基于故障錄波器的直流濾波器接地故障分析方法*

孫 玥 ，孫小羊 ，魏欣

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能交通學(xué)院,江蘇 南京 210023；2.三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210012)

高壓直流(High Voltage Direct Current,HVDC)輸電在遠(yuǎn)距離大容量輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn),在我國西電東送和全國聯(lián)網(wǎng)工程中起到了重要作用。目前電力系統(tǒng)中發(fā)電和用電的絕大部分均為交流電,因此要采用高壓直流輸電就必須進(jìn)行AC-DC 變換。換流閥在工作時(shí)會在直流側(cè)產(chǎn)生特征諧波和非特征諧波。考慮到諧波的危害有很多,一般采用架空線路的直流輸電工程都會在換流站的平波電抗器之后配置直流濾波器來降低諧波對直流系統(tǒng)的影響。直流濾波器發(fā)生故障引起的強(qiáng)迫停極對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行沖擊較大,尤其是強(qiáng)直弱交的交流電網(wǎng)[1-2]。

直流濾波器故障分析已經(jīng)有不少的研究成果,主要集中在對直流濾波器的過電壓與絕緣配合、故障及保護(hù)進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[3]借助PSCAD 軟件對三調(diào)諧直流濾波器的高壓側(cè)電容器的故障及其不平衡電流保護(hù)進(jìn)行仿真分析。文獻(xiàn)[4]從實(shí)際工程的角度借助故障錄波軟件實(shí)現(xiàn)了對直流濾波器典型接地故障的定性分析,對直流濾波器的故障分析具有一定實(shí)際指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[5]分析了高壓側(cè)電容器高壓端子對地短路時(shí)直流濾波器各元件的暫態(tài)電壓應(yīng)力及避雷器承受的暫態(tài)電壓和電流,給出了當(dāng)雷電波侵入直流母線時(shí)避雷器的絕緣配合問題,但是研究比較淺顯,沒有對直流濾波器的故障進(jìn)行深入分析。文獻(xiàn)[6]研究了直流濾波器過電壓分析及絕緣配合問題,在理論分析的基礎(chǔ)上采用PSCAD/EMTDC 4.2.1電磁暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證,相關(guān)結(jié)論可為±1 000 kV 直流濾波器的絕緣配合問題提供參考。文獻(xiàn)[7]研究了在直流系統(tǒng)不同運(yùn)行工況下±1 000 kV 直流濾波器典型故障下的過電壓和暫態(tài)特性,分析了直流濾波器的絕緣配合問題。上述文獻(xiàn)都是依靠現(xiàn)有的電磁暫態(tài)仿真軟件如PSCAD/EMTDC 對直流濾波器進(jìn)行故障仿真分析,尚未見采用故障錄波器并結(jié)合直流濾波器的狀態(tài)空間方程分析法進(jìn)行故障仿真分析的報(bào)道。

為此,詳細(xì)建立了直流線路遭受外部雷擊情況下的直流濾波器內(nèi)部故障的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間方程,采用隱式歐拉法獲得該狀態(tài)空間方程的數(shù)值解,從而對直流濾波器各元件的接地故障進(jìn)行反演。為了準(zhǔn)確反演出故障暫態(tài)特性,以故障錄波器記錄的極母線和中性線電壓作為雷電沖擊電壓源,根據(jù)仿真結(jié)果判斷直流濾波器各元件的絕緣受損情況,為直流濾波器實(shí)際運(yùn)維中的故障分析提供了一條有效的技術(shù)途徑。

1 直流濾波器的結(jié)構(gòu)及電流差動保護(hù)判據(jù)

當(dāng)直流濾波器發(fā)生接地故障后,系統(tǒng)內(nèi)部濾波諧振回路被改變,不僅影響直流系統(tǒng)的濾波效果,還會導(dǎo)致直流濾波器因過流或過壓而損毀,甚至?xí)?dǎo)致直流輸電系統(tǒng)停極或緊急停運(yùn)。對此,工程上的做法是給直流濾波器配置由首、尾端電流互感器構(gòu)成的差動保護(hù)[1-2]。

