（高电压与绝缘技术专业论文）特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究.pdf

_ _ 8 0 0 k v 特高压直流输电系统内部过电压 计算及过电压研究 摘要 根据我国电网发展战略，我国将建设8 0 0 k v 特高压直流电网。 目前国内外无建设和运行经验，因此需要对特高压直流系统的过电压 进行研究。 直流系统内部过电压包括交流侧内部过电压和直流侧内部过电 压。对于交流侧过电压主要由系统操作、故障和甩负荷引起；对于直 流侧过电压可以来自交流系统、直流线路或者换流设备各个端子处短 路以及直流系统的其他操作等操作和故障。直流系统过电压由氧化锌 避雷器加以限制保护。 本文通过电磁暂态分析软件p s c a d e m t d c ，搭建了特高压直流系 统过电压仿真计算模型。仿真研究时，首先计算了系统正常运行时电 压情况。以此为基础，计算了交流侧母线短路故障、直流侧及直流线 路短路故障、逆变侧永久丢失触发脉冲故障以及逆变侧最后一台断路 器跳闸的过电压情况和直流系统各避雷器工况。 通过对特高压直流系统的过电压仿真计算，得到了特高压直流系 统过电压研究的部分基础数据。通过对计算结果对比总结出交流母线 短路故障时和逆变侧甩负荷时，整个直流系统过电压较大。对比 5 0 0 k v 直流系统过电压标准，逆变侧甩负荷时的过电压较大，可以通 过系统控制保护等方法加以限制。系统发生直流侧故障时，非故障极 会感应出较大过电压，同时一极直流线路中点短路时对直流系统影响 最大。 关键词：+ 8 0 0 k v 特高压直流过电压p s c a d e m t d c t h es t u d ya n ds i m u la t t i o no fs w i t h i n g o v e r v o i j a g ef o r 士8 0 0 k vu h v d cs y s t e m a b s t r a c t i nt e r m so ft h eg e n e r a ls t r a t e g yo f0 1 1 1 c o u n t r y sp o w e rs y s t e m d e v e l o p i n g ，a f t e rt h o r o u g h l yp r o o v e d ，t h e 士8 0 0 k vu h v d c w i l lb ew e l l d e v e l o p e d s ot h eo v e r v o l t a g es h o u l db es t u d yw e l l t h ei n n e rv o l t a g eo fd cs y s t e mc o m e sf r o mb o t ha ca n dd c p a r t i t m a y b ea cb u sf a u l t ，l a s tb r e a ko fa c p a r tt r i p ，d cl i n ef a u l t ，d cp a r tf a u l t a n de t c s u r g ea r r e s t o rm o ai su s e df o rv o l t a g ep r o t e c t i o n f o rt h e s t u d yo ft h eo v e r v o l t a g eo fu h v d c ，t h e r ei s am o d e l c o n s t r u c t e db yp s c a d e m t d c f i r s to fa l l ，t h en o r m a ls i t u a t i o ni s s i m u l a t e d a n dt h e ns e v e r a ls i t u a t i o n sa r ec o n s i d e r e d ，s u c ha sa cb u s s h o r tf a u l ta n dl a s tb r e a kt r i p ，d cl i n ef a u l t b yt h es i m u l a t i o n ，t h eb a s i cv o l t a g ed a t ao fu h v d cs y s t e mi sg o t a n dw h e na cb u sf a u l ta n dl a s tb r e a k t r i p ，t h ev o l t a g e i sm o r e s e r i o u s w h e nd c p a r tf a u l t ，t h en o r m a lp o l ew i l lg e n e r a t eh i g hv o l t a g e t o c o m p a r e dw i t h 士5 0 0 k vh v d cs y s t e m ，t h ev l t a g eo fa cb u si sal i t t l e h i g h e r ，s os o m es t e m p ss h o u l db et a k e n ，s u c ha ss e t t i n gt h ec o n t r o lt i m ea l i t t l ee a r l i e r k e yw o r d s ：士8 0 0 k vu h v d c o v e r v o l t a g e p s c a d e m t d c 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 耋磅篆 学位论文使用授权说明 2 。