特高压直流保护与避雷器动作特性配合分析

黎建平，汪凤娇，卢文浩，陈 伟，龙 启，王钢

(1．中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广州市510663;2．华南理工大学电力学院，广州市510640)

0 引 言

能源资源分布与电力负荷需求相对不均衡造成了我国能源远距离、大规模流动的必然趋势。特高压直流输电具有输送距离远、输送容量大、易于控制和调节、节约线路走廊和易于电网互联等优点［1］，成为我国电网建设的重要发展方向之一。

我国±500 kV 直流输电工程运行经验较为丰富，但±800 kV 直流输电工程运行经验相对贫乏，电压等级的升高，导致过电压水平也增大。直流控制保护整定参数会影响故障后过电压暂态特性，而现有特高压换流站直流设备是采用氧化锌避雷器进行直接保护，因而两者的配合非常重要。但是，直流控制保护整定和避雷器参数配置均从各自角度出发来进行选择和配置的，因此，有必要对直流保护和避雷器的配合进行研究。

±800 kV 直流输电工程的避雷器配置对过电压和绝缘配合的影响研究较多［2-3］，且有相对定性的结论。直流保护策略对绝缘配合的影响方面研究较少，现仅有针对糯扎渡直流输电工程的相关研究［4］，但控制保护策略和实际有一定差异。目前，暂无针对云广工程且基于实际控制保护策略的保护与避雷器动作特性配合的研究［5-6］。本文基于云广特高压直流输电电磁暂态模型，对阀避雷器和中性母线避雷器考核比较严格的3 种典型过电压工况中，保护与避雷器配合的问题进行理论分析和仿真研究。

1 避雷器配置

特高压直流换流站避雷器配置的原则是换流站交流侧产生的过电压应由交流侧的避雷器进行限制;换流站直流侧产生的过电压应由直流侧避雷器进行限制;换流站内的重要设备应由紧靠其的避雷器直接进行保护［7-8］。

云广特高压直流输电工程额定输送功率5 000 MW，额定运行电压± 800 kV，额定电流3.125 kA，线路长1 418 km。云广特高压楚雄换流站避雷器配置如图1 所示，整流站和逆变站采用相同绝缘配合方案，减少了不同电压等级设备的制造成本。最高端YY 换流变阀侧采用A2 避雷器直接保护，降低了最高电位的换流变阀侧操作冲击绝缘水平。中性母线避雷器采用相同的避雷器配置，其中E1H 避雷器为8 柱E 型避雷器并联，E2H 为3 柱E 型避雷器并联，在金属回线方式下有EM 避雷器(3 柱E 型避雷器并联)，双极大地和单极大地回线方式下有EL避雷器。除此以外还有交流母线避雷器A，阀避雷器V1、V2 和V3，直流母线避雷器C2，直流母线中点避雷器C1，直流线路避雷器D 和平波电抗器避雷器DR。

2 控制保护配置

±800 kV 特高压直流由于采用双12 脉整流器，阀组数增多，为了减少故障之后直流功率的减少，保护采用分层方式分为极保护和阀组保护。极保护主要包括极换流器保护、直流母线保护、直流线路保护、接地极线路保护、高速开关保护和直流滤波器保护。阀组保护主要包括阀组级换流器保护和旁路开关保护［9-11］。云广控制系统也是通过分层控制，包括双极控制层、极控制层和阀组控制层。

3 交流侧相间冲击

交流侧的相间操作过电压通过换流变传递到阀侧，会在换流变的阀侧端子和阀上产生过电压，是决定阀避雷器绝缘水平的重要工况之一。常用的施加方法是在金属回线方式下，交直流系统运行时，相间施加操作波的电流源或电压源，通过调节电流幅值使得交流相间电压达到1 326 kV。

图1 云广楚雄换流站避雷器配置Fig.1 Arrangement of arrester in Chuxiong converter station

故障时刻选取1个周期内承受对应交流两相过电压的阀由导通到开始换相关断的时刻。例如，对AB 相施加操作波，选取阀1 开始换相的时刻故障，操作波到达时，阀2 换相失败，阀3 继续承受反相电压，此时的反相电压的最大值取决于换流变阀侧AB相间的电压差。故障时刻示意图如图2 所示，图中A点为交流侧相间冲击施加时刻即阀1 向阀2 开始换相时刻，B 点为阀3 到达最大过电压时刻。

