基于故障錄波器的直流濾波器接地故障分析方法*

孫 玥 ，孫小羊 ，魏欣

(1.南京信息職業技術學院智能交通學院,江蘇 南京 210023；2.三江學院電子信息工程學院,江蘇 南京 210012)

高壓直流(High Voltage Direct Current,HVDC)輸電在遠距離大容量輸電和電力系統聯網方面具有明顯的優點,在我國西電東送和全國聯網工程中起到了重要作用。目前電力系統中發電和用電的絕大部分均為交流電,因此要采用高壓直流輸電就必須進行AC-DC 變換。換流閥在工作時會在直流側產生特征諧波和非特征諧波?？紤]到諧波的危害有很多,一般采用架空線路的直流輸電工程都會在換流站的平波電抗器之后配置直流濾波器來降低諧波對直流系統的影響。直流濾波器發生故障引起的強迫停極對電力系統的穩定運行沖擊較大,尤其是強直弱交的交流電網[1-2]。

直流濾波器故障分析已經有不少的研究成果,主要集中在對直流濾波器的過電壓與絕緣配合、故障及保護進行了仿真分析。文獻[3]借助PSCAD 軟件對三調諧直流濾波器的高壓側電容器的故障及其不平衡電流保護進行仿真分析。文獻[4]從實際工程的角度借助故障錄波軟件實現了對直流濾波器典型接地故障的定性分析,對直流濾波器的故障分析具有一定實際指導意義。文獻[5]分析了高壓側電容器高壓端子對地短路時直流濾波器各元件的暫態電壓應力及避雷器承受的暫態電壓和電流,給出了當雷電波侵入直流母線時避雷器的絕緣配合問題,但是研究比較淺顯,沒有對直流濾波器的故障進行深入分析。文獻[6]研究了直流濾波器過電壓分析及絕緣配合問題,在理論分析的基礎上采用PSCAD/EMTDC 4.2.1電磁暫態仿真軟件進行仿真驗證,相關結論可為±1 000 kV 直流濾波器的絕緣配合問題提供參考。文獻[7]研究了在直流系統不同運行工況下±1 000 kV 直流濾波器典型故障下的過電壓和暫態特性,分析了直流濾波器的絕緣配合問題。上述文獻都是依靠現有的電磁暫態仿真軟件如PSCAD/EMTDC 對直流濾波器進行故障仿真分析,尚未見采用故障錄波器并結合直流濾波器的狀態空間方程分析法進行故障仿真分析的報道。

為此,詳細建立了直流線路遭受外部雷擊情況下的直流濾波器內部故障的標準狀態空間方程,采用隱式歐拉法獲得該狀態空間方程的數值解,從而對直流濾波器各元件的接地故障進行反演。為了準確反演出故障暫態特性,以故障錄波器記錄的極母線和中性線電壓作為雷電沖擊電壓源,根據仿真結果判斷直流濾波器各元件的絕緣受損情況,為直流濾波器實際運維中的故障分析提供了一條有效的技術途徑。

1 直流濾波器的結構及電流差動保護判據

當直流濾波器發生接地故障后,系統內部濾波諧振回路被改變,不僅影響直流系統的濾波效果,還會導致直流濾波器因過流或過壓而損毀,甚至會導致直流輸電系統停極或緊急停運。對此,工程上的做法是給直流濾波器配置由首、尾端電流互感器構成的差動保護[1-2]。

如圖1 所示為2/12/36 三調諧直流濾波器的實際工程接線圖。WP 是直流極母線,WN 是直流中性母線。T8表示電子式電流互感器,通常稱為高壓側光電流互感器；T1、T2和T3是H 橋式電容器塔的不平衡光CT(CT 為電流互感器的英文縮寫)。T4、T5、T6和T7都是電磁式電流互感器。T4和T8測量的電流值用來構成直流濾波器的電流差動保護和過負荷保護[8-9]。高壓側直流電容器C1承受極直流母線高電壓且隔離直流電壓,考慮到直流泄露電阻的作用,構成電容器C1的電容器單元內部應并聯均壓電阻,從而可以有效降低均衡電壓防止單支電容器單元發生內部擊穿[10]。F1是電抗器L1兩端避雷器；F2是低壓電容器C2兩端避雷器；F3是低壓電容器C3兩端避雷器；F4是電抗器L1高壓端避雷器。

圖1 2/12/36 三調諧直流濾波器接線圖

直流濾波器只單純地濾除直流側的特定諧波電流,不參與無功補償,因此不涉及到直流濾波器的控制[11]。關于直流濾波器的電流差動保護,高壓側光電流互感器測得的電流瞬時值記為iz1,濾波器末端電磁式CT 測得的電流瞬時值記為ifilt,按照下列公式計算出相應的有效值并求得差動電流值Idiff。

