趨勢幾乎保持一致，其中故障極過電壓在40～50 nF下降幅度最大。由圖3(b)可知，增大電容值對故障極繞擊過電壓的限制效果不明顯，此時增加電容值意義不大。此外，考慮到直流極線上平波電抗器的電感值較大，可有效抑制線路上產生的陡波，此時L-C型輔助防雷濾波裝置沒必要取大的電感值。且雷電流在流經電感時會在電感兩端產生過電壓，電感值越大，過電壓幅值越高，此時應在降低故障極過電壓和降低電感兩端過電壓二者之間尋找平衡點。綜合分析限制直流側雷電過電壓的效果后，確定所選L-C型輔助防雷濾波裝置的串聯電感值L=300 μH，并聯電容值C=40 nF。

圖3 不同參數對故障極過電壓幅值影響

將所選的串聯電感和并聯電容值代入式(5)，可得截止頻率fC=45.944 kHz，L-C型輔助防雷濾波裝置電壓幅值—頻率特性如圖4所示。系統穩態運行時直流母線電壓如圖5所示。由圖5可知，正常運行時L-C型輔助防雷濾波裝置對直流分量幾乎無影響，直流電壓保持不變。

圖4 L-C型輔助防雷濾波裝置電壓幅值-頻率特性

圖5 加裝輔助防雷濾波裝置穩態運行直流母線電壓

3 雷電過電壓仿真模型

3.1 雷電流模型

3.1.1 雷電流波形

雷電流波形采用2.6/50 μs的負極性雙指數波進行模擬[18]，其函數表達式為

i(t)=Im(e-αt-e-βt)

(6)

式(6)中：Im為雷電流幅值；α、β為與雷電流幅值和波形參數有關的常數，文中取α=2×104，β=1.67×106。

3.1.2 雷擊點選取

大量研究表明，雷擊換流站進線段桿塔或導線時在設備上產生的過電壓更嚴重。因此，在仿真計算時，選取距離換流站直流場最近的1號塔為雷擊點進行研究。

3.2 線路和桿塔模型

直流極線型號采用4×ACSR-720/50，外徑36.2 mm，分裂間距500 mm，直流電阻0.039 Ω/km；避雷線型號GJ-80，外徑11.4 mm，直流電阻0.14 Ω/km；絕緣子型號采用XZP-210，串長6.12 m。為了建立準確的線路模型，在仿真中采用頻率相關(相位)模型。線路零檔距為100 m，其余取400 m。正負極導線為水平排列方式。

為計算雷電流在桿塔處傳播效應，塔身采用分層波阻抗模型[19-21]，如圖6所示。其中ZAk(k=1,2)為桿塔橫擔波阻抗；ZTk(k=1,2)為桿塔主架波阻抗；ZLk(k=1,2)為桿塔支架波阻抗；仿真計算時，主架波阻抗ZT1和ZT2分別為129、68 Ω；支架波阻抗ZL1和ZL2分別為1 161、612 Ω；考慮雷電流在橫擔處的影響，橫擔波阻抗ZA1和ZA2分別為300、186 Ω。仿真時接地電阻Rt取10 Ω。

圖6 輸電桿塔結構及等效模型

3.3 絕緣子串模型

當絕緣子串兩端的電壓與伏秒特性相交或超過50%雷電沖擊耐受電壓時，此時應判斷為閃絡。絕緣子串的伏秒特性[22]表示為

(7)

式(7)中：Us-t為絕緣子串閃絡電壓，kV；L為絕緣子串長度，m；t為雷擊至閃絡經歷的時間，μs。

50%雷電沖擊耐受電壓計算公式為

U50%=533L+110

(8)

考慮直流線路電壓Udc的影響時[23]，有

U′50%=U50%-Udc+100

(9)

式中：U50%為未考慮直流線路電壓時絕緣子串50%雷電沖擊耐受電壓；U′50%為考慮直流線路電壓時絕緣子串50%雷電沖擊耐受電壓。

3.4 避雷器模型

金屬氧化物避雷器具有良好的非線性特性，避雷器電流I隨電壓U的變化關系可用指數函數進行模擬[15]，即

I=kUα

(10)

式(10)中：k為常數；α為相關材料的非線性系數，α的典型取值范圍為10～50。

3.5 其他設備模型

進行雷電侵入波過電壓計算時，可將各換流站設備等效為一個電容，各設備間采用均勻無損傳輸線進行等效，波阻抗取300 Ω，波速300 m/μs。等效電容具體取值如表1所示。

表1 換流站直流側設備等效電容

4 仿真分析

進行直流側雷電過電壓仿真計算時，反擊雷電流幅值取320 kA，繞擊雷電流幅值取12 kA，設置仿真步長為0.01 μs。在負極金屬回線運行方式下，計算反擊和繞擊侵入波在直流側設備產生的過電壓幅值。設備絕緣裕度計算式為