9 年7 月日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 阂即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝储繇徘 导师签名：挈小列巳2 0 0 9 年7 月日 特高压，l 流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 1 1 研究背景1 1 第一章绪论 随着输电容量增大，长距离输电的需求，输电技术不断进步，电压等级不断 提高。我国经过近2 0 年的前期研究和论证过程，已经证明我国发展特高压是必 要且切实可行的，其中特高压直流输电系统电压等级由现在运行的+ 5 0 0 k v 提高 到士8 0 0 k v 。由于目前国内外均无建设和运行先例，因此关于特高压直流的关键 技术研究需要深入开展，尤其是过电压研究。直流系统的过电压研究，确定合 适的换流站绝缘水平是换流站设计、建造和调试以及达到稳定运行的基础，最终 保证系统安全、稳定、经济运行。 1 2 高压直流的发展 1 2 1 世界直流输电的发展 电力技术的发展是从直流电开始的，早期的直流输电从直流电源送往直流负 荷，不需要经过换流，即发电、输电、用电均为直流电。随着三相交流发电机、 变压器的迅速发展，交流电很快取代了直流电，开始大规模发展从而占据了输电 领域的统治地位。 尽管如此，直流电在输电领域依然有着交流输电无法比拟的优点，因此直流 输电的开发和研究也从未停止过。1 9 2 8 年具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功， 不但可以用于整流，同时也解决了逆变的问题，从而使直流输电成为现实。1 9 5 4 年，瑞典通过9 6 k m 的海底电缆输送- 4 - 1 5 0 k v ，3 0 m w 的直流功率，是世界上第一 条工业性高压直流输电线路。1 9 7 7 年最后一个采用汞弧阀换流的直流工程，即 加拿大纳尔逊河一期工程建成，输送电压+ 4 5 0 k v 。至此，世界上已经有1 2 项直 流线路。之后高压大功率晶闸管的问世，有效地改善了直流输电的运行性能和可 靠性，使得高压直流输电得到了阶跃性的发展。2 0 世纪9 0 年代以后，新型半导 体器件的开发和应用，为直流输电创造了更为广阔的前景。 目前世界上的正式投入运行的高压直流线路已经超过9 0 多条。在已经运行 的直流工程中，架空线路最高电压和最大输送容量的工程是巴西伊泰普直流工 程，为士6 0 0 k v ，6 3 0 0 m w ；电缆线路的最大输送容量是英法海峡直流工程，为 2 0 0 0 m w ，最高电压和最长距离是瑞典一德国的波罗地海直流工程，为4 5 0 k v ， 2 5 0 k m ；背靠背换流站是俄罗斯一芬兰之间的维堡直流工程，为1 0 6 5 m w 。 特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 1 2 2 我国直流输电的发展晗1 我国的直流输电技术起步较晚，是在1 9 5 8 年考虑长江三峡水力资源开发以 及三峡电站的电力外送问题时提出的。1 9 6 3 年在中国电力科学研究院建成1 0 0 v 、 5 a 的直流输电物理模拟装置，并且逐渐对其进行技术更新和改造。1 9 7 4 年在西 安高压电器研究所建成8 5 k v 、2 0 0 a 容量为1 7 m w 的背靠背换流试验站。1 9 7 7 年在上海利用杨树浦发电厂到九龙变电所之间的2 3 k v 交流报废电缆，建成 3l k v 、1 5 0 a 、4 6 5 m w 的直流输电试验工程。 2 0 世纪8 0 年代，我国开始建设直流输电工程，截止2 0 0 8 年，已经正式投 运的直流线路已达1 0 条，分别是： 浙江舟山直流输电线路( 1 9 8 7 年投运) ，为+ 1 0 0 k v ，1 0 0 0 m w ，输送距 离5 5 k m ( 其中水下电缆1 2 k m ) 。该工程是我国第一个直流输电试点工 程，自主设计、制造、施工、调试和运行，为我国发展直流输电进行了 探索。 葛洲坝一上海南桥线路( 1 9 8 9 年投运) ，为双极，+ 5 0 0 k v 、1 2 0 0 a 、 1 2 0 0 m w ，输送距离1 0 4 5 k m 。该线路是我国第一个跨地区、跨系统的超 高压、远距离直流输电工程。该工程既解决了葛洲坝电站向华东上海地 区的送电问题，又实现了华中与华东两大电网的非同期联网，同时具有 输电和联网的双重功能。 天生桥一广东直流线路( 2 0 0 0 年投运的) 为双极，+ 5 0 0 k v 、1 8 0 0 a 、 1 8 0 0 m w ，输送距离9 6 0 k m 。