直流濾波器差動保護的動作邏輯定義如下:

(1)若Idiff＞40 A,延時2 050 ms,且高壓側光CT測得電流有效值滿足｜Iz1｜＜180 A,且高壓側光CT和末端電磁式CT 均無測量故障,則隔離直流濾波器(DCF_DIFF_disconnect)；

(2)若Idiff＞40 A,延時2 050 ms,且高壓側光CT測得電流有效值滿足｜Iz1｜＞180 A,且高壓側光CT和末端電磁式CT 均無測量故障,則極閉鎖直流濾波器(DCF_DIFF_block)。

2 直流濾波器的接地故障建模

按照故障接地點的不同,一般可以將直流濾波器接地故障分為直流濾波器高壓側電容區接地故障以及電容區以下電抗器(調諧區)接地故障。文中將重點對這兩種接地故障情形進行故障反演分析。

2.1 直流濾波器無故障情況下的狀態空間模型

利用故障錄波器采集到的極母線電壓udl和中性線電壓udn作為雷電沖擊電壓源,分析在該電壓作用下電抗器L1、L2和L3的高壓側對地暫態雷電過電壓,從而分析電抗器發生閃絡故障的原因。圖2為在雷電沖擊電壓下直流濾波器內部無故障情況下的等效電路,表1 為一組2/12/36 三調諧直流濾波器元件參數值。

圖2 雷電沖擊電壓下直流濾波器的等效電路圖

表1 2/12/36 三調諧直流濾波器元件參數

由圖2 列出雷電沖擊電壓下直流濾波器內部無故障情況下等效電路的微分方程為:

式中:u1、u2、u3分別表示相應的電容電壓；分別表示相應的電容支路電流；分別表示相應的電感支路電流；表示電感L1兩端的電壓。

此外,根據圖2 中的拓撲關系,可以列寫出以下方程:

聯立式(2)和式(3),微分方程可以寫成:

式中:A＝diag(C1,C2,C3,L1,L2,L3)；狀態變量x＝[u1,u2,u3,]T；

至此,建立了雷電沖擊電壓下直流濾波器在無故障情況下狀態空間方程。

2.2 直流濾波器高壓側電容C1 接地故障建模

高壓側電容器C1共三個H 橋式電容器塔并聯組成的,其中單個H 橋式電容器塔的每個橋臂是由29 個單支電容器串聯構成的,其示意圖如圖3 所示。三個H 橋式電容器塔在直流場呈“品”字型布置,采用支撐式絕緣子與地面保持一定的距離,且絕緣子的外表面都噴涂PRTV 絕緣涂料,可有效地避免沿面閃絡。已知單支電容器的電容值為10.15 μF。文中選取單個H 橋式電容器塔上橋臂發生接地故障,其中接地電阻為Rf,此時相應的等值電路見圖4 所示。在上節的分析基礎上建立直流濾波器狀態空間方程,即:

圖3 高壓側電容C1 接地故障示意圖

圖4 高壓側電容C1 接地故障的等效電路圖

至此,建立了雷電侵入波下直流濾波器電抗器高壓側電容C1上橋臂接地故障情況下直流濾波器狀態空間方程。

2.3 直流濾波器電抗器L1 接地故障建模

電抗器L1和高壓側電容器C1構成串聯諧振[12-13],也是雷電侵入波下容易遭受過電壓沖擊的元件。如圖5 所示,假設接地故障發生在L1的低壓側,接地電阻為Rf。實際上在直流場中L1對地依靠柱型支撐絕緣子保持一定的距離,且支撐絕緣子的外表面都噴涂PRTV 絕緣涂料,提高了支撐絕緣子的憎水性和絕緣水平。在上節的基礎上改變直流濾波器狀態空間方程式(4)中矩陣B和列向量w相應位置的元素,即:

圖5 濾波器電抗器L1 接地故障示意圖

至此,建立了雷電侵入波下直流濾波器電抗器L1低壓側發生接地故障情況下狀態空間方程。

3 直流濾波器接地故障反演分析

從圖2 可知直流濾波器的等效電路是典型的LC振蕩回路,為了避免計算出不真實的暫態過電壓值,消除原發性的數值振蕩,因此選擇L-穩定的隱式歐拉法對直流濾波器狀態方程進行求解[14],具體的分析結果如下。經驗證在下面的故障情況下,由于雷電沖擊波的侵入時間比較短,假設在侵入期間直流濾波器發生接地故障,也不會造成直流濾波器的差動保護動作[15-17]。

