双极运行特高压直流输电系统单极接地故障分析

双极运行特高压直流输电系统单极接地故障分析

0双极方式下的单极接地故障分析事实上，由于闪电或污染，直流供电线路的绝缘电阻是一个常见的故障。在单极运行中，这些错误不会影响极线上的绝缘电阻的电压。在双重运行中，由于永熙线路两侧之间存在磁极，当极线发生爆炸或接地故障时，其他极（健康极）线的电压突然变化，突变电压重叠在健康极上形成电压梯度。如果该电压超过了健全极线路的绝缘水平,就可能会使健全极也发生闪络,从而导致故障的进一步扩大。特高压直流输电工程中,由于设备绝缘裕度的降低,接地故障在健全极上感应的过电压应引起特别重视,因此有必要分析双极方式下运行的直流系统接地故障。因实际线路都是分布参数,故线路发生故障后会产生向线路两端传播的频率很丰富的暂态行波信号。多相输电线路中,线路互阻抗的存在使得阻抗矩阵中存在非对角元素,从而使求解暂态行波相电压、相电流的过程很复杂。用相模变换法可对多相系统进行解耦,实现类似单相输电线路的波动方程关系。目前相模分析法已广泛用于三相交流电力系统接地故障分析中。对两相直流系统,可将两相系统分解为两个独立的模量进行计算,将电压电流相量转化成电压电流模量。本文首先基于相模变换的方法分析双极方式下不同端口性质对接地故障时健全极过电压的影响,推导出健全极过电压最大值的理论公式;然后针对云广直流工程仿真计算双极方式下的单极接地故障,分析平波电抗器的布置方式、直流滤波器以及故障接地电阻、故障点位置对健全极过电压幅值的影响,仿真结果和理论分析的一致性较好。本文较系统地分析了云广直流工程中系统参数设置、故障形式对单极接地故障时健全极过电压的影响,可为我国直流系统的设计及绝缘配合提供参考依据。1生施工单位的原因双极直流系统极线之间存在的容性和感性耦合是单极接地故障时健全极产生过电压的原因。用相模变换法将双极直流线路上的电压、电流相量转换为相应的电压、电流模量,用模量电路分析单极接地故障时健全极上的过电压,避免了相量电路中分析线路耦合作用的复杂过程,使分析简化、直观。1.1交流双向两极故障工作原理采用正交变换矩阵对直流系统中实际的电压电流进行相模变换,得到模量电压电流:{um0=(un+up)/√2,im0=(in+ip)/√2,um1=(un-up)/√2,im1=(in-ip)/√2,{um0=(un+up)/2√,im0=(in+ip)/2√,um1=(un−up)/2√,im1=(in−ip)/2√,其中up、un分别为正、负极上的直流电压;ip、in分别为正、负极上的直流电流;um0、um1分别为零序和正序电压;im0、im1分别为零序和正序电流。双极运行的直流系统示意图见图1,分析过程中令送端、受端直流电压相等,均为Udc;T为换流站内的电抗器、滤波器等无源元件;设负极发生接地故障,故障接地电阻为Rg,线路无损。负极发生接地故障的模量电路见图2,在t=0时刻开关S闭合即发生接地故障,此时有:um0=Udcm1Ζm0/(Ζm0+Ζm1+2Rg)‚um1=Udcm1Ζm1/(Ζm0+Ζm1+2Rg)‚um0=Udcm1Zm0/(Zm0+Zm1+2Rg)‚um1=Udcm1Zm1/(Zm0+Zm1+2Rg)‚其中Udcm1=√2UdcUdcm1=2√Udc;Zm0、Zm1分别为零序和正序波阻抗。对应的相量电压增量为:Δun=(um0+um1)/√2=Udc‚Δup=1√2(um0-um1)=UdcΖm0-Ζm1Ζm0+Ζm1+2Rg。(1)Δun=(um0+um1)/2√=Udc‚Δup=12√(um0−um1)=UdcZm0−Zm1Zm0+Zm1+2Rg。(1)式(1)给出了故障时刻健全极(正极)电压抬升幅值。因Zm0、Zm1是与线路结构相关的参量,故Δup仅与线路结构和Rg有关,而与线路出口处端口性质无关。1.2健全极中点电压增量的一般表征采用行波折反射原理分析故障后模量回路中波的传播过程。令线路中点接地,Rg=0,则:βm0_Τ=ΖΤ-Ζm0Ζm0+ΖΤ‚βm1_Τ=ΖΤ-Ζm1Ζm1+ΖΤ‚βm0_T=ZT−Zm0Zm0+ZT‚βm1_T=ZT−Zm1Zm1+ZT‚其中βm0_T、βm1_T为零序、正序回路中线路出口处的反射系数;ZT为线路出口处无源元件的等效阻抗。由图2可知在线路中点处的反射系数:βm0_Μ=Ζm1-Ζm0Ζm0+Ζm1,βm1_Μ=Ζm0-Ζm1Ζm1+Ζm0‚βm0_M=Zm1−Zm0Zm0+Zm1,βm1_M=Zm0−Zm1Zm1+Zm0‚其中βm0_M、βm1_M分别为在零序、正序回路中线路中点处的反射系数。