(11)

式(11)中：K為設備絕緣裕度；UP為設備雷電沖擊絕緣水平，kV；UM為設備上過電壓幅值，kV。

4.1 未裝設L-C型輔助防雷濾波裝置

直流側進線段1號塔發生反擊和繞擊時，直流側設備過電壓計算結果如表2所示。

表2 換流站直流側設備過電壓幅值

由表2可知，未裝設L-C型輔助防雷濾波裝置時，繞擊和反擊侵入波過電壓都十分嚴重。其中，直流開關場設備上過電壓最大可達1 290.6 kV，絕緣裕度為9.4%，會影響設備安全運行。由于線路的衰減和阻尼作用，雷電流在直流母線設備上產生的過電壓有所降低，但此時設備絕緣裕度仍然較小。

4.2 加裝L-C型輔助防雷濾波裝置

如圖5所示，由于輔助防雷濾波裝置不影響直流分量，因此以下重點關注其雷電過電壓限制效果，并對其高次諧波抑制效果進行分析。

4.2.1 繞擊侵入波過電壓

對1號桿塔處線路施加雷擊，表3分析了加裝L-C型輔助防雷濾波裝置后各設備繞擊過電壓幅值，直流開關場設備繞擊過電壓波形如圖7(a)所示。

競爭性選拔干部是指根據領導班子和干部隊伍建設需要，采用公開選拔、公推提名、競爭上崗、公推競崗、公推直選、差額選拔、公開選調等方式集中擇優選拔和選調干部，是新時期干部選拔任用方式的一項重要改革，是培養選拔優秀年輕干部的重要舉措，同時也是我黨對新時期干部工作提出的新要求。深入分析競爭性選拔干部的現狀特點，結合國有企業的實際特點，統籌謀劃競爭性選拔干部的工作思路和發展途徑，對于推進這項工作的經常化、制度化、科學化，提高企業選人用人公信度和組織工作滿意度具有重要意義。

表3 加裝輔助防雷濾波裝置直流側設備繞擊過電壓

仿真結果表明，加裝輔助防雷濾波裝置后，IL、IC、IM、IB分別為6.2、5.5、0.4、1.1 kA，對雷電流的削弱作用明顯。由表3可知，雷擊 1號桿塔處線路時，直流側各設備的過電壓水平降低，絕緣裕度均提升至40%以上。由圖7(a)可知，加裝輔助防雷濾波裝置后，直流開關場設備繞擊過電壓陡度降低，波形也更為平緩。因此，裝設輔助防雷濾波裝置可以有效降低換流站設備上繞擊過電壓幅值，提升設備絕緣裕度。

4.2.2 反擊侵入波過電壓

對1號桿塔施加雷擊，表4分析了加裝L-C型輔助防雷濾波裝置后各設備反擊過電壓幅值，直流開關場設備反擊過電壓波形如圖7(b)所示。

表4 加裝輔助防雷濾波裝置直流側設備反擊過電壓

通過仿真計算，加裝L-C型輔助防雷濾波裝置后，IL、IC、IM、IB分別為7.0、5.6、0.8、2.9 kA。由表4可知，加裝L-C型輔助防雷濾波裝置后，直流開關場設備、直流母線設備、平波電抗器兩端和中性母線過電壓幅值均降低，絕緣裕度均有所提升。由圖7(b)可知，加裝L-C型輔助防雷濾波裝置后，反擊過電壓波形更為平緩，降低了反擊侵入波對各設備的沖擊。

圖7 加裝輔助防雷濾波裝置直流開關場設備過電壓

4.2.3 高頻諧波抑制分析

由2.2節可知，L-C型輔助防雷濾波裝置的截止頻率為45.944 kHz，能夠抑制電力線載波頻段(40～500 kHz)和無線電頻段(>500 kHz)的高次諧波，且4.2.2節驗證了輔助防雷濾波裝置對雷電流有較好的濾除效果，本節對L-C型輔助防雷濾波裝置的濾波效果進行仿真驗證。

如圖2所示，點A為諧波注入點，點B為濾波后的測量點。直流系統穩態運行下：在點A注入高頻諧波電壓u(kV)，其表達式為

(12)

式(12)中：fi分別為100、400、700、1 MHz。

圖8 L-C型輔助防雷濾波裝置兩端電壓頻譜圖

(13)

式(13)中：Un為n次電壓諧波分量有效值；Ud為直流母線電壓額定值。

由圖8(a)可知，在A點注入高頻諧波電壓后，此時A點電壓發生畸變，計算得電壓諧波總畸變率為3.32%。由圖8(b)可知，經L-C型輔助防雷濾波裝置進行濾波后，電壓諧波總畸變率降為0.30%，相比于A點的諧波總畸變率明顯降低，且400 kHz以上的高頻分量接近于零，100 kHz分量降至原來的25%左右。可以看出，L-C型輔助防雷濾波裝置能有效抑制高頻諧波分量，降低其諧波總畸變率。