该工程为西电东送工程的一部分，它和天 广5 0 0 k v 交流输电工程形成交直流并联的输电系统。工程建设的目的是 解决天生桥水电站以及云南、贵州多余电力向广州负荷中心的送电问 题。 嵊泗直流线路( 2 0 0 2 年建成) ，为双极，+ 5 0 k v 、6 0 0 a 、6 0 m w ，全长 6 6 2 k m ，其中5 9 7 k m 为海底电缆，6 5 k m 为架空线路。该工程是我国自 己设计和建造的另一个小功率双极跨海直流工程，主要解决从上海向嵊 泗岛及宝钢马迹山码头的送电问题，同时也考虑到当嵊泗岛上风力发电 发展到一定规模时，也具有向上海反送的功能。 三峡一常州直流输电线路( 2 0 0 3 年投运) ，为双极，+ 5 0 0 k v 、3 0 0 0 a ， 3 0 0 0 m w ，输送距离8 9 0 k m 。该工程输主要为解决三峡水电站向华东电 网的送电问题，同时也加强了华中与华东两大电网的非同期联网。该工 程在引进设备的同时也进行了技术引进和技术转让，部分主要设备由国 内制造。 三峡广东直流输电线路( 2 0 0 4 年双极投运) ，为双极，士5 0 0 k v 、3 0 0 0 a 、 2 广西大学硕士掌位论文特高压直流输电系统内部过电压 i t 算及过电压保护研究 3 0 0 0 m w ，输送距离为9 6 0 k m 。该工程主要为解决三峡水电站向广东的 电力输送以及实现华中与华南电网的非同期联网。 贵州一广东i 回直流输电线路( 2 0 0 4 年投运) ，为双极，+ 5 0 0 k v 、3 0 0 0 a 、 3 0 0 0 m w ，输送距离8 8 0 k m 。该工程是西电东送工程，主要解决西南水 电与火电向广东珠江三角洲负荷中心的送电。 灵宝背靠背直流线路( 2 0 0 5 年投运) ，为双极，- 4 - 1 2 0 k v ，3 0 0 0 a 、3 6 0 m w 。 该工程是由于西北火电和水电开发，实现西北向华北送电，加强西北、 华北电网互联而建。值得一提的是，灵宝背靠背直流工程是我国第一个 背靠背直流工程，均采用国产设备，是直流输电“自主化”的示范工程。 三峡一上海直流输电工程( 2 0 0 6 年投运) ，额定电压+ 5 0 0 k v ，输送容量 为3 0 0 0 m w ，输送距离10 4 0 k m 。 贵州一广东回直流线路( 2 0 0 7 年投运) ，额定电压士5 0 0 k v ，输送容量 3 0 0 0 m w ，输送距离1 2 2 5 k m 。该工程是我国黔电送粤的第二条大通道， 同时也是我国直流设备成套设计进程中的重要工程。 1 3 特高直流输电的特点和应用前景 1 3 1 特高压直流输电的特点 目前国际上对于特高压直流的定义尚无统一的标准。在我国对于直流输电是 以士6 0 0 k v 来界定，土6 0 0 k v 及以下称为高压直流，+ 6 0 0 k v 以上称为特高压直流。 特高压直流输电同样有高压直流的特点，而且由于电压等级的升高能够将高压直 流的优点更好的发挥。 特高压直流输电的优点简要概括如下【2 】【3 】【4 】【5 】【6 】： 输送功率相同，直流线路造价低。架空线路杆塔结构简单，同绝缘水平 的电缆可以运行于较高的电压，线路走廊窄，线路损耗小，线路运行费 用也较省。 两端交流电力系统无需同步运行，输电距离不受电力系统同步运行稳定 性的限制，还可以用来提高与直流线路并列运行的交流输电系统的稳定 性。 直流线路电流和功率可实现各种调节控制；直流线路的短路电流较小， 交流系统用直流线路互联之后，短路容量基本不会增大。 实现不同频率和相同频率交流系统之间的非同步联系，有很好的技术经 济效益，又可避免大面积停电事故发生。 在导线几何尺寸和电压有效值相等的条件下，电晕无线电干扰小。 特高压，l 流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 线路在稳态运行时无电容电流，沿线电压分布较平稳，线路部分不需要 无功补偿。 每个极可以作为一个独立回路运行，当一个极发生故障时，健全极仍可 以送一部分功率，而且换流器也可以分段扩建，所以便于分期建设和投 资。 当然，直流输电对于交流输电来说也有一定的缺点。直流换流站比交流站设 备多，结构复杂，而且对于交流侧来说，换流器同时是谐波电流源，晶闸管需要 在换流时消耗大量的无功功率，要安装较多的无功补偿装置。当直流输电以大地 作为回流电路时，会引起沿途金属构件和管线的腐蚀。 另外，特高压直流输电又有着不用于高压直流输电的特点，这些特点决定了 特高压直流输电能够更好的发挥直流输电的优点，并且在技术上需要有更深入的 研究、论证。现将其特点说明如下： 直流电压高，为士8 0 0 k v 。因此对与电压相关的设备( 如高压端换流变、 穿墙套管、避雷器) 以及与此相应的研究提出了更高的要求。而且特高 压直流整流站将建在西南地区，面临着高海拔、重履冰。重污秽等问题。 由电压升高带来的问题是从高压直流发展特高压直流要解决的首要问 题。 直流电流大，送电容量大。规划中的特高压直流工程，直流电流将达到 31 5 0 a 和4 0 0 0 a ，输送容量将达到5 0 0 0 m w 以及6 4 0 0 m w 。 