图2 交流侧相间冲击故障时刻示意图Fig.2 Failure moment diagram of AC-side phase-phase switching impulse

各阀避雷器承受的最大过电压如表1 所示，该工况下由于操作波施加时间很短，而交流过电压保护最快动作时延为10 ms，无法达到保护动作启动要求，因而，在此种工况下，避雷器的最大应力不受保护影响。由于操作冲击时间很短，阀最大过电压幅值较高，但能量较低。

表1 交流侧相间冲击避雷器应力Table 1 Arrester stress of AC-side phase-phase switching impulse

对比V1、V2 和V3 避雷器应力可以看出，V3 避雷器承受的过电压最高，其次是V2 避雷器，V1 避雷器的过电压电压水平最低，因而，研究V3 避雷器的绝缘水平时一定要对此种工况进行研究。

4 最高YY 换流变阀侧套管闪络

最高电位换流变YY 阀侧套管在运行中承受着很高的交直流叠加电压，有可能会发生对地闪络。Y线圈套管闪络时，下12 和上12 脉动换流器的直流电压通过上半桥导通阀与交流线电压串联向故障点提供短路电流，逆变站则由直流线路通过导通的阀向故障点提供短路电流［12-13］，换流器高压端直流电流上升，换流器中性母线直流电流下降。正常情况下由阀短路保护I 段动作，后续动作保护为直流差动保护和直流线路低电压保护。云广阀短路保护和直流差动保护逻辑如表2、3 所示，保护动作后阀闭锁，直流电流降低，与V1 避雷器并联的换流阀电流熄灭后，V1避雷器将承受最大过电压，此时吸收能耗也最大，此种工况是V1 避雷器的主要决定性工况之一。由于阀短路保护I 段无时延，无论后续保护时延为多少，阀避雷器最大应力不受影响。从考虑最不利的情况出发，下面分析当阀短路保护无法正常启动时，直流差动保护时延不同对阀避雷器应力的影响。

表2 阀短路保护Table 2 Short circuit protection of valve

表3 换流器直流差动保护Table 3 DC differential protection of converter

图3为双极输送功率5 000 MW 时，直流差动保护时延分别为3 、5、10 ms 时V1 避雷器最大应力以及直流差动保护动作信号和触发角波形。仿真中按1 周期波20 ms 取20个点进行仿真，得到避雷器最大应力。图3 的仿真数据为3.5 s 时设置C 相接地，由于换流阀的作用，阀避雷器最大过电压出现在非故障相阀上。从V1 电压波形可以看出，直流差动保护动作信号发出后，最先闭锁阀基电子设备(valve base electronic，VBE)，阀电流减小，V1 避雷器很快达到最大过电压幅值。但阀电流并没有完全熄灭，V1 避雷器后续还有几次动作，但是最大过电压幅值降低。时延为3 ms 和5 ms 时触发角波形几乎一致，两者V1避雷器最大过电压幅值也几乎一致，但时延为10 ms时，3.51 ～3.53 s 触发角的上升速率明显低于3 ms和5 ms 时的，阀电流关断速度减慢，导致V1 避雷器的最大过电压幅值略低。

图3 输送功率5 000 MW 时最高YY换流变阀侧接地时各电压、电流波形Fig.3 Voltage and current waveform during flashover of value side of high YY converter transformer with 5 000 MW transmission power

图4为双极输送功率为500 MW 时，直流差动保护时延分别为3、5、10 ms 时V1 避雷器应力以及直流差动保护动作信号和触发角的波形。图4 中故障开始时间为3.511 s，从V1 电压波形可以看出，在直流差动保护发出动作信号之前，V1 避雷器就已经达到了动作电压开始放电，保护时延为3 ms 和5 ms 时，V1 避雷器最大过电压出现在保护动作之后，当保护时延为10 ms 时，V1 避雷器在保护动作之前达到了最大过电压。由于输送功率小，直流线路电流小，阀电流容易关断，相比于输送额定功率的V1 避雷器很快达到最大过电压。与不同保护不同时延情况下避雷器应力相比，V1 避雷器最大应力变化很小，保护时延的影响很小。