5 L-C型輔助防雷濾波裝置對系統的影響

5.1 L-C型輔助防雷濾波裝置過電壓及保護

當1號桿塔遭受雷電繞擊或反擊時，考慮電感線圈匝間電容和雜散電容的影響，L-C型輔助防雷濾波裝置串聯電感和并聯電容過電壓波形如圖9所示。由仿真結果可知，串聯電感兩端產生的過電壓幅值分別為613.0 kV和733.2 kV，在并聯電容上產生的過電壓幅值分別為1 003.0 kV和864.3 kV，必須對L-C型輔助防雷濾波裝置采用一定保護措施。

由于電感串聯于母線中，為了保證設備的可靠性，考慮在電感線圈兩端并聯安裝一組DAS避雷器，其額定電壓為204 kV，雷電沖擊保護水平(峰值)為592 kV。根據GB/T 51200—2016《高壓直流換流站設計規范》給出的設備額定雷電耐受電壓與避雷器保護水平的最小裕度系數1.2，文中取裕度系數為1.4，即電感線圈額定雷電耐受電壓為828.8 kV。根據GB 311.1—2012《絕緣配合 第1部分：定義、原則和規則》給出的絕緣水平標準取值，電感線圈標準絕緣水平取為850 kV。由圖9可知，繞擊時并聯電容產生的過電壓幅值為1 003.0 kV，低于直流極線避雷器的雷電沖擊保護水平，因此電容兩端無需額外配置避雷器。

圖9 L-C型輔助防雷濾波裝置過電壓波形

由圖9可知安裝避雷器后，發生繞擊和反擊時串聯電感兩端過電壓分別降至355.8 kV和365.2 kV，其絕緣裕度分別為58.1%和57.0%，電感元件線圈絕緣可以承受雷電侵入時產生的過電壓，串聯電感線圈和并聯電容構成的輔助防雷濾波裝置可以得到有效保護。此時安裝于電感兩端的避雷器也構成雷電流流通路徑，參與泄放雷電流，且避雷器在有效保護范圍內，L-C型輔助防雷濾波裝置的絕緣水平可以滿足要求。

5.2 換流站直流母線短路

以換流站直流母線為研究對象，當直流母線處發生短路故障時，由于并聯電容的泄能作用，L-C型輔助防雷濾波裝置會對直流系統進行放電，將對直流側設備產生影響。在直流母線處設置金屬性接地故障，故障持續時間為0.01 s，過電壓計算波形如圖10所示。仿真結果表明，由于直流母線短路和并聯電容放電，直流開關場設備過電壓幅值為569.5 kV，換流站出口處極線電壓為692.3 kV，輔助防雷濾波裝置電感兩端電壓為57.5 kV，并聯電容對地電壓為590.5 kV，均不會對相應設備產生損壞。

圖10 直流母線短路時設備過電壓波形

5.3 直流濾波器阻抗-頻率特性分析

本文中直流濾波器為12/24/36三調諧濾波器，其結構如圖11(a)所示。其中L1=17.074 mH、L2=17.052 mH、L3=3.319 mH、C1=1 μF、C2=2.698 μF、C3=3.712 μF。其阻抗-頻率特性如圖11(b)所示。

圖11 直流濾波器結構及阻抗-頻率特性

加裝L-C型輔助防雷濾波裝置相當于在直流線路上串聯一個電感和并聯一個電容。由圖11(b)可知，無論是否考慮L-C型輔助防雷濾波裝置的影響，直流濾波器在諧振點處都呈現低阻抗，可有效地濾除對應的特征諧波，因此加裝L-C型輔助防雷濾波裝置不會改變直流濾波器的運行特性。

6 結論

提出一種輔助抑制換流站直流側雷電過電壓和高頻諧波的方法，該方法在換流站出口處加裝一組由串聯電感線圈和并聯電容組成的L-C型輔助防雷濾波裝置。研究結果表明：

(1)直流側發生繞擊和反擊故障時，L-C型輔助防雷濾波裝置能有效降低直流開關場設備、直流母線設備、平波電抗器兩端和中性母線過電壓，提升絕緣裕度；同時，L-C型輔助防雷濾波裝置能有效抑制高頻諧波分量，對電壓畸變起到良好的抑制效果。

(2)對L-C型輔助防雷濾波裝置進行合理保護配置能降低線路發生雷擊時對其產生的影響；L-C型輔助防雷濾波裝置不會改變直流濾波器的特性；直流母線發生短路時，并聯電容的放電不會對直流側設備產生損壞。

(3)提出的L-C型輔助防雷濾波裝置結構簡單，抑制效果良好，可作為實際工程的一種可行方案，但L-C型輔助防雷濾波裝置的過電壓保護配置需根據實際工程進行專門設計。