输送距离远。规划中的输送距离长达甚至超过2 0 0 0 k m 。 1 3 2 特高压直流输电的应用前景1 5 j 1 9 】 结合我国能源分布及应用现状，综合论证直流输电的优缺点得出结论：我国 发展+ 8 0 0 k v 特高压直流输电工程必要而且切实可行【5 】。发展特高压直流能够实 现跨大区、跨流域的水火互济，提高能源利用率。对比现有的+ 5 0 0 k v 高压直流 输电，+ 8 0 0 k v 的特高压直流输电方案的单位输送容量投资约为+ 5 0 0 k v 直流输电 方案的7 2 。特高压直流输电更加适用于远距离、大容量的电力输送。我国能 源分布集中在西部，金沙江和云南的水能位于我国第一个海拔梯级，蕴藏着丰富 的水能资源。与此同时电力应用又集中在东部沿海，尤其是华东和广东地区。因 此远距离、大容量输电势在必行。 我国经过2 0 多年直流输电工程的发展以及反复的技术论证，目前国内已经 投入运行的+ 5 0 0 k v 直流输电不能完全满足电能输送的要求，而士8 0 0 k v 特高压直 流在技术上可以实现。发展特高压直流输电能够满足我国不断增长的电力需求， 缓解土地压力，节约输电走廊，很好的实现“西电东送，南北互供、全国联网”， 4 广西大学硕士掌位论文特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 从而优化我国资源和能源供给的优化配置。目前国家电网已经拟定了特高压直流 输电的初步发展规划，拟定在2 0 2 0 年前后西部水电的大部分电力将通过直流特 高压向华中、华东一带输送，其中金沙江一期溪洛渡、向家坝水电站，二期乌东 德和白鹤滩水电站向华东、华中地区送电，锦屏水电站向华东地区送电，宁夏鹤 关中地区煤电基地向华东地区送电、呼伦贝尔的煤电基地向京津地区送电，大约 有9 条输电容量为6 g w 的8 0 0 k v 特高压线路在规划中( 其中包括国家电网规 划建设的向家坝匕海) 。同时南方电网负责建设的云南广东- 4 - 8 0 0 k v 特高 压直流输电线路，将云南的电力资源向广东输送。 1 4 存在的问题及课题研究的意义n 叭川n 2 1 从世界范围来看，目前投入运行的最高直流电压的只有巴西伊泰普工程，为 士6 0 0 k v 。我国要发展士8 0 0 k v 电压等级的特高压直流输电，虽然经多方论证在技 术上可以实现，但仍然属于世界先例，国内外均无任何建设和运行经验。对比要 建设的+ 8 0 0 k v 特高压直流输电与已经稳定运行的+ 5 0 0 k v 级直流系统，二者又有 着很大不同，并且西南水电送出工程还面临着高海拔、重履冰、重污秽等问题。 因此对特高压直流系统过电压的研究是发展特高压直流的一个根本的技术研究， 也是我国大力发展特高压直流输电必须要突破的首要问题之一。 建设特高压输电系统的最基本的问题之一就是确定线路和变电设备的绝缘 水平。随着系统电压从+ 5 0 0 k v 提高到士8 0 0 k v ，绝缘费用在建设总投资中所占的 比重加大，因而正确选择绝缘配合问题显得更为重要。绝缘配合的中心问题具体 来说就是确定过电压水平。由于电力发展的历史原因，在交流系统的过电压与绝 缘配合方面已经进行了比较充分的研究，积累起大量的经验和数据，也有比较成 熟与完善的过电压保护措施和绝缘配合方法。与此相反，在直流输电系统的过电 压与绝缘配合方面研究得并不多，实际经验缺乏，尚未建立成熟的技术标准，因 此对于特高压直流输电系统的过电压研究需要大量的深入研究。 1 5 本文的主要工作 广泛收集资料得至l j 4 - 8 0 0 k v 特高压直流系统数据，利用电磁暂态仿真软 件p s c a d e m t d c 构建特高压直流系统过电压研究模型 针对特高压直流系统正常工作时工况进行仿真研究，保证正常运行时无 过电压情况产生，避雷器不动作，排除由于其他原因造成的过电压 针对特高压系统直流侧、交流侧、直流线路侧的故障进行仿真研究，研 广西大掌硕士掌位论文特高压l 流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 究在各种故障下过电压情况和避雷器工况 对仿真研究结果对特高压直流系统的过电压特点进行总结，为特高压直 流工程的建设、调试以及今后的运行提供参考，并结合目前运行经验 对限制过电压提出了一定的方法。 6 广西大掌硕士掌位论文 特高压，l 流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 第二章直流系统内部过电压 2 1 内部过电压概述 过电压分外部过电压和内部过电压。本文针对内部过电压研究。电网内部由 于断路器操作和各类故障，使系统参数变化引起电磁能量的振荡转化和传递而出 现的电压升高称之为内部过电压。 内部过电压分为两类：操作过电压和暂时过电压。因操作和故障引起的瞬间 ( 以毫秒计) 电压升高，称为操作过电压。操作过电压有幅值高、存在高频振荡、 阻尼较强的特点。在瞬间过程完毕之后出现的稳态性质的工频电压升高和谐振现 象称为暂时过电压，这类过电压具有一定的稳态性质，但是只是短时产生或者不 容许持久存在。 