如圖1 所示為2/12/36 三調(diào)諧直流濾波器的實(shí)際工程接線圖。WP 是直流極母線,WN 是直流中性母線。T8表示電子式電流互感器,通常稱為高壓側(cè)光電流互感器；T1、T2和T3是H 橋式電容器塔的不平衡光CT(CT 為電流互感器的英文縮寫)。T4、T5、T6和T7都是電磁式電流互感器。T4和T8測量的電流值用來構(gòu)成直流濾波器的電流差動保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)[8-9]。高壓側(cè)直流電容器C1承受極直流母線高電壓且隔離直流電壓,考慮到直流泄露電阻的作用,構(gòu)成電容器C1的電容器單元內(nèi)部應(yīng)并聯(lián)均壓電阻,從而可以有效降低均衡電壓防止單支電容器單元發(fā)生內(nèi)部擊穿[10]。F1是電抗器L1兩端避雷器；F2是低壓電容器C2兩端避雷器；F3是低壓電容器C3兩端避雷器；F4是電抗器L1高壓端避雷器。

圖1 2/12/36 三調(diào)諧直流濾波器接線圖

直流濾波器只單純地濾除直流側(cè)的特定諧波電流,不參與無功補(bǔ)償,因此不涉及到直流濾波器的控制[11]。關(guān)于直流濾波器的電流差動保護(hù),高壓側(cè)光電流互感器測得的電流瞬時(shí)值記為iz1,濾波器末端電磁式CT 測得的電流瞬時(shí)值記為ifilt,按照下列公式計(jì)算出相應(yīng)的有效值并求得差動電流值Idiff。

直流濾波器差動保護(hù)的動作邏輯定義如下:

(1)若Idiff＞40 A,延時(shí)2 050 ms,且高壓側(cè)光CT測得電流有效值滿足｜Iz1｜＜180 A,且高壓側(cè)光CT和末端電磁式CT 均無測量故障,則隔離直流濾波器(DCF_DIFF_disconnect)；

(2)若Idiff＞40 A,延時(shí)2 050 ms,且高壓側(cè)光CT測得電流有效值滿足｜Iz1｜＞180 A,且高壓側(cè)光CT和末端電磁式CT 均無測量故障,則極閉鎖直流濾波器(DCF_DIFF_block)。

2 直流濾波器的接地故障建模

按照故障接地點(diǎn)的不同,一般可以將直流濾波器接地故障分為直流濾波器高壓側(cè)電容區(qū)接地故障以及電容區(qū)以下電抗器(調(diào)諧區(qū))接地故障。文中將重點(diǎn)對這兩種接地故障情形進(jìn)行故障反演分析。

2.1 直流濾波器無故障情況下的狀態(tài)空間模型

利用故障錄波器采集到的極母線電壓udl和中性線電壓udn作為雷電沖擊電壓源,分析在該電壓作用下電抗器L1、L2和L3的高壓側(cè)對地暫態(tài)雷電過電壓,從而分析電抗器發(fā)生閃絡(luò)故障的原因。圖2為在雷電沖擊電壓下直流濾波器內(nèi)部無故障情況下的等效電路,表1 為一組2/12/36 三調(diào)諧直流濾波器元件參數(shù)值。

圖2 雷電沖擊電壓下直流濾波器的等效電路圖

表1 2/12/36 三調(diào)諧直流濾波器元件參數(shù)

由圖2 列出雷電沖擊電壓下直流濾波器內(nèi)部無故障情況下等效電路的微分方程為:

式中:u1、u2、u3分別表示相應(yīng)的電容電壓；分別表示相應(yīng)的電容支路電流；分別表示相應(yīng)的電感支路電流；表示電感L1兩端的電壓。

此外,根據(jù)圖2 中的拓?fù)潢P(guān)系,可以列寫出以下方程:

聯(lián)立式(2)和式(3),微分方程可以寫成:

式中:A＝diag(C1,C2,C3,L1,L2,L3)；狀態(tài)變量x＝[u1,u2,u3,]T；

至此,建立了雷電沖擊電壓下直流濾波器在無故障情況下狀態(tài)空間方程。

2.2 直流濾波器高壓側(cè)電容C1 接地故障建模

高壓側(cè)電容器C1共三個(gè)H 橋式電容器塔并聯(lián)組成的,其中單個(gè)H 橋式電容器塔的每個(gè)橋臂是由29 個(gè)單支電容器串聯(lián)構(gòu)成的,其示意圖如圖3 所示。三個(gè)H 橋式電容器塔在直流場呈“品”字型布置,采用支撐式絕緣子與地面保持一定的距離,且絕緣子的外表面都噴涂PRTV 絕緣涂料,可有效地避免沿面閃絡(luò)。已知單支電容器的電容值為10.15 μF。文中選取單個(gè)H 橋式電容器塔上橋臂發(fā)生接地故障,其中接地電阻為Rf,此時(shí)相應(yīng)的等值電路見圖4 所示。在上節(jié)的分析基礎(chǔ)上建立直流濾波器狀態(tài)空間方程,即:

圖3 高壓側(cè)電容C1 接地故障示意圖

圖4 高壓側(cè)電容C1 接地故障的等效電路圖

至此,建立了雷電侵入波下直流濾波器電抗器高壓側(cè)電容C1上橋臂接地故障情況下直流濾波器狀態(tài)空間方程。

2.3 直流濾波器電抗器L1 接地故障建模

電抗器L1和高壓側(cè)電容器C1構(gòu)成串聯(lián)諧振[12-13],也是雷電侵入波下容易遭受過電壓沖擊的元件。如圖5 所示,假設(shè)接地故障發(fā)生在L1的低壓側(cè),接地電阻為Rf。實(shí)際上在直流場中L1對地依靠柱型支撐絕緣子保持一定的距離,且支撐絕緣子的外表面都噴涂PRTV 絕緣涂料,提高了支撐絕緣子的憎水性和絕緣水平。在上節(jié)的基礎(chǔ)上改變直流濾波器狀態(tài)空間方程式(4)中矩陣B和列向量w相應(yīng)位置的元素,即:

圖5 濾波器電抗器L1 接地故障示意圖

至此,建立了雷電侵入波下直流濾波器電抗器L1低壓側(cè)發(fā)生接地故障情況下狀態(tài)空間方程。

3 直流濾波器接地故障反演分析

從圖2 可知直流濾波器的等效電路是典型的LC振蕩回路,為了避免計(jì)算出不真實(shí)的暫態(tài)過電壓值,消除原發(fā)性的數(shù)值振蕩,因此選擇L-穩(wěn)定的隱式歐拉法對直流濾波器狀態(tài)方程進(jìn)行求解[14],具體的分析結(jié)果如下。經(jīng)驗(yàn)證在下面的故障情況下,由于雷電沖擊波的侵入時(shí)間比較短,假設(shè)在侵入期間直流濾波器發(fā)生接地故障,也不會造成直流濾波器的差動保護(hù)動作[15-17]。

3.1 電抗器L1 接地故障仿真

該仿真場景是在外部發(fā)生雷擊直流線路時(shí),雷電波侵入直流場造成直流濾波器發(fā)生明顯的弧光閃絡(luò)現(xiàn)象[18]。如圖6 所示,故障錄波器的采樣頻率為10 kHz,接地電阻Rf＝200 Ω。為了計(jì)算的方便不采用插值算法,隱式歐拉法的計(jì)算步長為0.1 ms,仿真結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖6 電抗器L1 接地故障時(shí)的過電壓波形

圖7 電抗器L1 接地故障時(shí)的暫態(tài)沖擊電流波形

圖6 是外部發(fā)生雷擊故障時(shí)的電抗器L1高低壓端子對地的過電壓波形,根據(jù)文獻(xiàn)[6]中直流濾波器的雷電及操作電壓沖擊耐受水平可知,電抗器L1高壓端子對地的最大過電壓幅值為538.7 kV,離高壓端子對地的雷電沖擊耐受水平(Lightning Impuls withstand Level,LIWL)值830 kV 還有較大的裕度值(35%),且該值和操作沖擊耐受水平(SIWL)值640 kV 之間的裕度值為15.8%,這些值均符合直流濾波器的電抗器L1絕緣水平設(shè)計(jì)要求,因此該雷電沖擊電壓不會對電抗器L1的主絕緣造成威脅。