图4 输送功率500 MW 时最高YY 换流变阀侧接地时各电压、电流波形Fig.4 Voltage and current waveform during flashover of value side of high YY converter transformer with 500 MW transmission power

表4 为不同输送功率和不同保护时延对避雷器应力的影响仿真对比结果，输送功率小时因系统电流较小，换流阀容易关断，V1 应力较大，V1 最大过电压为384 kV，最大能量为3.52 MJ，在保护设计范围内。输送功率较大时，由于线路压降大，中性母线的E1H型避雷器应力较大，故障时刻在1个周期内流过故障电流的阀刚换相导通时，中性母线E 避雷器承受的过电压最大。E1H 最大过电压为258 kV，单台最大能量为1.47 MJ，E2H 最大过电压为255 kV，单台最大能量为0.22 MJ，均在绝缘设计水平内。保护时延对中性母线避雷器承受的最大电流和最大能量影响较大，时延越短，电流和能量越小。

5 金属回线开路

当直流系统以单极金属回线方式运行时，因金属回线断线或金属回线开关(metallic return switch，MRS)误跳可发生金属回线开路故障。一旦发生直流电流在断路点入地通道完全切断的情况，直流电流被迫经E1H、E2H、EM 型避雷器入地，E 型避雷器遭受较大的能耗强度。此工况下过流、桥差和极差保护均不会动作，当中性母线电压超过98 kV 时，接地极线过电压保护或中性母线过电压保护时延100 ms 启动ESOF，合上快速接地开关。

仿真中将保护时延分别设为50、100、150 ms，得到的避雷器应力参数如表5 所示，保护时延分别为50 ms 和100 ms 时的E 型避雷器应力对比如图5 所示。可以看出，在此种故障情况下，保护时延对避雷器的最大过电压幅值影响不大，但对避雷器承受的最大能量影响很大。保护时延在100 ms 之内时，E1H

表4 最高YY 换流变阀侧套管闪络避雷器应力Table 4 Arrester stress of value-side flashover of high YY converter transformer

表5 金属回线开路避雷器应力参数Table 5 Arrester stress parameters of metal loop open-circuit

图5 金属回线开路时E 型避雷器应力波形Fig.5 Stress wave of E-type arresters during metal loop open-circuit

和E2H 单台避雷器最大能量在绝缘设计水平之内，但保护时延为150 ms 时，E2H 单台避雷器的最大能量为3.74 MJ，已经超出了绝缘设计水平3.6 MJ，考虑1.2 倍的设计裕度最大泄放能量为3 MJ，E1H 的单台泄放能量3.4 MJ 也超出了设计水平。

6 结 论

本文基于云广特高压直流输电电磁暂态模型，结合实际控制保护策略，分析了±800 kV 特高压直流输电工程中保护与避雷器配合问题，主要分析了3 种典型过电压工况和相应保护的配合，得出以下结论:

(1)交流侧相间冲击时，当故障时刻为承受对应交流两相冲击电压的阀即将换相关断时，阀避雷器承受的过电压幅值最大。此种工况下保护对避雷器不起限制作用，由于过电压持续时间短，避雷器的能量并不大，但过电压幅值很高。

(2)最高换流变阀侧单相接地故障时，对V1 和中性母线避雷器的冲击比较大，当阀短路保护拒动或无法正常启动时，换流器直流差动保护时延会影响阀避雷器和中性母线避雷器的最大电流和最大能量，仿真结果表明阀避雷器和中性母线避雷器最大应力均在绝缘设计水平范围内。

(3)金属回线开路时，E1H 和E2H 型避雷器承受主要冲击，接地极线过电压保护或中性母线过电压保护时延在100 ms 之内时，E 型避雷器应力在绝缘设计水平之内，保护时延为150 ms 时，避雷器最大能量会超出设计水平。

(4)云广工程实际控制保护和避雷器的配合满足运行的需求，保护时延的可调节范围留有一定裕度，其控制保护策略和避雷器配置可供其他直流输电工程参考。

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