750 kV／±800 kV输电工程交流滤波器暂态定值研究

2013-08-08李璟延

电力建设 2013年7期

李璟延

（国网北京经济技术研究院，北京市 100052）

0 引言

直流输电工程的建设有效缓解了我国资源分布的不均衡，±800kV 电压等级直流“西电东送”工程是我国特高压直流输电的标志性工程［1］。能源丰富的西北电网交流750kV 超高压输变电工程的建成，对发展和加强西北骨干输电网架，具有极其重要和深远的意义。研究±800kV 特高压直流输电工程换流变网侧直接接入750kV 电网这一新的直流输电思路，无须经过中间联络变，极大地降低了工程成本；并结合了西北电网的特点，更有利于新疆地区向内地送电［1－5］。

750kV／±800kV 接入方案可以极大提高直流输电工程的经济效益，应用前景十分广阔。对750kV／±800kV接入方案关键技术的研究显得日益紧迫和重要。直流换流站交流滤波器用于滤除换流器产生的各次谐波，同时补偿换流器工作所需的无功功率，保证交直流系统正常运行，是换流站建设中的关键设备之一［6－8］。我国在运、在建的±800kV 特高压直流工程送端和受端均为直接接入500kV 交流电网，目前还没有针对750kV／±800kV 接入方案的交流滤波器的技术研究。

交流滤波器元件暂态额定值计算是滤波器设计的关键。主要包括选择合适的滤波器避雷器、滤波器元件暂态电流和绝缘水平，保证滤波器元件在各种严重工况下安全运行［9］。

本文主要针对±800kV 特高压直流输电工程750kV／±800kV 接入方案，选取最恶劣的运行工况，计算换流站交流滤波器各元件暂态定值，确定在750kV 电压等级下，滤波器避雷器配置方案和滤波器各元件的暂态定值及绝缘水平设计方案。

1 研究条件

根据以往直流输电工程的要求［5，10］，用于换流站交流滤波器暂态额定值的输入条件主要包括：

（1）交流滤波器的配置方案和元件参数；

（2）所选的保护方案（包括每种滤波器的避雷器的个数和位置）；

（3）避雷器的类型以及与8／20μs 和30／60μs放电电流波形相对应的最高／最低保护性能；

（4）避雷器上的稳态和暂时工频谐波电压。

为了确定滤波器元件的雷电冲击耐受能力（lightning impulse withstand voltage，LIWL）和操作冲击耐受能力（switching impulse withstand voltage，SIWL），在雷电冲击保护水平和操作冲击保护水平的基础上分别增加一定的裕度［11－12］，来提高元件的保护能力。

仿真计算使用Manitoba HVDC 研究中心提供的PSCAD／EMTDCTM进行计算。

2 交流滤波器元件参数和避雷器配置

根据西北电网的特点，750kV／±800kV 接入方案中特高压直流输电工程换流站谐波特性选用3种型式滤波器BP11／BP13、HP24／36和HP3，其中SC主要用于提供换流站无功需求［13］。两端换流站滤波器参数如表1所示，滤波器结构如图1～4所示。图中，C为电容器，L为电抗器，F为避雷器，R为电阻器，Lx为暂态短路电抗器，其他为杂散电抗器。

滤波器中的避雷器用于保护滤波器元件（主要是电感和电阻），避免放电和投切造成的雷电冲击和操作冲击。

表1 换流站交流滤波器元件参数Tab.1 Parameters of AC filter components in convertor stations

3 交流滤波器避雷器配置原则

直流输电工程中交流滤波器的避雷器选取主要考虑因素包括［14－17］：（1）连续和暂时运行电压的峰值，包括谐波分量；（2）在正常投切滤波器时计数器应不动作；（3）滤波器放电时的峰值电流；（4）滤波器放电时的能量。

根据西北电网背景谐波和750kV／±800kV 接入方案中特高压直流换流站交流滤波器的配置类型和参数，各种运行工况下滤波器各元件上的最大连续运行电压（maximum continuous working voltage，MCOV）及各谐波电压如表2所示。

3.1 连续和暂时运行电压

避雷器的MCOV 是根据最恶劣的基波电压和谐波电压的组合确定的。交流滤波器避雷器的电压包含多个谐波分量，根据下面的公式可获得总电压值：

式中：Uarr（t）、n、Un、ωo、t和φn分别是避雷器的MCOV、谐波次数、谐波电压、基波角频率和每个谐波的相角。

由于不同运行条件下相角（φn）不同，保守的算法是令φn ＝0，即将所有谐波分量直接线性相加得到总电压值。

3.2 计数器

设计验证根据上述MCOV 选择的避雷器参考电压值Uref是否足够高，以免在正常投切滤波器时计数器动作。当通过避雷器的电流足够大时，会导致计数器动作。避雷器的计数器动作电流一般选为600～700A。

