云广直流输电工程换流站避雷器布置方案

云广直流输电工程换流站避雷器布置方案

0云流站改造的基础与难点800kv交换站的过载保护主要采用无间隙氧化避雷器，优化避雷器的配置，合理选择避雷器的参数和保护特性，确定合适的流量交换站的隔离水平。这是工厂设计、制造和试验的基础。确保既不因绝缘水平取得过高,造成换流站设备尺寸过大,造价和难度太高,也不会因绝缘水平取得过低,导致运行中故障率、停电损失和维护费用增加,造成经济上的浪费。对±800kV云广特高压直流输电工程安全、稳定、经济运行有重大的意义。本文论述了±800kV云广特高压直流输电工程直流换流站避雷器布置方案和参数的选择原则及方法,所选方案和避雷器的布置、参数已应用于云广直流输电工程。1直流侧产生的特性云广工程±800kV换流站内设备的主要保护装置为氧化锌避雷器。氧化锌避雷器布置的原则是:交流侧产生的过电压用交流侧的避雷器限制;直流侧产生的过电压由直流侧的避雷器限制;重点保护设备由紧靠它的避雷器直接保护。云广±800kV500kV交流侧避雷器布置与常规±500kV换流站的500kV交流侧相同,即每台换流变侧、每条交流滤波器母线和每回500kV出线均布置一组避雷器,经雷电侵入波计算研究,云广±800kV直流工程换流站交流场的2条母线可不装避雷器。换流站的直流侧避雷器布置有以下两种方案。1.1避雷器的布置方案Ⅰ的直流侧避雷器布置见图1。图中各避雷器的功能分叙如下:1)交流侧A型避雷器用于保护换流站交流侧设备;装于每台换流变网侧、换流站交流母线和交流滤波器母线。2)阀两端的“V”型阀避雷器直接保护阀组,同时与其它类型避雷器串并联保护换流变压器阀侧绕组,V避雷器按能量大小可分为V1、V2、和V3;V1需满足800kV运行时最高电位换流变压器阀侧绕组接地故障下的能量要求,能量要求最大。V2需满足下组400kV换流器单独运行时400kV高电位换流变压器阀侧绕组接地故障下的能量要求,能量要求其次。V3避雷器能量要求由交流侧操作过电压传递到直流侧等事件确定,能量要求最小。3)M1型避雷器保护下组两个6脉动桥间的直流母线,同时与V3型避雷器串联保护下组Y/Y接线的换流变压器阀侧Y绕组。4)A2避雷器直接保护处于最高电位的换流变阀侧绕组,装于高压阀厅内。5)装于上、下组换流器之间的400kV直流母线的避雷器CB1A用于保护下组旁通断路器、隔离开关和400kV穿墙套管等设备。CB1A可装于低压阀厅内,这样可避免温度对伏安特性的影响以及污秽对避雷器瓷或硅橡胶外套电位分布的影响等因素。但云广工程因已研发出户外式的CB1A避雷器,因此装于户外。6)直流线路“DL”和直流母线“DB”型避雷器装于平波电抗器线路侧和直流母线侧,用于直流开关场的雷电和操作波保护;可据雷电侵入波的计算选择“DB”避雷器的数量和在直流母线的布置位置。7)C2型避雷器保护上组12脉动换流器。C2避雷器可限制极线雷电侵入波和操作波过电压。C2也用于下400kV换流器退出,上400kV换流器单独运行工况下,保护上400kV换流器。8)EM金属回线避雷器安装在金属回线回路上;主要用于金属回线的雷电侵入波保护。9)E2H(高能量)由多个避雷器并联,在制造和出厂试验时就能保证多个并联的避雷器特性一致,有利于运行的监测和预试及制造备用避雷器。E2H有两种布置方案:方案Ⅰ的E2H避雷器装在极1和极2共用的中性母线上,这样无论在双极运行(BP)、大地回线(GR)和金属回线(MR)运行方式的直流线路接地故障和阀厅内接地故障下,E2H避雷器都参与泄放直流滤波器电容和线路电容的储能。方案Ⅱ选EM和EL避雷器为大容量避雷器,代替E2H,EM主要用于MR运行方式线路接地故障下泄放直流滤波器电容和两极线间电容的储能。EL用于BP和GR运行方式阀厅内接地和线路接地故障下泄放直流滤波器电容的储能。但能量要求小于MR。10)EL接地极线避雷器安装在接地极线回路上,用于来自接地极线路的雷电侵入波保护。11)E2型低能量中性母线避雷器的数量和安装在中性母线上的位置。一般在直流滤波器底部中性母线上和中性母线冲击电容旁各装1只。