内部过电压的能量来自于电网本身，并在额定电压基础上振荡产生，故其幅 值大体与额定电压的大小成正比关系。 2 2 直流系统的内部过电压n 3 1 4 1 直流系统的过电压，尤其内部过电压，产生的机理和出现频度，以及幅值、 波形与交流系统相比有很大的差别。直流避雷器的工作条件、作用原理、结构和 保护性能和交流避雷器也大不相同。各种绝缘结构在直流系统各种电压作用下的 电气特性也和交流条件下不完全一致。如在第一章所述，交流系统的过电压研究 已经比较充分，积累了大量的经验和数据，已经建立了成熟的标准。在研究和处 理直流系统过电压保护绝缘配合的问题时，一般1 ) 直接研究直流系统过电压及 其对绝缘特性的影响，从而为过电压保护提供理论依据与技术参数；2 ) 将直流 系统中的绝缘性能与交流系统中的绝缘性质进行对比，从中找出内在联系和换算 方法，这样也有助于将成熟的交流系统过电压推广到直流系统。 直流输电系统中设备较多而且内部过电压种类也较多。一般来说，将直流输 电系统划分为几个区域进行研究，参见直流系统单极单侧的结构图2 1 所示。 1 ) 单极和双极直流线路及其终端设备( 例如直流侧滤波器) 2 ) 换流站的直流侧，包括：隔离开关、平波电抗器、阀、旁通阀、旁通开 关，以及换流变压器的阀侧绕组。 3 ) 换流站的交流侧，包括：换流变压器的网侧绕组、断路器、交流侧滤波 器以及通过变压器接入的同步调相机。 4 ) 交流电网。 7 广西大学硕士掌位论文特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 图2 - 1 直流系统单侧单极结构图 f i g 2 1d cs y s t e ms t r u c t u r ed r a w i n go fm o n o p o l e 换流站设备绝缘的正常工作条件不仅取决于工频最大工作电压，而且也取 决于带脉动的直流电压与换相过程所造成的电压跃变与振荡。 直流系统内部过电压的起因较多，举例说明如下： 1 ) 交流系统的操作过电压波会通过换流装置传送到直流侧，阀桥的串联使 过电压增大的倍数接近于串联桥数； 2 ) 双极线路的一极接地短路，会在没有故障的另一极上引起过电压； 3 ) 换流站内接线发生接地短路故障时会产生很陡的冲击短波； 4 ) 阀熄弧或直流电流间断会在变压器绕组和直流电抗器中引起截流过电 压； 5 ) 逆变阀的持续不导通( 失弧) 或者导通( 通弧) 会使交流电源中的某两 相接到桥的直流端上去； 6 ) 由于突然起动或交流短路消除后，交流电压的恢复而引起整流器的直流 电压过冲； 7 ) 换流器突然失去负荷； 8 ) 一只桥的主阀闭锁，而旁通阀未能解锁，原来导通的两个主阀仍继续导 通，因而将交流电源中的某两相接到桥的直流端上去； 9 ) 由于换相交叠期非常短，使每次换相终结时阀桥直流电流电压的过冲增 大 8 - 西大掌硕士掌位论文特高压直流输电系统内部过电压q , l - 算及过电压保护研究 2 3 直流系统常见的内部过电压 1 ) 交流侧操作过电压 在交流电网中进行操作时会引起过电压，但在相间出现大于2 - 3 v m 以及在 相对地之间出现大于2 3 v m 3 的过电压的概率很小。 在交流母线上出现的内过电压波按换流变压器的变比传递到直流侧，并叠加 在每只换流桥交流侧的线电压上。在各桥通过导通阀串联起来的情况下，由于各 阀轮换导通，换流站的极电压实际上等于各桥之和。 2 ) 交流电网中发生故障 交流电网中发生单相接地故障时，会使两健全相对地的电压升高。此时交流 电压不对称，所以在换流器的输出电压中将出现交流分量，其频率比基波频率大 一倍。但是直流线路上的电压幅值实际上未变，因为单相接地对两健全相间的线 电压一般影响不大。 在突然切除换流器的负荷时，交流电网电压的升高主要是换流器所需的无功 功率突然改变所造成的。这时直流线路上的电压也将随交流电网电压的升高而成 比例增大。由于电压调节器的作用，电网电压将在数秒内恢复正常。这种电压升 高的数值和被切除负荷的容量、交流电网的短路容量、是否有交流侧滤波器与电 容器等因素有关。 此外，接向逆变站的全部或者大部分交流线路被切除时，将在交流侧滤波器 元件上造成很大过电压，它可能导致逆变器中换相过程的破坏，从而使交流母线 上的电压进一步升高。 交流侧的过电压将由装在交流母线上的避雷器的限制。交流侧滤波器和无功 补偿电容器的存在，以及过电压波在换流变压器绕组间的传递，都使进入换流器 的过电压波具有操作波的性质。 3 ) 直流线路上的过电压 从直流线路侵入换流站的内过电压波可能使换流阀的电流间断。在通过阀的 电流截止瞬间，换流站的极上将出现过电压，它是由于充电到额定电压的换流站 电容，和充电到更高电压的线路电容通过平波电抗器的电感进行振荡式均压所造 成的。阀的阻尼回路由于固有频率较低，很难对这种振荡发挥阻尼作用。这种过 电压沿串联桥的分布取决于阻尼回路以及设备对地的固有电容，电位最高的那只 桥受到的过电压最大。 当直流线路在数百毫秒以上的时间间隔内正常投入时，起动装置调节触发角 使直流电压从零逐渐升到额定值，无过电压。这时即使直流线路在逆变侧是断开 的( 隔离开关打开或者逆变站自用电被切断) ，在直流线路上出现的也只有终端 9 特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 装置和线路所构成的系统中的振荡所造成的不大的过电压。