±800 kV特高壓直流輸電系統過電壓仿真分析

李博洋

（國網高安市供電公司，江西 高安 330800）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，對電力的需求在不斷增加，而我國現階段經濟與能源資源分布極不均衡，東部地區經濟發達，電力需求缺口巨大，西部地區如山西、內蒙古和新疆等地區的煤炭資源較多，西南地區的水力資源蘊藏量豐富，可滿足東部經濟發達地區的電力需求。將西部能源輸送到東部地區，是我國經濟發展亟待解決的重大問題之一。但如果僅僅依靠西煤南運，現階段交通運輸能力遠遠滿足不了東部、南部發電廠煤炭需求量。同時，西南地區興建的大型水力發電站的巨大發電量，當前的輸電電網也無法將其完全輸出到東部地區。這就需要在西部建立大規模火電、水電基地的同時，建設大輸電能力線路將電能輸送到東部地區，在全國形成西電東送、全國聯網的電網格局。我國幅員遼闊，西部能源到東部負荷區的距離都在1 000 km以上，而且需要輸送的電量巨大。對于這種遠距離、大容量的輸電需求，直流輸電比交流輸電更適合，更有優勢[1-10]。

直流輸電一般用于長距離大容量電力輸送、大區域電網間聯絡或者海上孤島供電。與交流輸電系統類似，直流輸電系統運行時，同樣會因操作、故障、雷擊等情況產生過電壓，威脅直流系統的設備絕緣與系統運行安全。直流系統中產生操作過電壓的原因多種多樣，如換流站短路故障、直流線路接地故障、交流系統故障、直流閉鎖操作、濾波器或電容器投切操作等。相對于交流系統，直流系統中的過電壓更加復雜，其波形、幅值、產生機理、出現頻率等特性都有很大區別。并且，直流系統運行、接線方式、避雷器配置、控制保護策略等因素都會影響過電壓。因此需要對直流系統過電壓進行研究[11-23]。

雅中—江西±800 kV特高壓直流輸電工程將在2021年投運，相比于超高壓電網，對特高壓直流輸電系統過電壓保護和絕緣配合的要求更加嚴格，因此，對特高壓直流輸電系統的過電壓分析是十分必要且迫切的。

1 ±800 kV特高壓換流站過電壓

換流站作為直流輸電系統的心臟，承擔著轉換交直流輸電的任務，因此它的運行穩定性及絕緣配合的經濟性直接影響到整個直流系統。由于換流站內部存在著許多電感和電容元件，諸如平波電抗器、濾波裝置、無功補償電容器、導線的線間電容和對地電容等，當系統發生故障或進行操作時，由于系統參數和工作條件的改變，會引起電容和電感間的電磁能量轉換，造成過電壓。又由于直流系統通過換流變壓器和交流系統相連，因此發生在交流系統中的過電壓也會通過換流變壓器傳入直流系統，產生傳遞過電壓，嚴重時還會和直流系統中電感、電容元件所形成的振蕩回路發生諧振，使過電壓進一步升高等等。此外，換流站還承受著直流線路上的雷電入侵波過電壓。這些都嚴重地威脅到整個直流輸電系統乃至大電網運行的穩定性以及換流站內設備的安全性。

為更好地描述換流站內過電壓情況，在文中對一些種類的過電壓進行了仿真，在進行過電壓描述之前，先對運用的仿真模型進行簡單的介紹，模型簡圖見圖1。

圖1 雙12脈動直流輸電系統

在PSCAD中搭建雙12脈動±800 kV特高壓直流輸電系統，如圖2所示。交流側系統為500 kV系統，系統等效阻抗為2.5∠84°Ω，換流站為雙12脈動換流站。4臺換流變壓器均為雙繞組變壓器，主要參數為：額定容量為750 MVA，阻抗電壓為18%，整流站換流變額定電壓為525 kV/170 kV，逆變站換流變額定電壓為525 kV/160 kV。平波電抗器參數為0.3 H，接地極線路長度為20 km，故障發生時間為1 s，故障持續時間為2 s，仿真時長為4 s。

圖2 PSCAD雙12脈動±800kV特高壓直流系統模型

2 500 kV交流側過電壓

2.1 交流側暫時過電壓

在直流甩負荷和接地故障等故障下可能會產生幅值較高、持續時間較長的暫時過電壓，并可能產生諧波諧振過電壓。

2.2 交流側諧振過電壓

系統電抗和交流濾波器可能會形成各種頻率的串聯或并聯諧振回路，濾波器和換流變的投切操作以及單相或三相接地故障會產生諧振過電壓，特別是換流變保持有剩磁通時，換流變合閘或接地故障時，換流變發生偏磁性飽和，飽和勵磁涌流含有高幅值的低次諧波，更易產生諧波諧振過電壓。