可根据雷电侵入波计算结果确定。避雷器的雷电波保护水平10kA标称放电电流下可高于E2H(高能量)避雷器,确保操作过电压下不动作,仅用于雷电波保护;也可选E2避雷器的特性与EM、EL和E2H一样。12)E1H(高能量)型中性母线避雷器接于平波电抗器桥侧用于保护桥的底部设备。E1H为高能量避雷器,由多个避雷器并联,可装在户外。13)直流滤波器Fdc1Fdc2和Fdc3避雷器用于保护直流滤波器低压侧元件。14)交流滤波器Fac1和Fac2避雷器用于保护交流滤波器内部元件。1.2型避雷器的安装方案Ⅱ的直流侧避雷器布置见图2。与方案Ⅰ的差别如下:1)装M2避雷器,保护上组两个6脉动换流桥间的直流母线,同时与V3型避雷器串联保护上组高电位Y/Y接线的换流变压器阀侧Y绕组。当阀导通时保护直流极母线设备;M2避雷器装于高压阀厅内。2)加装CB1B避雷器,它装于上组换流器底部400kV直流母线,避雷器的直流参考电压(Uref)可选择低于CB1A(原因见第3.3.2节)。当上组12脉动换流器切除时,它也切除。CB1A避雷器用于下组换流器单独运行时保护400kV直流母线设备。1.3运行两组单元串联运行方式的对比方案Ⅰ的优点是A2直接保护最高电位的换流变阀侧绕组,直观,令人放心。A2避雷器可选择较高的荷电率,因而有较低的操作过电压保护水平,降低了最高电位的换流变阀侧操作冲击绝缘水平,减小了空气间隙。缺点是数量为3,最高直流运行电压为800kV,外绝缘的爬电距离要求较大的高度,布置困难。400kV直流中间母线仅装1支CB1A避雷器,较经济。上、下12脉动换流器组串联运行时,CB1A的荷电率低,有利于安全运行。缺点是:CB1A的保护水平比方案Ⅱ的CB1B高,因而提高了CB1A+V3的保护水平(保护高压换流变d线圈端子的保护水平)和CB1A+C2的保护水平(保护极线穿墙套管和隔离开关的保护水平)。方案Ⅱ的优点是:避雷器数量较少。M2避雷器直流运行电压为600kV,外绝缘要求的高度相应低,数量为1支,较经济,占阀厅的空间小。缺点是M2与V3避雷器串联的保护水平高于方案Ⅱ的A2避雷器。上、下换流器单元串联运行方式下,CB1A和CB1B并联运行,因CB1B的Uref低于CB1A,保护水平较方案Ⅰ低,降低了CB1B+V3和CB1B+C2的保护水平。CB1A在操作过电压下不起作用。缺点是当上400kV12脉动换流器退出,下400kV12脉动换流器单独运行时,CB1B也退出运行。但旁通断路器投入和旁通隔离开关、换流器隔离开关操作需要时间,因此从旁通开关闭合到换流器隔离开关打开,CB1B承受高于其持续运行电压的峰值(PCOV)的直流谐波电压时间较长。确定CB1B的能量要求时需考虑该时间段谐波电压产生的能量损耗。该方案的缺点是:装两只避雷器不经济,分装在两个阀厅内,占空间较大。云广工程最终采用避雷器布置方案Ⅰ,其中E2H的布置方案也采用方案Ⅰ。1.4c2避雷器有效保护12脉动换流单元在12脉动换流单元工作时,避雷器C2与2个串联的阀避雷器并联,一般不会泄放很大的操作波电流。下组12脉动换流单元旁通开关在运行期间紧急闭合,避雷器C2会动作。当上400kV12脉动换流单元单独运行时,因极母线的DB、DL避雷器Uref为975kV,不会动作,因而在另一极为800kV运行时的接地故障、交流不对称接地故障、阀厅内接地、逆变站丢失电源、阀连续丢失脉冲等故障下,C2避雷器都能有效保护12脉动换流单元两端及其内部的元件。若故障导致上400kV12脉动换流单元紧急停运(ESOF),则在ESOF暂态过程中阀会关闭,失去2个串联的阀避雷器保护,仅能依靠C2避雷器保护。从雷电侵入波过电压来看,当上400kV12脉动换流单元单独运行时,C2避雷器也有效保护了上12脉动换流单元,尤其是直流场遭遇直击雷。从绝缘配合角度看,当上400kV换流单元单独运行时,不装C2避雷器,则无避雷器直接保护400kV换流单元,而下400kV换流单元单独运行时,CB1A可提供直接保护。