3.1 電抗器L1 接地故障仿真

該仿真場景是在外部發生雷擊直流線路時,雷電波侵入直流場造成直流濾波器發生明顯的弧光閃絡現象[18]。如圖6 所示,故障錄波器的采樣頻率為10 kHz,接地電阻Rf＝200 Ω。為了計算的方便不采用插值算法,隱式歐拉法的計算步長為0.1 ms,仿真結果如圖6、圖7 所示。

圖6 電抗器L1 接地故障時的過電壓波形

圖7 電抗器L1 接地故障時的暫態沖擊電流波形

圖6 是外部發生雷擊故障時的電抗器L1高低壓端子對地的過電壓波形,根據文獻[6]中直流濾波器的雷電及操作電壓沖擊耐受水平可知,電抗器L1高壓端子對地的最大過電壓幅值為538.7 kV,離高壓端子對地的雷電沖擊耐受水平(Lightning Impuls withstand Level,LIWL)值830 kV 還有較大的裕度值(35%),且該值和操作沖擊耐受水平(SIWL)值640 kV 之間的裕度值為15.8%,這些值均符合直流濾波器的電抗器L1絕緣水平設計要求,因此該雷電沖擊電壓不會對電抗器L1的主絕緣造成威脅。

考慮到故障錄波器采樣頻率,可能沒有捕獲到實際極母線雷電沖擊電壓的最大值,且采用的數值算法的精度僅為1 階,因此,對電抗器L1內部繞組的主絕緣是否被破壞無法做出確定的判斷,實際中應結合現場停電檢修進行電抗器L1的相關電氣試驗以進一步驗證仿真的結論是否合理。

此外,考慮到電抗器L1是干式空心電抗器,其繞組耐受沖擊的能力和電抗器匝間應力都受到最大暫態電流的影響[19-20],如圖7 所示,在雷電沖擊波侵入直流場瞬間電抗器L1的最大電流可達5.29 kA,但是由于阻尼電阻R1的作用和雷電侵入波的自身的衰減,該暫態沖擊電流很快就振蕩衰減掉了,因此不會對電抗器L1匝間繞組的絕緣性能造成破壞[21-22]。

3.2 高壓側電容器C1 接地故障仿真

該仿真場景是模擬直流線路在遭受雷擊故障后直流濾波器各元件的過電壓情況。圖4 所示是模擬高壓側電容器C1的某個電容器塔的上橋臂發生對地短路時的等效電路圖。記某個高壓電容器塔的上橋臂頂部到故障點間單支電容器數a占整個上橋臂總電容數的百分比為α＝a/29,可見α值越小表示故障點距離直流母線越近,故障后果越嚴重。

仿真中,故障錄波器的采樣頻率、故障接地電阻值以及算法的積分步長和上一節保持不變。此時根據故障錄波器記錄的極母線電壓波形可知,高壓側電容器C1遭受的最大雷電沖擊電壓值離高壓側電容器C1的雷電沖擊耐受水平(LIWL)值1 950 kV 和操作沖擊耐受水平(Switching Impulse Withstand Level,SIWL)值1 600 kV 還留有很大絕緣配合裕度[6],因此不會發生絕緣擊穿問題,此時重點關注電抗器L1高壓側端子在操作過電壓作用下的絕緣配合問題。仿真結果如圖8 和圖9 所示。

圖8 高壓側電容器C1 接地故障時電抗器L1的過電壓波形

圖9 高壓側電容器C1 接地故障時電抗器L1的暫態沖擊電流波形

從圖8、圖9 可知,當故障點距離高壓側電容器C1的高壓側端子越近,故障后的電抗器L1高壓側端子的過電壓和暫態沖擊電流幅值越大,但在最極端的情況下即電抗器L1高壓側端子的最大過電壓值為577.2 kV(故障點在a＝1 處),也不會對電抗器L1繞組的主絕緣造成威脅。

4 結論

文中提出了一種基于故障錄波器的直流濾波器故障反演方法。建立了直流濾波器的內部元件故障時的等效電路結構并列出了標準的狀態空間方程。針對不同接地故障情形,運用隱式歐拉法得到狀態空間方程的數值解從而進行故障反演。此外,通過故障反演進一步分析直流濾波器內部故障發生的原因以及相關保護動作情況。根據反演的結果并且結合差動保護判據以及直流濾波器絕緣配合參數,可知在該次雷擊侵入波下各電抗器的主絕緣有沒有遭到破壞。