考慮到故障錄波器采樣頻率,可能沒有捕獲到實(shí)際極母線雷電沖擊電壓的最大值,且采用的數(shù)值算法的精度僅為1 階,因此,對電抗器L1內(nèi)部繞組的主絕緣是否被破壞無法做出確定的判斷,實(shí)際中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場停電檢修進(jìn)行電抗器L1的相關(guān)電氣試驗(yàn)以進(jìn)一步驗(yàn)證仿真的結(jié)論是否合理。

此外,考慮到電抗器L1是干式空心電抗器,其繞組耐受沖擊的能力和電抗器匝間應(yīng)力都受到最大暫態(tài)電流的影響[19-20],如圖7 所示,在雷電沖擊波侵入直流場瞬間電抗器L1的最大電流可達(dá)5.29 kA,但是由于阻尼電阻R1的作用和雷電侵入波的自身的衰減,該暫態(tài)沖擊電流很快就振蕩衰減掉了,因此不會對電抗器L1匝間繞組的絕緣性能造成破壞[21-22]。

3.2 高壓側(cè)電容器C1 接地故障仿真

該仿真場景是模擬直流線路在遭受雷擊故障后直流濾波器各元件的過電壓情況。圖4 所示是模擬高壓側(cè)電容器C1的某個(gè)電容器塔的上橋臂發(fā)生對地短路時(shí)的等效電路圖。記某個(gè)高壓電容器塔的上橋臂頂部到故障點(diǎn)間單支電容器數(shù)a占整個(gè)上橋臂總電容數(shù)的百分比為α＝a/29,可見α值越小表示故障點(diǎn)距離直流母線越近,故障后果越嚴(yán)重。

仿真中,故障錄波器的采樣頻率、故障接地電阻值以及算法的積分步長和上一節(jié)保持不變。此時(shí)根據(jù)故障錄波器記錄的極母線電壓波形可知,高壓側(cè)電容器C1遭受的最大雷電沖擊電壓值離高壓側(cè)電容器C1的雷電沖擊耐受水平(LIWL)值1 950 kV 和操作沖擊耐受水平(Switching Impulse Withstand Level,SIWL)值1 600 kV 還留有很大絕緣配合裕度[6],因此不會發(fā)生絕緣擊穿問題,此時(shí)重點(diǎn)關(guān)注電抗器L1高壓側(cè)端子在操作過電壓作用下的絕緣配合問題。仿真結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

圖8 高壓側(cè)電容器C1 接地故障時(shí)電抗器L1的過電壓波形

圖9 高壓側(cè)電容器C1 接地故障時(shí)電抗器L1的暫態(tài)沖擊電流波形

從圖8、圖9 可知,當(dāng)故障點(diǎn)距離高壓側(cè)電容器C1的高壓側(cè)端子越近,故障后的電抗器L1高壓側(cè)端子的過電壓和暫態(tài)沖擊電流幅值越大,但在最極端的情況下即電抗器L1高壓側(cè)端子的最大過電壓值為577.2 kV(故障點(diǎn)在a＝1 處),也不會對電抗器L1繞組的主絕緣造成威脅。

4 結(jié)論

文中提出了一種基于故障錄波器的直流濾波器故障反演方法。建立了直流濾波器的內(nèi)部元件故障時(shí)的等效電路結(jié)構(gòu)并列出了標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)空間方程。針對不同接地故障情形,運(yùn)用隱式歐拉法得到狀態(tài)空間方程的數(shù)值解從而進(jìn)行故障反演。此外,通過故障反演進(jìn)一步分析直流濾波器內(nèi)部故障發(fā)生的原因以及相關(guān)保護(hù)動作情況。根據(jù)反演的結(jié)果并且結(jié)合差動保護(hù)判據(jù)以及直流濾波器絕緣配合參數(shù),可知在該次雷擊侵入波下各電抗器的主絕緣有沒有遭到破壞。