2平波电阻器的分配方法2.1降低避雷器保护水平平波电抗器无论选择干式空芯或油浸式电抗器,其一半装在中性母线上可使得中性母线和极母线平波电抗器的谐波电压降大小相等,方向相反,因而串联的两12脉动换流器中间母线的电压几乎为纯直流电压。这样上组12脉动换流器各点对地PCOV可按常规500kV的12脉动换流器各点对地PCOV的公式计算,然后加上400kV母线的直流电压,否则需加上中间母线的PCOV。可降低上组高电位12脉动换流器各点的PCOV,选择安装于该点避雷器的参考电压Uref低于平波电抗器全部装在极线的方案下的避雷器的参考电压,降低避雷器保护水平,也降低了高电位12脉动换流器各点的绝缘水平。表1、图3、图4列出了整流站侧中性母线装或不装平波电抗器对抑制避雷器安装地点的PCOV的比较。它是在上、下2组12脉动换流器参数完全对称的理想状况下的计算结果。PCOV的大小与点火角的大小、直流电压、电流和阀的阻尼回路等因素有关。比较结果表明,上12脉动桥的PCOV均有所降低,其中节点52的PCOV可降低3%,因而A2避雷器的参考电压也可降低3%,从而降低了高端Y/Y换流变的冲击保护水平。而下12脉动桥的PCOV是否降低与点火角度相关,小角度时降低而大角度时增高。但是点火角度较大时,换流变分接头的档位较高,阀侧电压较低,对PCOV的选择不起决定性作用。实际情况下的平抗在高压极母线和中性线平衡布置方式下测点91的电压并非纯直流,总会有谐波,谐波大小取决于上下两组12脉冲桥参数的对称度,它包括上下两组换流变漏抗、点火角、阻尼参数、对地杂散电容和平波电抗的电抗值等参数的对称度。中性母线装平波电抗器的缺点是:①E1H避雷器的能量要求甚至需大于E2H(高能量);②为减小E1H避雷器的能量要求,可提高E1H避雷器的直流参考电压。因而需提高阀底部设备的绝缘水平,包括最低电位换流变阀侧绝缘水平。③增加了中性母线电抗器等设备的投资。当上组换流器中发生故障时,可用旁通开关切除该换流器,形成下组换流器单独运行。由于该组上、下6脉冲桥的交流电压相位相差60°,中性母线和极母线平波电抗器的谐波电压降不对称,上、下6脉冲桥的中间母线电压不能为纯直流电压,但能有效降低谐波电压的峰值,因而降低接在该点CB1型避雷器的PCOV。2.2表面活性剂加平波电抗器平波电抗器也可分置在极线和400kV直流母线,分置方式见图5。400kV母线(节点91)波形见图6,也基本为纯直流电压,但有7%的脉动,与平波电抗器分置在极线和中性母线的效果相当。这是未考虑杂散电容等影响,且上下换流单元参数完全对称的理想化计算结果。该方式的优点是省去E1H大容量避雷器,降低了低端Y/D换流变和中性母线穿墙套管的绝缘水平。缺点是平抗处于400kV电位,存在污闪可能性,增加了支柱绝缘子的投资。另外在阀厅内接地等故障的暂态过程中有些不确定因素,需进一步深入研究。3避雷器参数的选择3.1高频暂态保护避雷器参数的选择一般遵循下列原则:避雷器的持续运行电压(CCOV)和PCOV需高于所安装处的系统最高运行电压,并考虑严酷工况下的运行电压叠加谐波和高频暂态,避免避雷器吸收能量,加速老化,降低可靠性。避雷器的参考电压Uref的选择需综合考虑荷电率、PCOV、雷电冲击和操作冲击保护水平和避雷器的能量等因素优化选择。3.2kv直流工程我国贵广I和II换流站交流侧A避雷器的额定电压选为400kV,三常和三广直流工程的换流变侧A型避雷器的额定电压选为399kV,并已有多年的运行经验。因此建议±800kV换流站交流侧的避雷器,包括交流母线避雷器全部选用额定电压为400kV的避雷器,不必照搬目前500kV直流工程的模式,即交流母线避雷器选用420kV避雷器,而换流变侧和交流滤波器母线侧选用400kV避雷器。这种模式使得交流母线避雷器仅用于雷电侵入波的保护,对操作过电压限制作用很小。根据文的规定,换流站500kV侧交流的最高工频过电压(标么值,下同)一般不宜>1.3,即412kV。规程对1.3工频过电压持续时间没有明确提出要求,一般持续时间取决于系统的调压措施、扰动形式、继电保护动作时间以及断路器是否正常动作有关,一般≤1s。