分裂導(dǎo)線表面電場(chǎng)對(duì)換流站操作過(guò)電壓影響研究

劉雨佳，何柏娜，榮 博，邊晨曦，戴雪婷

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東計(jì)保電氣有限公司，山東 淄博 255000)

中國(guó)能源與用電負(fù)荷呈逆向分布，特高壓直流輸電(ultra high voltage direct current，UHVDC)在解決資源供需關(guān)系失衡中起主導(dǎo)作用，是目前大容量、遠(yuǎn)距離輸電的最優(yōu)技術(shù)方案[1-3]。換流站承擔(dān)UHVDC系統(tǒng)交直流轉(zhuǎn)換的作用，是建設(shè)UHVDC工程的核心。換流站運(yùn)行時(shí)，極易發(fā)生操作過(guò)電壓[4-6]，擊穿設(shè)備絕緣，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

換流站操作故障具有不確定性，且不同類型、不同位置的故障電壓暫態(tài)特性多種多樣，無(wú)法采用單一措施抑制過(guò)電壓。為滿足實(shí)際工程的應(yīng)用需求，劉士利等[7]采用平波電抗器分置布局，減小關(guān)鍵位置處最高運(yùn)行電壓與換流變閥側(cè)繞組電壓的振幅，降低電壓失穩(wěn)度；王贊等[8]提出極線單端接地運(yùn)行、金屬回線接地極與換流站共用接地網(wǎng)的方式，保障接地網(wǎng)電位升高時(shí)設(shè)備運(yùn)行安全和人身安全；岳涵[9]等結(jié)合調(diào)相機(jī)輸出容性無(wú)功的特點(diǎn)，減少濾波器投入量，降低濾波器滯后切除引起的過(guò)電壓。也有學(xué)者從提高系統(tǒng)絕緣配合方面展開研究，陳晴[10]、劉羿辰[11]等分別基于柔性直流系統(tǒng)和±1100 kV系統(tǒng)換流站的過(guò)電壓特性，優(yōu)化換流站避雷器配置方案，提高換流站絕緣水平和系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

本文在研究換流站操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}上，充分考慮外部電磁環(huán)境對(duì)換流站操作過(guò)電壓的影響。外部電磁環(huán)境的重要影響因素是導(dǎo)線表面電場(chǎng)[12-13]，線路電磁耦合、分裂間距、氣候條件等因素均會(huì)影響導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)分布[14-16]，增強(qiáng)直流導(dǎo)線間電磁感應(yīng)，加重電壓失穩(wěn)。因此，導(dǎo)線表面電場(chǎng)對(duì)換流站操作過(guò)電壓的影響不容忽視。

本文搭建800 kV六分裂直流導(dǎo)線模型，模擬3種典型換流站操作故障，分析分裂間距、導(dǎo)線表面電場(chǎng)與操作過(guò)電壓的關(guān)系，研究直流線路表面電場(chǎng)對(duì)換流站電壓穩(wěn)定性的影響。

1 換流站模型

本文搭建±800 kV換流站仿真模型，模型以向家壩—上海UHVDC工程為基礎(chǔ)，整流逆變側(cè)均采用雙十二脈動(dòng)閥組串聯(lián)的接線方式，換流站正負(fù)極線各裝設(shè)2臺(tái)0.075 H的平波電抗器，布局采用平抗分置。換流變壓器為三相單繞組，主要參數(shù)見表1。站內(nèi)交直流濾波器結(jié)構(gòu)見圖1、參數(shù)見表2。輸電線路全長(zhǎng)2000 km，布置及參數(shù)見表3。

表1 換流變壓器模型參數(shù)

圖1 交直流濾波器結(jié)構(gòu)

表2 交直流濾波器元件參數(shù)

表3 直流輸電導(dǎo)線模型參數(shù)

基于上述設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建如圖2所示的換流站仿真模型。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)正負(fù)直流極線電壓如圖3所示。由圖3可知，換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)正負(fù)極線電壓為±800 kV，滿足設(shè)計(jì)參數(shù)及換流站模型設(shè)計(jì)條件。

圖2 換流站整體布局

圖3 向家壩—上海UHVDC工程直流極線電壓波形

2 換流站直流線路表面電場(chǎng)

2.1 表面電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理

直流輸電導(dǎo)線電壓極性不變，被電離出的同極性離子因電荷斥力運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)線外部，形成包圍層，改變了導(dǎo)線空間電場(chǎng)分布。被電離的正負(fù)離子引發(fā)導(dǎo)線雙極間直流電暈放電現(xiàn)象，如圖4所示。其中，D0為連接中心對(duì)稱的兩子導(dǎo)線圓心距；d0為子導(dǎo)線直徑；Dm為單根六分裂直流導(dǎo)線直徑。