但是，如果全部整流 桥在自动投入装置误动作的情况下，突然以全电压起动，而直流线路的末端又处 于断开状态，那么过电压大幅增高。整流站的极电压在阀导通时和额定电压相差 不多，而在线路电压增大而引起阀的电流间断后，阀电压可超过线路电压过程演 变的特性以及过电压在串联桥间的分布和前述情况相似。出现在线路上的过电压 将因沿绝缘子串的泄漏电流、电晕等因素而逐渐减小。在逆变站自用电发生故障， 或直流线路发生断线故障后，自动重合闸于末端断开的直流线路上，就会出现这 种情况。 双极直流输电线路的两根极线间由于静电和电磁的联系，当一极发生接地故 障时会在另一极上引起电压的突变，该电压突变叠加在该极对地的正常工作电 压上而形成过电压。 由于直流线路终端接有各种设备，所以上述各种发源于直流线路的过电压侵 入换流站后也有操作波的性质。 4 ) 换流站直流侧的操作与正常工作状态的破坏 阀的正常工作状态遭到破坏时会引起各种波形的过电压，其上升时间可在数 微秒到数十毫秒的范围内变化。这种破坏情况可以由阀本身所引起，也可以由自 用电、换流站主接线或其他装置的操作与故障而引起。 在换流站接线中发生接地故障，特别是在大气强烈污秽的条件下可能性相对 较大。在这种故障情况下，发生故障的导线上产生了电压的振荡式截断。由于电 感的存在，其他计算点的电位在最初的数微秒内还来不及作相应的改变，例如变 压器阀侧绕组出线端上的电压就是如此。因此接在上述两点间的设备就会受到冲 击过电压的作用，这种过电压具有很短的半峰值时间，它不象1 5 4 0 微秒的冲击 短波。如果接地故障不是发生在换流站的极上，而是发生在其他位置，例如上桥 的某一相上，该相上阀将受到直流线路全电压的作用，而且还要叠加由平波电抗 器的电感与设备固有电容决定的过渡振荡。这种站内接地故障引起的过电压对桥 内绝缘( 其中包括可控硅阀) 是最危险的。 装在直流侧的避雷器动作时，最初也是会造成电压的截断，它的数值与特性 取决于设备的电容、阻尼回路的参数以及避雷器本身的电阻。这时桥内绝缘上也 会出现过电压，特别是装设在下桥的避雷器动作时，上桥受到的过电压尤为严重。 不过这种过电压可通过选择避雷器的特殊结构和参数，以及使它们的击穿电压取 得配合来加以降低。 5 ) 截流过电压 使换流变压器或直流电抗器的绕组中的电流发生突变( d i & 很大) 的操作和 故障，会在这些电感元件上造成很高的感应电压( l d f f d t ) ，这种过电压要依靠跨 1 0 广西大学硕士掌位论文特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 接在电感元件上的交流避雷器来保护。 引起截流的情况有： a 汞弧阀由于离子衰竭而造成的电弧熄灭。 b 换流器运行于间断电流的工况下：由于在六脉动换流器中，每周要出现 6 次这样的情况，所以这种工况是不容许的，必须用最小电流控制来加以防止。 c 避雷器切断的续流值较大。 总之，直流输电系统中的过电压多种多样，幅值、波形、出现频度差别很大， 其中包括波头很陡、延续时间很短的冲击短波，也包括延续时间很长的由直流分 量和畸变了的交流电压叠加组成的操作波。对于这些过电压，保护装置都应有效 地发挥保护作用。为了便于说明直流系统的过电压，将直流系统与交流系统的内 部过电压比较列于表2 1 。 徊删1 。= k 迎 胛燃迎罡卜瑙 i n u 一 蟹状 繇k 世籁 ：兰榔 硝皤 酞涨逛 嚏斑斗 簦 1 谣捌螺暮茸 喇堇 _ 蠖鼎倏出恒 烟连 、_ ， 瓷舞“毫樱 出氯 哎辎状脚心 脚逛 杈堪嫣髦瓦 求 删 ：= ：岸写 冬 =n 雾袋 ，、 黎 专 蓁篓孽 冀薹蓁 型衽 i 哽警 逛 震匿 p = 、每 婪楚 7嬖面 要单 章善 礤 壶 辩 拦 萼辗 r r 一鬟；警 暖 佃 黎氧 鲻毯 。 嚣趟 囊 赠 ，哥n湘 黎。捌叵 羹囊 萋莲蜜 釜南皋 出翌qk 制黎暮 瘩甾茫 制制制g 埋g 稚螺 坦制1 噩髅 哥嫣崩嫣 捌辎蕈铡 gh 智冥格趔锹 格蒜煺喇嫣k 剩 嫣甾辎捌辎略束 辎迥王 柑日落 螺 鬲斗口ijoo扫coouv 磷寄蠹母口科醇株本目矿科n审墨嚼矿筇靖一日坂枣 k袋基卦书簪赫k缸， 特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 第四章过电压仿真分析 在本文的课题研究中，采用第三章介绍的直流控制系统，搭建+ 8 0 0 k v 特高 压直流输电系统过电压仿真模型，其中平波电抗器采用分别布置于极线和中性母 线方式。根据高压直流过电压特点( 第二章介绍) ，结合目前已经运行的高压直 流工程的过电压研究阳叫3 7 3 和调试结果儿3 刚对+ 8 0 0 k v 特高压直流系统中典型故 障进行仿真。 