健全极中点电压增量的表达式为:Δup(l/2,t)=Udc(K1u(t)+K2(βm0_TAm0u(t-2τ0)-βm1_TAm1u(t-2τ1)-K1β2m0_TA2m0u(t-4τ0)-K1β2m1_TA2m1u(t-4τ1))+l),(2)其中l为线路长度;u(t)为单位阶跃函数;τ0=l/2vm0、τ1=l/2vm1,分别为零序、正序波从线路中点向线路两端传播的时间;vm0、vm1分别为零序和正序回路中波的传播速度;Am0、Am1分别为零序和正序回路中波传播的衰减系数;K1=(Zm0-Zm1)/(Zm0+Zm1),K2=4Zm0Zm1/(Zm0+Zm1)2。对不同性质的线路出口,由式(2)所得的中点接地故障时健全极中点电压up的典型波形(见图3)和理论最大值upmax见表1。需要注意的是,实际线路的模量参数随频率变化而并非常数,在线路接地故障暂态过程中,表1给出的最大值表达式也是随频率的变化而改变。2滤波器和平波电抗器设计以云广直流输电工程为对象,仿真分析双极运行方式下线路发生接地故障时健全极上的过电压。云广直流输电工程稳态工作电压为±800kV,额定电流为3.2kA。线路全长为1438km。平波电抗器布置形式为极线和中性线各150mH;直流滤波器布置为每极两组三调谐滤波器。滤波器和平波电抗器的布置形式和结构参数见图4。杆塔结构为ZV3塔型,导线型号为6×LGJ-630/45,地线型号为LBGJ-180-20AC。仿真中使用频率相关相位模型对直流线路进行双端全线模拟,土壤电阻率取100Ωm。将直流线路10等分,每段长度143.8km(见图5)。研究负极线路不同点接地故障对正极线路(健全极)的影响,n-5、p-5分别为负、正极线路中点。采用CIGREBenchmark推荐的控制方式。故障处理方式为:故障极整流侧换流阀控制极紧急移相滞后时间(自故障时刻起)设为tP=10ms,闭锁故障极两端换流站的滞后时间(自故障时刻起)设为tESOF=20ms。由于健全极的电压升高取决于一次折反射后到达中点的模量电压,在tP时间内健全极电压将达到峰值,因此认为控制系统对过电压的最大值无影响。2.1安全补充段df处图6为负极线不同点发生接地故障且Rg=0时健全极过电压最大值upmax及其对应故障位置,由图6可知:1)负极线距线路出口距离为df处发生接地故障时,upmax出现在距同一出口距离为df或满足x=l-df的点上。2)负极线中点接地故障时健全极过电压最高,且出现在健全极中点处。这是由于故障时健全极线路两侧反射波同时到达中点,在两端换流站对称情况下同相位同幅值反射波在中点叠加的缘故。2.2up干部在含两极体值区域内接地故障的情况下,up干部在健全极中点处发生接地故障时,up干部cf图7为负极线中点接地故障且Rg=0时upmax的沿线分布情况。由图7可见,负极线中点发生接地故障时,upmax在健全极中点处最大,且向两端换流站方向减小,过电压传递到换流站出口处(REC和INV)时,受到平波电抗器和滤波器的限制,upmax将大大降低。2.3点接地故障时的up干部图8为不同故障接地电阻Rg下负极线中点接地故障时的upmax。随着Rg增加,故障起始时刻健全极电压抬升幅值Δup降低(见式(1)),upmax减小。2.4第1次反射过程负极线中点接地故障且Rg=0时,投入/不投入直流滤波器的upmax波形见图9。因Δup仅与线路结构和Rg有关,故直流滤波器的投入状态对故障起始时刻Δup没有影响。比照图3给出的不同线路出口的波形,可以看出未投入直流滤波器时,up波形为典型感性端口波形,线路出口的无源元件仅为平波电抗器电感,upmax见表1序号4,与正序、零序波的第1次反射过程有关;投入直流滤波器后,直流滤波器的并入使得线路出口性质为容性,up波形为典型容性端口波形,upmax见表1序号3,仅与正序波的第1次反射过程有关,而与零序波的反射过程无关。因此直流滤波器的投入与否直接影响到接地故障时的upmax,投入直流滤波器时upmax为1.76p.u.,退出直流滤波器后时upmax降到1.5p.u.。2.5极线工况下极线长度的影响云广直流工程在极线和中性线上均设置了150mH平波电抗器,采用该布置方式是为了降低换流阀组顶部的持续运行电压,这不同于500kV直流输电系统平波电抗器只放置在极线上的布置方式。为分析平波电抗器布置方式对接地故障时健全极过电压的影响,考虑两种布置方式:①2台平波电抗器(各150mH)分别布置在极线和中性线上;②1台平波电抗器(300mH)只布置在极线上。负极性中点接地故障且Rg=0,投入/不投入直流滤波器时,在平波电抗器不同布置方式下的upmax波形见图10。未投入直流滤波器时,线路出口为感性,upmax见表1序号4,极线平波电抗器电感越大,从端口反射到线路中点的正序波的指数上升速率越低,upmax越小。采用布置方式①时,upmax为1.50p.u.,方式②为1.47p.u.。投入直流滤波器时,端口性质为容性,upmax见表1序号3,仅