特高壓直流中性母線過電壓特性及抑制措施

穆星宇

（國網蒙東電力檢修分公司，內蒙古 錫林浩特 026000）

0 引 言

近年來，隨著特高壓直流輸電工程的不斷建設與發展，其運行過程中中性母線故障問題時常發生，不僅影響到供電工作，而且造成嚴重的經濟損失。在中性母線過電壓狀態下，直流輸電系統易發生直流開關跳閘、直流輸電系統緊急停運以及電容器被擊穿等問題，還會引發停電事故以及嚴重的損失負荷。研究分析直流系統中性母線過電壓產生的原因，不斷完善過電壓抑制舉措，具有積極的參考意義。

1 常見過電壓基本類型

1.1 重燃過電壓

引發重燃過電壓的原因是存在開斷電容性負載。開關將電容斷開的情況下，電流過零點會出現熄弧，電容器電壓達到峰值，且電壓保持不變。半個周期之后系統電壓呈現反向最大，此時斷口上的電壓達到峰值電壓的兩倍。在開關絕緣恢復速度不足，而斷口上電壓恢復速度較快的情況下會重擊穿斷口，同時對電容器以最大兩倍的峰值電壓反向充電，后半個周期即熄弧、重燃[1]。

1.2 截流過電壓

截流過電壓主要發生在斷開小電感電流時。開斷幾百至幾千安的交流電流時，一般不會引發截流現象。真空斷路器電流開斷過程中，分斷的瞬間電極受熱會引發金屬蒸發，進而形成真空電弧。在斷開大電流的過程中金屬蒸汽蒸發更加充分，產生的電弧相對穩定，工頻電流自然過零時斷弧。小電感電流斷開的情況下受金屬蒸發影響，電弧難以維持，因此在電流達到零點前會在一個瞬時值出現強制的熄弧，這種情況即為截流。發生截流現象時會提高回路電流的變化率和電感上的電壓，從而形成過電壓。

1.3 鐵磁諧振過電壓

中性點非有效接地系統的設計和變電所母線電磁式互感器的設置中采取高壓側中性點接地方式。此時電壓互感器對地電感與系統電容形成并聯回路。受一些因素影響，在母線電壓升高時電壓互感器達到飽和狀態，同時對地電感會減小且系統參數會發生變化。此外，在某個頻率范圍內，電容和電感相等會引發鐵磁諧振過電壓現象[2]。

1.4 弧光接地過電壓

中性點非直接接地系統，在單相間歇性弧光接地故障發生時，受電弧多次熄滅和重燃影響，對地電容上電荷也會不斷累積并分配，產生過電壓，其原理類似于重燃過電壓。

2 分析模型的建立

與換流站中性母線過電壓水平有關的主要內容如下：第一，包含換流回路結構和設備狀態特性等內容在內的回路特性；第二，系統工作狀態，主要指電壓、電流和功率等；第三，引發過電壓的故障，以及在操作中出現的阻抗變化等。對于中性點的過電壓問題可以采取有效抑制措施，如配置避雷器或采用控制保護系統等。要有效抑制換流站中性母線的過電壓，需考慮其絕緣水平和特殊的工作條件，選擇使用更加先進的抑制技術和措施。對此，需建立模型加以分析，掌握中性母線的過電壓特性。

高壓直流輸電系統內部有著復雜多樣的過電壓現象。實際過電壓水平會影響換流變壓器和換流閥方面的絕緣設計以及電力系統運行的安全可靠。因此，在發展特高壓電網過程中，必須加強對其內部過電壓問題的研究。在直流系統中，中性母線的電壓較低，會導致在操作失誤等情況下易出現過電壓問題，嚴重時會損壞連接在中性母線上的設備。因此，需采取合理措施，有效抑制中性母線過電壓問題，確保上面連接的設備安全。

在中性母線出現過電壓時，需重點關注可能出現的接地故障。常見的接地故障主要發生在換流變閥側出線和換流橋。出現這些故障會導致過電壓幅值過高，需加大相關研究力度。

建立特高壓直流中性母線過電壓研究模型的過程中，先需掌握直流系統參數設置、運行條件、仿真軟件、控制保護系統以及保護動作策略等，然后選擇工況加以研究。在研究分析中，可以選擇分析相對常見且危害大的故障類型，本文對換流變閥側出線單相金屬性接地故障和回路斷線故障進行分析。