云广工程采用西门子公司生产的额定电压为400kV的避雷器伏秒特性见图7。在阀片预加热到60°C,吸收了额定操作能量后,可耐受工频过电压1.3的时间为40s。我国西瓷厂生产的500kV交流避雷器在吸收了8kJ/kV的预注能量后,具有耐受工频过电压1.3的时间>1000s的能力。因此±800kV云广换流站交流侧选择额定电压为400kV的国产避雷器也是安全的。3.3直接避雷器参数直流侧避雷器未定义额定电压,需要选择直流侧避雷器的参数有:CCOV、PCOV、Uref、残压特性(U-I曲线)和避雷器能量。3.3.1ccov和换流器的选择常规直流工程CCOV的计算公式可参照C2、A2和CB1A的CCOV计算公式可参照CCOV=(2cos15°)π3Udim。CCΟV=(2cos15°)π3Udim。式中,Udim为考虑交流电压的测量容差和换流变分接头一级电压偏差的理想空载直流电压Udio最大值。对一端接地的避雷器,CCOV还需考虑接地极线路的压降等因素。±800kV工程的换流变容量较大,一般随着额定功率的增加,换流变压器的自然短路阻抗增加,而换流变短路阻抗越大,要求的Udio越高,由此避雷器的CCOV和相应的直流参考电压也越高,这样导致避雷器保护水平和相应的换流变的冲击绝缘水平也提高。但换流变的运输体积和重量又受到运输条件的限制,不能相应增加绝缘强度,给换流变的设计和制造带来困难。PCOV与晶闸管的特性及其阻尼电阻和电容、阀和换流回路中的各种电容和电感、导通角与重叠角和阀的换相电压等多种因素有关,可建立包括上述因素的详细模型予以预测,也可根据工程经验选择的PCOV与CCOV的比值予以确定。云广工程换流站避雷器的CCOV和PCOV参数选择见表2。3.3.2次较高的电压直流避雷器的荷电率(我国国标和IEC有关避雷器的标准未定义荷电率)表征单位电阻片上的电压负荷,是PCOV与直流参考电压Uref的比值。Uref一般定义为直流1～5mA电压,即避雷器起始动作电压。对于直径小的单柱阀片避雷器,1mA参考电压基本为起始动作电压,对于直径大的阀片,5mA参考电压基本为起始动作电压。具体选择参考电压与阀片单位面积电流密度有关。合理的荷电率值必须考虑稳定性、泄漏电流的大小,温度对伏安特性的影响等因素,通过包括老化试验的稳定性试验来确定。荷电率的高低对避雷器的老化程度影响很大,但另一方面提高荷电率,可降低避雷器的保护水平,对降低设备绝缘水平有重要意义。我国交流500kV避雷器的荷电率一般为(70～80)%。武高所经老化试验证明国产500kV交流避雷器的荷电率达95%时,不发生热击穿,仍能保持性能稳定。直流避雷器的荷电率则应综合考虑安装位置(户内、户外)、持续运行电压波形峰值、直流电压分量、污秽对避雷器瓷或硅橡胶外套电位分布的影响等因素。V避雷器在交流一周中阀不导通时才承受一次换相电压,因此换相电压下的平均一周泄漏电流产生的热量很小,选荷电率近100%。A2避雷器在交流一周中阀导通时,才承受一次较高的电压,电压从600kV跃变至800kV,高电压持续时间为10ms,波形见图3。因而也可像V避雷器一样,选较高荷电率约95%。由于V和A2的避雷器CCOV的交流分量很大,避雷器厂家一般给出交流参考电流峰值10mA下的交流参考电压。而交流参考电压要高于直流参考电压。云广直流工程的A2和V3避雷器交流参考电压峰值分别为8072√8072kV和2392√2392kV。C2、M1和CB1A避雷器上为直流电压叠加12脉动谐波电压,谐波电压产生的电流部分通过避雷器电容泄放,尤其是换相过冲,在避雷器阀片上产生的热量较直流分量小,且这些避雷器装在阀厅内,可不考虑污秽和环境温度的影响,也可选较高的荷电率约90%。考虑到阀厅有空调系统,气压为微正压,向上800kV直流工程的阀厅内的避雷器选用无外套形式,避雷器散热条件好,在发生热崩溃时不会爆炸,有利于阀厅内避雷器选择较高的荷电率。D避雷器承受很高的纯直流电压,考虑它装于户外,污秽可导致避雷器瓷或硅橡胶外套电位分布不均,引起阀片局部过热,环境温度对避雷器散热和伏安特性影响较大,选择荷电率约80%。