2.3 交流側暫態過電壓和操作過電壓

交流側單相或三相接地故障會在換流母線上引起較嚴重的暫態過電壓，換流站內的斷路器操作也可能引起設備上的操作過電壓。

在PSCAD中令高端Y/Y聯結的換流變壓器的低壓側在1 s時發生三相接地故障，故障持續時間為2 s，高端Y/△聯結換流變壓器低壓側相電壓波形如圖3所示，可以看到在3 s時低壓側相電壓呈現出一個峰值較高的暫態過電壓。

圖3 高端Y/△聯結換流變壓器低壓側相電壓波形圖

3 ±800 kV直流側過電壓

3.1 直流側諧振過電壓

換流閥的任何連續不正常工作，例如閥連續丟失觸發脈沖，可能產生極線路或金屬回線或接地極線路的二次諧波的諧振過電壓。逆變站閉鎖而旁通對未解鎖故障會將工頻電壓加到極線上，產生工頻諧振過電壓。最低電位換流變低壓套管閃絡會將工頻電壓加到金屬回線或接地極線路，產生工頻諧振過電壓。

在PSCAD中對上述故障情況中的兩種情況進行仿真。

1）換流閥的任何連續不正常工作，例如閥連續丟失觸發脈沖，可能產生極線路或金屬回線或接地極線路的二次諧波的諧振過電壓。

在PSCAD中，令最高電位的Y/△聯結的換流變壓器網側單相接地，故障時間為1 s，這時換流閥的正常工作將受到影響，可以看到在±800 kV直流線路上疊加了1個二次諧波過電壓，如圖4、圖5所示，圖5為圖4的波形放大圖。

圖4 換流變網側單相接地時±800 kV直流線路電壓

圖5 換流變網側單相接地時±800 kV直流線路電壓波形放大圖（波形周期0.01 s）

2）最低電位換流變低壓套管閃絡會將工頻電壓加到金屬回線或接地極線路，產生工頻諧振過電壓。

在PSCAD中，令最低電位的Y/Y聯結的換流變壓器低壓套管單相閃絡接地，故障時間為1 s，可以看到在800 kV直流線路上疊加了一個工頻電壓，但這個工頻電壓應該是兩個相位不同的工頻電壓疊加而成的，如圖6、圖7所示，圖7是圖6的波形放大圖。

圖6 換流變低壓套管單相閃絡接地時±800 kV直流線路電壓

圖7 換流變低壓套管單相閃絡接地時±800 kV直流線路電壓放大圖（波形周期0.02 s）

3.2 直流側操作過電壓

1）直流側接地、短路和開路故障。例如高（壓）端Y/Y換流變閥側繞組對地閃絡；雙極對稱或不對稱運行時，一極接地故障，在健全極產生感應過電壓；接地極線路、金屬回線開路故障等。

2）直流控制和保護系統失靈。例如全電壓啟動、閥連續丟失脈沖故障、逆變站閉鎖而旁通對未解鎖、閥誤導通、換流站失去交流電源等。

3）交流側操作或接地故障在直流側產生的過電壓。例如交流線路單相或三相接地和清除故障通過換流變壓器傳遞至閥上，并且通過閥的串聯聯接，在閥側產生對地附加過電壓。

4）直流側開關操作過電壓。例如高、低（壓）端12脈動換流器旁路開關合閘和分閘；投切直流濾波器；單極金屬回線與單極大地回線運行方式轉換時直流轉換開關操作等。

在PSCAD中對上述故障情況中的兩種情況進行仿真。

1）交流側操作或接地故障在直流側產生的操作過電壓

圖12 平波電抗器線路端電壓

3）從換流變壓器閥側到平波電抗器的閥側端的換流器區域

在PSCAD中，令雷電流從800 kV直流線路侵入，雷電流峰值為47 kA，波形為（2.6/50）μs，觀察高端Y/△聯結換流變壓器閥側電壓情況，如圖13所示。

圖13 高端Y/△聯結換流變壓器閥側電壓

4 結語

文中通過在PSCAD中搭建雙12脈動±800 kV特高壓直流系統模型，對各種故障下系統各個部位呈現出的過電壓進行了仿真分析，得到了如下結論：

1）交流側發生故障時（如單相或三相接地等故障），交流側可能會產生較嚴重的工頻過電壓或暫態過電壓。

2）交流側發生故障時（如單相或三相接地、斷路器分合閘等故障）接地故障時，±800 kV直流線路可能會產生工頻過電壓或暫態過電壓，甚至諧振過電壓。

3）當特高壓直流輸電系統遭受雷擊時，在換流站或直流輸電線路上會產生雷電過電壓，雷電過電壓幅值與雷電流大小、雷電流經過路徑等因素有關。