圖4 直流導(dǎo)線離子分布

本文基于模擬電荷法計(jì)算直流分裂導(dǎo)線表面電場(chǎng)，分析導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的影響因素。搭建800 kV六分裂直流輸電導(dǎo)線模型，模擬不同分裂間距下分裂導(dǎo)線及其子導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布。

模擬電荷法是在分裂導(dǎo)線內(nèi)部選取1組模擬電荷，等效為導(dǎo)線表面自由電荷，并在子導(dǎo)線表面設(shè)置校驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行電壓差值校驗(yàn)。若校驗(yàn)點(diǎn)與實(shí)際電壓差值在誤差允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為該模擬電荷可代替實(shí)際電荷。子導(dǎo)線總電荷數(shù)由式(1)求出。

U=p·q

(1)

式中：U為分裂導(dǎo)線電壓矩陣式；p為分裂導(dǎo)線電位系數(shù)矩陣式；q為分裂導(dǎo)線總電荷矩陣式。

自電位系數(shù)paa和互電位系數(shù)pab共同組成電位系數(shù)矩陣p，如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

(4)

式中：ε0為空氣介電常數(shù)；Ha為等效導(dǎo)線a的對(duì)地高度；lab為第a、b2根等效導(dǎo)線的相對(duì)距離；lAB為第a、b2根等效導(dǎo)線的鏡像投影距離。

設(shè)(Xa,Ya)為模擬電荷a的坐標(biāo)，(xa,ya)為導(dǎo)線表面任一點(diǎn)的坐標(biāo)，分裂間距等效為點(diǎn)(Xa,Ya)與點(diǎn)(xa,ya)的相對(duì)距離d，則導(dǎo)線X軸、Y軸表面場(chǎng)強(qiáng)分量的表達(dá)式如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

式中：qa為第a個(gè)模擬電荷量；E0為初始場(chǎng)強(qiáng)；Ex、Ey為所求點(diǎn)的軸向場(chǎng)強(qiáng)分量。

由式(5)、式(6)可知，Ex、Ey與相對(duì)距離d密切相關(guān)。不考慮測(cè)量誤差、正負(fù)極線間電磁耦合及空氣濕度等外界環(huán)境因素，理想條件下導(dǎo)線總合成場(chǎng)強(qiáng)E表達(dá)式如式(7)所示。

(7)

綜合分析式(5)—(7)可知，分裂間距是導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的重要影響因素之一，選擇合適的分裂間距，可優(yōu)化直流導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布，改善輸電線路電磁環(huán)境。

2.2 仿真分析

本文建立800 kV直流分裂導(dǎo)線模型，分析導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布，不同分裂間距仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，直流導(dǎo)線最大表面場(chǎng)強(qiáng)見表4。

(a)分裂間距為0.3 m

圖6 不同分裂間距下分裂子導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布

表4 不同分裂間距下直流導(dǎo)線最大表面場(chǎng)強(qiáng)

由圖5、圖6可知，子導(dǎo)線內(nèi)外表面電場(chǎng)整體分布不均，局部高強(qiáng)度場(chǎng)強(qiáng)集中分布于子導(dǎo)線外表面，內(nèi)表面場(chǎng)強(qiáng)較弱。子導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)Em隨分裂間距增大先減后增，呈U型變化趨勢(shì)，d=0.4 m時(shí)表面場(chǎng)強(qiáng)最小。仿真結(jié)果表明，分裂間距改變導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)及電場(chǎng)空間分布，影響線路電磁環(huán)境和輸電電壓穩(wěn)定性。

3 換流站操作過(guò)電壓

HVDC換流站直流導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高會(huì)引發(fā)嚴(yán)重電暈，影響線路電壓穩(wěn)定性，加重?fù)Q流站操作過(guò)電壓。本文模擬典型換流站故障，分析分裂間距、表面場(chǎng)強(qiáng)對(duì)換流站直流線路過(guò)電壓的影響。

3.1 單極直流輸電線路接地故障

設(shè)定t=1.0 s時(shí)正極直流極線接地短路，分裂間距d為0.3～0.5 m時(shí)負(fù)極線路極線電壓如圖7所示。由圖7可知，1.0 s故障發(fā)生后，正極極線以故障點(diǎn)為中心，向線路兩端輸送反向故障電壓行波，負(fù)極電路感應(yīng)到突變的反向脈沖電流，導(dǎo)致電壓迅速升高。1.01 s時(shí)極線電壓達(dá)到反向過(guò)電壓峰值，隨后大幅回落，故障后0.07 s逐步恢復(fù)穩(wěn)定，1.2 s左右重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。