換流變閥側出線單相金屬性接地故障的運行方式為雙極和單極大地回線方式。中性母線接地主要是整流站和逆變站中性點接地。采用單極金屬回線模式的情況下，中性母線過電壓由于其運行中逆變站的接地而得以有效抑制。同時，通過模擬該模式下整流側換流站中性母線避雷器的各種運行狀況計算各種工況下的過電壓。常見的工況主要就是整流側換流變Y/Δ線圈閥側單相接地、整流側換流變Y/Y線圈閥側單相接地、整流側閥頂接地短路以及整流側接地極引線斷線等。常采用的保護機制是緊急停運和閉鎖，保護模式下過電壓機制相似，不同之處主要是流過避雷器的能量。

回路斷線故障時，直流系統主回路中中性母線避雷器串入。該狀態下，各種運行模式的過電壓機制是一樣的，如果運行模式為單極大地回路，則可選擇斷線整流側接地極引線，或對整流站實行緊急停運等措施實施保護。

本文介紹換流變閥側出線單相金屬性接地故障方面常見故障工況，具體如下。

（1）整流側換流變Y/Δ線圈閥側單相接地工況分析

在仿真模擬模型的分析計算中，可得到需要的數據并掌握過電壓情況，包括整流站中性母線最大過電壓和避雷器通過最大電流。在一個周期內，選擇故障電流法換相導通時刻為故障時刻。受直流系統脈沖控制離散特性的影響，控制保護是在下一脈沖到來之后才發揮作用。故障時刻距離下次換相之間時間較長，保護作用需要相當長的延時才能到達觸發脈沖，而且會威脅到中性母線避雷器面。為有效承受過電壓，需保證其設計質量，選擇在這一故障時刻開展分析。

在主放電階段，中性母線流入下脈動前的電流不僅是從金屬回線流入的，而且混入避雷器上電流，且以后者為主。故障時刻，其中一項脈動橋觸發導通，啟動保護后觸發角移動，加大觸發導通與之后觸發的時間間隔。導通10 ms左右之后關斷脈動橋，電流過零，同時增大觸發角避免觸發導通后續脈動橋，避雷器與交流電源之間不會形成回路。此階段是避雷器消耗能量的主要環節，在直流系統脈沖控制離散特性影響下，避雷器無法在下一脈沖到來前及時發揮作用，無法有效控制避雷器能量。

金屬回線放電階段中，中性母線流入下一脈動換流橋的電流值為零。其中閥流入故障點無法通過，其自身在直流線路中對地分布電容的影響下存在分布電感，在通過金屬回線時電流值不會快速降低到零。此時金屬回線類似于電源，中性母線避雷器、逆變站接地點回路形成，一部分能量流過避雷器，與故障初期方向相反，電流的幅值較小。

金屬回線放電階段中性母線為低電位，到了觸發導通階段，故障接地點與一項下閥橋中陰極相連接，閥橋兩端就會承受正電壓，從而脈沖得以觸發、導通。中性母線快速拉為地電位，避雷器兩端電壓和電流達到零，而流入脈動橋的電流值一定，證明金屬回線電流直接流入了故障接地點而不是經過避雷器。在發生Y/Δ線圈閥側單相接地情況下，會引發中性母線避雷器動作，因此故障初期的能耗較大，及時啟動保護的情況下則可有效控制中性母線電壓，不斷減小避雷器能耗，將總能耗控制在通流容量以內[3]。

（2）整流側換流變Y/Y線圈閥側單相接地工況分析

整流側換流變，除了Y/Δ線圈閥側外，還存在Y/Y線圈閥側單相接地工況。通過模擬分析可獲得該工況下中性母線的最大過電壓及通過避雷器的最大電流和能量。其故障過程與Y/Δ線圈閥側單相接地故障基本類似，二者的不同之處在于該故障工況下只有兩個階段。中性母線接地為第三階段，上橋有故障點存在，并與中性母線之間間隔三層閥，此階段可忽視。金屬回線大多電流由避雷器接收。故障放電環節中，來自下脈動和上脈動環流橋的直流電壓和交流線電壓共同串聯形成故障電源，其電壓較大，相比于Y/Δ線圈閥側單相接地故障該工況下會有更高的能量進入避雷器。