在本文的过电压研究中，分别按如下几种工况进行仿真研究： 1 ) 正常运行时( 分别计算双极全压额定运行和一极半压输送一半功率另一 极全压输送额定功率时) 工况； 2 ) 交流母线短路故障，分别计算单相接地短路以及三相接地短路故障； 3 ) 直流侧短路故障，分别计算对阀顶、换流变二次侧的短路故障； ， 4 ) 直流线路故障，分别计算整流侧、逆变侧线路出口，以及线路中点接地 短路故障； 5 ) 逆变侧永久丢失脉冲故障； 6 ) 逆变侧最后一台断路器跳闸； 本文中，交流侧最大运行电压l p u = 5 5 0 2 3 = 4 4 9 k v 4 1 8 0 0 k v 特高压直流系统模型 特高压直流系统双极布置结构示意图，见图4 1 ，其中r a c 、i - a c 分别为 整流侧和逆变侧交流系统等效，双极对称，均采用两组双十二脉动换流单元串联， 实现双极电压8 0 0 k v ，平波电抗器分别装设在直流极线和中性母线上。 图4 l4 - 8 0 0 k v 特高压直流输电系统双极布置结构示意图 f i g 4 1 士8 0 0 k vu h v d cd i p o l a rs t r u c t u r e 2 l 特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 在本课题中，针对上述六种工况和故障情况下的过电压研究中，主要计算点 分别是交流母线电压、双极直流极线电压，换流器阀顶电压，以及换流变二次引 线电压、中性母线电压等【4 6 1 。由于直流有着明显的对称性，现仅将极1 整流侧的 主接线及避雷器布置列于图4 2 ，并标注各个计算点。逆变侧各个计算点同整流 侧，正常运行时极2 与极l 大小相同、极性相反。 图4 2 极1 整流侧主接线及避雷器安装示意图 f i g 4 - 2t h ec o n v e r t e rs t a t i o np o l e1w i t hm o a 其中，整流站交流侧安装h p l1 1 3 、h p 2 4 3 6 、h p 3 三种交流滤波器及电容 器组，直流侧安装1 2 2 4 、1 2 3 6 两组双调谐直流滤波器，布置图( 包括避雷器布 置) 分别参见图4 - 3 ( a ) 、( b ) 。a c b u s ( a ) 整流站交流滤波器布置图a cf i l t e ro f r e c t i f i e rs t a t i o n 广西大掌硕士掌位论文特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 d cl i n e n e u t r a ll i n e ( b ) 整流站直流滤波器布置图d cf i l t e ro f r e c t i f i e rs t a t i o n 图禾3 整流站滤波器布置图 f i g4 3t h ef i l t e ro fr e c t i f i e rs t a t i o n 在逆变站，交流侧装设了h p l 2 2 4 交流滤波器和电容器组，直流侧装设一组 三调谐直流滤波器，布置图见图4 4 ( a ) 、( b ) 。 ( a ) ( b ) 图4 - 4 逆变站滤波器布置图 ( a ) 逆变站交流滤波器布置图 ( b ) 逆变站直流滤波器布置图 f i g 4 _ 4t h ef i l t e ro fi n v e r t e rs t a t i o n ( a ) a cf i l t e ro fi n v e r t e rs t a t i o n ( b ) d cf i l t e ro fi n v e r t e rs t a t i o n 4 2 直流系统正常运行 4 2 1 双极对称额定功率运行 双极对称额定功率运行，即极1 和极2 每个极上的两组双十二脉动换流单元 都投入运行，双极以4 - 8 0 0 k v 、4 0 0 0 a ，6 4 0 0 m w 额定功率运行。系统将在以额 定功率下长期运行，因此首先需要保证在该工况下，系统中能够稳定运行，无过 特高压直流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 电压出现。同时，在进行仿真研究时，要排除非故障和操作时的其他原因引起的 过电压，从而验证所搭建模型的是否合理。在该工况下整流站和逆变站各测量点 的电压幅值计算结果见表4 1 ，由于双极对称只列出极1 电压值。 表4 1 双极对称额定功率运行方式下，整流站和逆变站各测量点电压 测量位置整流侧( k v )逆变侧( k v ) 交流母线电压( 4 )5 2 8 ( 有效值)5 1 9 ( 有效值) 直流极线( 1 0 ) 8 0 l7 9 6 直流阀项( 9 2 )8 1 58 0 6 十二脉动桥间( 9 1 )4 1 64 1 3 上组六脉动桥间( 7 2 )6 1 25 8 7 下组六脉动桥间( 7 1 )2 6 02 2 6 中性母线阀侧( 8 1 )4 54 5 中性母线线路侧( 8 ) 小于1小于1 换流变阀侧高压端( 5 2 )9 0 88 5 1 换流变阀侧高压端( 6 2 )6 6 36 3 8 换流变阀侧低压端( 5 1 ) 5 1 64 4 1 换流变阀侧低压端( 6 1 ) 2 8 22 7 1 极线处平波电抗器两端 3 73 1 中性母线处平波电抗器两端 3 73 2 为了对以后故障情况的对比，将系统计算点处的电压波形在图4 5 中表现出 来。其中整流侧和逆变侧分别以r ( r e c l i f i e r ) 、i ( i n v e r t e r ) 表示，即e r 表示则 表示整流侧电压，e i 表示逆变侧电压，以下同。 