圖7 0.3～0.5 m分裂間距下負(fù)極極線電壓

仿真結(jié)果表明，分裂間距d=0.5 m時(shí)，極線反向過(guò)電壓最高，故障電壓恢復(fù)速度最慢；d=0.3 m時(shí)，Em最大，如表4所示，表面電場(chǎng)對(duì)故障后極線電壓干擾最強(qiáng)，雖然故障電壓能快速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，但穩(wěn)態(tài)值明顯高于故障前極線電壓值；d為0.35～0.45 m時(shí)，過(guò)電壓幅值較小、電壓恢復(fù)速度較快，且故障后電壓穩(wěn)態(tài)值與故障前基本一致。

綜合表4分析可得，d為0.35～0.45 m時(shí)，導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)較小，故障后極線電壓可控性較高，輸電環(huán)境較穩(wěn)定。

3.2 逆變側(cè)交流電網(wǎng)單相接地故障

在換流站逆變側(cè)交流電網(wǎng)處設(shè)置A相接地故障，t=1.0 s發(fā)生故障，故障持續(xù)時(shí)間0.05 s，分裂間距d為0.3～0.5 m時(shí)正極直流輸電線路電壓如圖8所示。

圖8 0.3～0.5 m分裂間距下正極直流極線電壓1

由圖8可知，1.0 s交流逆變側(cè)A相接地故障發(fā)生后，操作沖擊電壓波以全幅值通過(guò)換流變內(nèi)部，靜電電磁感應(yīng)加速行波傳遞至閉鎖的換流閥側(cè)，正極極線產(chǎn)生反向過(guò)電壓，d=0.3 m和d=0.5 m時(shí)，反向過(guò)電壓峰值較大，約為-750 kV。1.05 s故障清除后，電壓持續(xù)波動(dòng)，隨分裂間距的增大，電壓波動(dòng)范圍ΔU遞減，1.45 s后逐漸趨于穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明，隨分裂間距的增大，電壓波動(dòng)范圍ΔU遞減，與d=0.3 m相比，d=0.5 m時(shí)ΔU縮短約30%，極線電壓暫態(tài)穩(wěn)定性更高。

結(jié)合表4分析可得，d=0.4 m和d=0.45 m時(shí)，Em、反向過(guò)電壓峰值及ΔU均較小，故障后極線電壓穩(wěn)定性較高。

3.3 逆變側(cè)失去交流電源故障

設(shè)定t=1.0 s時(shí)換流站發(fā)生逆變側(cè)失去交流電源故障，分裂間距d為0.3～0.5 m時(shí)，故障正極極線電壓如圖9所示。

圖9 0.3～0.5 m分裂間距下正極直流極線電壓2

由圖9可知，發(fā)生故障后，由于交流側(cè)故障能量的持續(xù)注入及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投切不及時(shí)，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)，極線電壓先減后增，1.15 s后穩(wěn)定于900 kV左右，呈周期性振蕩。仿真結(jié)果表明，同一振蕩周期內(nèi)，分裂間距d=0.3 m和d=0.5 m時(shí)的電壓波動(dòng)范圍較大，電壓穩(wěn)定性較差。結(jié)合表4分析可得，d=0.3 m時(shí)導(dǎo)線Em最大，線路電磁環(huán)境不穩(wěn)定，加劇故障時(shí)電磁振蕩現(xiàn)象。

綜上，d為0.35～0.45 m時(shí)，直流導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)較小，故障后極線電壓振蕩程度較小，電壓穩(wěn)定性較高，系統(tǒng)過(guò)電壓危害大幅降低。

3.4 操作過(guò)電壓與表面電場(chǎng)

分裂間距d為0.3～0.5 m時(shí)，導(dǎo)線最大表面場(chǎng)強(qiáng)與上述3種換流站操作過(guò)電壓的變化關(guān)系如圖10所示。由圖10可知，d=0.3 m時(shí)，表面場(chǎng)強(qiáng)最大，線路電磁環(huán)境最差；0.3 m≤d<0.4 m時(shí)，表面場(chǎng)強(qiáng)遞減；d=0.4 m時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最小；0.4 m

圖10 不同分裂間距導(dǎo)線最大表面場(chǎng)強(qiáng)與操作過(guò)電壓變化關(guān)系

分析表明，直流輸電導(dǎo)線選擇分裂間距d為0.35～0.45 m，表面場(chǎng)強(qiáng)和故障過(guò)電壓均較小，有利于維持故障后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，降低操作過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的危害。

4 結(jié)論

a.直流分裂導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)集中于子導(dǎo)線外表面，隨分裂間距增大，場(chǎng)強(qiáng)先減后增，d=0.4 m時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最小，總體呈U型變化趨勢(shì)。

b.不同分裂間距下，導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)與換流站操作過(guò)電壓呈正相關(guān)變化，d為0.3～0.45 m時(shí)，故障后電壓暫態(tài)穩(wěn)定性和可控性較高，是設(shè)計(jì)線路的優(yōu)先選擇方案。研究結(jié)果可為實(shí)際工程建設(shè)中±800 kV換流站直流輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。