（3）整流側閥頂接地短路

整流側閥頂接地短路故障與Y/Y線圈閥側單相接地故障過程相類似，中性母線接地第三階段不存在。與Y/Y線圈閥側單相接地故障不同的是形成故障電源的方式，故障電源由整流站上脈動換流橋與下脈動換流橋的直流電壓串聯形成，其中多了一層閥，受該層閥阻礙作用影響，實際注入避雷器的能量相對較小。

（4）整流側接地極引線斷線

單極大地處于正常運行狀態下時，逆變站電流通過接地極會流入大地，然后進入整流站。如果斷開整流站的接地極引線，那么電流要進入整流器換流閥，需經過整流側避雷器。在此情況下的直流回路中，避雷器的作用相當于電阻串聯，會有故障電流流過。可以將整個故障具體分為3個階段。

首先是保護未動作階段。故障發生后避雷器和極線流過的電流相同，避雷器在直流回路中的作用類似于電阻串聯，回路電阻瞬間增加下一定程度會降低直流電流，此時控制整流側定電流時需保證電流值不變。控制系統使用回升電流且移動觸發角的情況下，會加大直流電壓。該階段中通過的能量，是故障中主要組成。

其次是保護動作后階段。HSGS投入后該階段結束。故障發生后觸發系統的保護動作，同時改變觸發角。此狀態下，整流側電流和避雷器電流減小、整流側電壓降低，中性母線會出現過電壓問題。

最后是HSGS投入之后的階段。在整流側，中性母線上HSGS啟動投入一定時間后，保護投入，中性母線被拉為地電位，避雷器未有電流流過、兩端電壓零值。

3 中性點母線過電壓抑制措施

3.1 中性母線避雷器優化配置

特高壓直流輸電工程中，中性母線、接地極線路會配置避雷器，具體需設置中性母線平波電抗器閥側避雷器、中性母線平波電抗器線路側避雷器以及金屬回線避雷器等。優化配置過程中，需解決和改進金屬回線避雷器操作殘壓問題。降低操作殘壓不僅會加大金屬回線避雷器電流，且會減小其他中性母線平波電抗器閥側避雷器電流。

3.2 中性母線的釋能間隙抑制過電壓措施

抑制過電壓的一項有效措施就是在中性母線上設置好通道，確保能力更好釋放，可以降低電壓幅值并減少其持續時間。重視釋能間隙，將其合理應用于中性母線短時接地中，達到切斷直流電弧的目的。可以將釋能間隙作為MOV后備保護運行，在MOV吸收一定能量或其溫度超過一定值后，會觸發釋能間隙保護動作保護MOV。在此過程中，需考慮釋能間隙特點。啟動兩端并聯旁路斷路器可以縮短燃弧的時間，釋能間隙安全退出。當前，采用脈沖電壓觸發間隙中還存在觸發裝置與高壓端電氣間隔離方面未實現有效隔離的問題。此外，由于實際觸發間隙整定范圍較小，因此容易導致區外發生自觸發事故。采用自擊穿釋能間隙為避雷器后備保護，可將釋能間隙安裝在整流站接地極線路首端，限制電壓幅度，保證實際限壓效果。具體放電間隙的選擇需依據系統自身情況進行。釋能間隙系統需設置好旁路斷路器，在間隙燃弧后執行合閘操作，為間隙滅弧提供條件。同時，熄滅釋能間隙電弧、系統恢復中，有較高的動態過電壓，會出現再度擊穿釋能間隙的問題，導致旁路斷路器無法有效斷開，對此利用釋能間隙需配合直流短路技術共同作用抑制中性母線過電壓[4]。

4 結 論

對于特高壓直流中性母線過電壓問題，應建立仿真模型分析其特性。在分析結果的基礎上，結合實踐經驗，提出合理、有效且完善的抑制措施，從而減少中性母線故障，保證運行穩定，降低經濟損失。