极线电压 。一 o 6 0o 1 0 01 2 01 加1 6 0 ( a ) 极1 整流侧和逆变侧极线电压 ( a ) d cl i n ev o l t a g eo f p o l e1 舌| 啪 瑚 啪 毒 舌 啪 | 堇 鼢 婴 一 一 一 一 一 一 一 广西大掌硕士学位论文特高压直流输电系统内部过电压圣- h 算及过电压保护研究 j 毓 ( b ) 整流侧和逆变侧交流母线电压 ( b ) a cb u sv o l t a g e 整流侧和逆变侧中性母线阀侧电压 。中性 母线e r 8 1 删 4 0 0 3 0 b o 一 2 d o 1 0 椰m w 1 i m 仲胁心帆怫m m 懈m w 心m m 帕帆他m m w m 似 1 一 捌 姗 - i d o 一 e 1 8 t _ 删 1 5 0 - 1 5 0 一 0 m i 小从ml m j m ii j f 从i f m m m a f i | l 小、l j 5 0 - 一1 1 5 0 o 6 岛o6 柏o d j oo6 6 00 6 7 0o6 ：i oo 8 1 舀o 2 i f ( c ) 整流侧和逆变侧阀侧中性母线电压 ( c ) n e u t r a lb u sv o l t a g eo fv a l v es i d e -丁“m川叫，11j 鲫 脚 厂西大掌硕士掌位论文 特高压直霸0 输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 跏 7 5 0 ( d ) 整流侧阀顶和十二脉动桥间电压 ( d ) t o pv a l v ev o l t a g ea n d12p u l s a t i o nv o l t a g eo fr e c t i f i e rs t a t i o n 二i ! ；蕊瓦一 5 0 乏二r 氛瓦一 一“r 。r _ _ 1 _ r 。r - r “_ 一 1 i m o 1 1 1 1 2 01 1 4 01 1 6 01 1 8 01 2 0 0 1 z 1 0 ( e ) 整流侧换流变阀侧绕组电压 ( e ) c o n v e r t e rt r a n s f o r m e r sv a l v ew i n d i n gv o l t a g eo f r e c t i f i e rs t a t i o n 图4 5 双极对称额定运行时电压波形 f i g 4 - 5b i p o l a r , s y m m e t r y , r a t e d ，v o l t a g ew a v e f o r m 粤 诼哥。面专秒一 广西大掌硕士掌位论文特高压直流输电系统内部过电压- h - 算及过电压保护研究 4 2 2 双极不对称稳定运行 一极全压，一极半压也就是一极采用8 0 0 k v 额定运行，一极采用4 0 0 k v 输 送一半功率的稳定运行工况。该工况是特高压直流系统独有的运行方式，要保证 该方式下能够安全稳定运行，提高特高压直流系统利用率，该特点也是特直流系 统主要优点之一。在本文中，将列出极1 运行在4 0 0 k v ，4 0 0 0 a 的工况下各测量 点电压数据，仿真研究时分别计算了极l 上组十二脉动停运和下组十二脉动停运 两种可能。此时，由于直流系统的独立性，极2 仍然在额定工况，不受影响。上 组十二脉动换流器停运时的研究数据见表4 2 。 表4 2 极1 半压( 上组十二脉动换流器停运) ，极2 全压时各点的电压 测量位置整流侧( k v )逆变侧( k v ) 交流母线电压( 4 ) 5 2 9 ( 有效值)5 1 8 ( 有效值) 直流极线( 1 0 ) 4 0 33 9 5 直流阀顶( 9 2 )4 0 74 0 3 十二脉动桥间( 9 1 )4 0 74 0 3 中性母线阀侧( 8 1 ) 1 91 7 换流变阀侧高压端( 5 2 ) 5 1 54 3 5 换流变阀侧高压端( 6 2 ) 5 1 54 3 5 换流变阀侧低压端( 5 1 ) 4 3 l4 1 9 换流变阀侧低压端( 6 1 ) 2 2 62 0 5 上组十二脉动桥间( 7 2 ) 4 0 74 0 3 下组十二脉动桥间( 7 1 )2 2 12 0 5 为了节省篇幅，仅将上组十二脉动换流器停运时的电压波形列于文中，见 图4 6 。 ( a ) 整流侧和逆变侧直流极线电压 ( a ) d cl i n ev o l t a g eo fp o l e1 厂。西大掌硕士掌位论文特高压：流输电系统内部过电压计算及过电压保护研究 ，闾避 | 州w w 帅小心肿小w 小脚州 _ - - _ _ _ j _ _ _ _ _ o o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 _ _ _ _ _ - _ _ o _ _ _ _ - _ _ _ j _ _ _ - - _ 1 。_ _ - 。_ - - _ o _ - 。_ _ j - _ _ _ - _ _ _ - 。一 0 9 9 01 0 0 01 0 1 01 伍砷 1 01 0 4 0