E1H、E2和EM避雷器的PCOV很低,不考虑荷电率。但是E1H型避雷器接在中性母线平波电抗器的阀侧,而E2H(高能量)避雷器接在中性母线平波电抗器的线路侧,中性母线平波电抗器抑制了接地故障中E2H(高能量)避雷器泄放电流的大小,可导致E1型避雷器能耗比E2H(高能量)避雷器大,需要多柱并联,占地面积大,布置困难。提高E1H避雷器的Uref,可减少并联柱数,但也需提高换流变压器阀侧线圈的绝缘水平。E1H避雷器装在户外,万一发生闪络,让其自爆,不会危及厅内设备。也可加装保护间隙,由避雷器能量触发,当避雷器的能量达到其允许值时,触发保护间隙,短路避雷器。或采用高速直流断路器,由保护动作合上直流断路器,短接避雷器,降低过高的能量要求。或采用一支自牺牲避雷器与E1H并联。E2H(高能量)避雷器装于双极共用的中性母线上,通常为多个E2避雷器并联,以满足能量的要求。因此E2H避雷器的操作波U-I曲线低于装在中性母线其他位置的E2避雷器。在直流极线接地、换流变阀侧套管对地短路、交流侧不对称接地故障等情况下,该避雷器泄放大部分的能量,而装在中性母线其他位置的E2避雷器在操作过电压下泄放能量小于高能量避雷器,主要用于雷电波保护。E2H(高能量)避雷器的Uref及其保护水平可考虑下列因素优化选择:1)选择Uref较低,操作波保护水平也较低,在交直流接地等故障下,避雷器能耗较大。数量很多避雷器并联会因均流效果差而导致其中某个避雷器过载而损毁。更换特性匹配的备件也有较大的困难。2)选择Uref较高,减少了避雷器并联数量,但操作波保护水平也较高。考虑绝缘裕度后,中性母线设备、直流滤波器低压侧元件也要相应提高,增加了成本。3)需选择Uref高于与金属回线转换开关(MRTB)并联的消能避雷器的Uref,以保证MRTB正确动作,避免中性点避雷器过载。4)整流站避雷器的PCOV需高于金属回线的直流电压降。5)为减轻E1的能量负担。E2高能量避雷器的能量要求不能太小。金属回线运行方式下,整流站的E1H和E2H避雷器与金属回线相并联,金属回线线路长,阻抗大,E1H和E2H能量大,金属回线运行方式是选择E1H和E2H能量的最主要方式。逆变站在直流双极、单极大地和金属回线运行方式下,E1H和E2H避雷器与接地极线路相并联,接地极线路短阻抗小,E1H和E2H能量小。云广工程选择E1H和E2H中单台的避雷器参数与E2、EM、EL一样,均为E避雷器,以简少避雷器类型,有利于更换和减少备品备件。整流站和逆变站E1H由8支E避雷器组成,E2H由3支E避雷器组成。初选云广直流工程避雷器的Uref参数见表2。并联在平波电抗器两端的SR避雷器的运行电压仅包括来从换流单元的12脉动纹波电压,对选取Uref不起控制作用。SR避雷器主要用于雷电过电压保护。为减轻重量,选单柱阀片,利于安装,允许能量小。因而Uref的选择应避免线路接地故障下吸收能量,可选择2倍的Uref大于线路的最高运行电压。交流滤波器低压元件避雷器Fac1和Fac2的持续运行电压为工频电压叠加滤波器支路谐振频率的谐波电压,一般较低。因此避雷器的额定电压不由荷电率确定,而是在低压元件绝缘水平及其造价与避雷器的额定电压关系之间优化选择。原则是在不提高低压元件绝缘造价下,尽量选高的额定电压,避免滤波器频繁投切操作导致避雷器频繁动作,减少避雷器寿命。直流滤波器低压元件避雷器Fdc1、Fdc2和Fdc3的PCOV较低,为一个或多个与滤波器支路谐振频率对应的谐波电压。与Fac1和Fac2相同,避雷器的额定电压不由荷电率确定,而是在低压元件绝缘水平及其造价与避雷器额定电压关系之间优化选择。3.3.3uref校核避雷器生产厂家一般给出型式试验时被试的比例单元的残压特性曲线(标么值),包括最大和最小偏差特性及其单片阀片的1mA电流下的直流参考电压Uref。因此由选择的各类型避雷器的Uref除以单片阀片的Uref可以计算出所需片数及其残压特性曲线(U-I曲线)。当计算避雷器最大保护水平时,应采用