3.3 避雷器的放电电流和能量

验证所选的参考电压Uref是否会导致过高的放电电流和放电能量。如果存在这种情况，则应该提高参考电压，防止放电时产生过高的电流和能量。

4 交流滤波器避雷器参数

在计算高压避雷器负载时，交流母线接地故障模拟电感Lx一般取最低值，包括故障点和故障点附近的连线电感。此时计算出的避雷器能量也是最大。计算低压避雷器的负载时，Lx的取值应使放电电流和能量达到最大值［18－20］。

表2 换流站交流滤波器避雷器上的最大连续运行电压Tab.2 Maximum continuous operating voltages on arresters of AC filters in converter station

如果将从交流系统入侵的操作冲击水平限制在交流母线避雷器的操作冲击保护水平USIPL，波头时间取250μs，高压避雷器的配合电流可采取下式近似计算：

式中：C1为滤波器高压电容，du／dt 为电压变化速率。

根据西北电网的特点，750 kV／±800 kV 特高压直流输电工程换流站BP11 滤波器配合电流I≈2.5kA，BP13滤波器配合电流I≈4.2kA，HP24／36、HP3滤波器和SC 并联电容器配合电流均为I ≈6.6 kA。

高压避雷器F1 的最大能量和电流出现在近区故障中，Lx取20μH，采用8／20μs的电流波形和最低避雷器保护特性，来确定F1避雷器的参数。低压避雷器F2的Lx取值应使避雷器负载达到最大，采用最大配合电流计算避雷器的最大保护水平。

750 kV／±800 kV 特高压直流输电工程接入侧换流站交流滤波器避雷器参数如表3 所示。其中ULIPL为雷电冲击保护水平。

表3 换流站滤波器及并联电容器避雷器额定值Tab.3 Rating of AC filter and arrester with parallel capacitor in converter station

5 计算结果及分析

5.1 滤波器电抗器电阻器设备暂态负载分析

仿真计算交流滤波器电抗器和电阻器上可能出现的暂态冲击电流和能量的最大值，可作为电阻器和电抗器制造的重要设计依据。表4和表5给出了交流滤波器电抗器和电阻器暂态负载计算值，用来确定设备耐受冲击电流的能力。对于干式电抗器，冲击耐受强度和匝间应力由最大暂态冲击电流决定。

表4 电抗器暂态负载计算值Tab.4 Calculated value of transient load of reactor

5.2 绝缘水平选择确定

根据雷电保护电压ULIPL，选择合适的绝缘裕度，从而确定与其相连的元件的绝缘水平，是进行交流滤波器绝缘配置的关键。双调谐滤波器高压电抗器的雷电绝缘水平ULIWL和操作绝缘水平USIWL分别为避雷器F1和F2的雷电保护电压ULIPL和操作保护电压USIPL的总和加上一定的绝缘裕度。对于特高压直流换流站，雷电冲击绝缘水平最小裕度参考值取20%，操作冲击绝缘水平最小裕度参考值取15%［21－23］。

表5 电阻器暂态负载计算值Tab.5 Calculated value of transient load of resistor

交流750 kV 接入±800 kV 特高压直流换流站交流滤波器元件以高压电容器为例，其高压端（high voltage，HV）、低压端（low voltage，LV）和跨接的绝缘水平见表6。如表6所示，HV 端子绝缘水平可用于选择电容器组高压端母线的支撑绝缘子；LV 端子绝缘水平用以选择电容器组底部的支撑绝缘子；跨接绝缘水平用以选择电容器组内电容器单元出线套管和层间支撑绝缘子，并决定电容器单元的极间绝缘水平和短路试验电压。高压电容器的跨接水平是由交流母线避雷器保护水平和电容器低压端避雷器F1保护水平共同决定的。对于交流滤波器电抗器而言，跨接绝缘水平用以确定电抗器本体的高度和外绝缘情况，跨接绝缘水平与电抗器的设计高度成正比。交流滤波器电阻器的跨接绝缘水平决定了电阻器箱体的引线套管的爬电距离。

表6 换流站交流滤波器绝缘水平Tab.6 Insulation levels of AC filter in converter station

研究得出的交流750 kV 接入±800 kV 特高压直流换流站交流滤波器所选的避雷器配置方案，可以满足系统的安全运行要求，同时将交流滤波器设备的绝缘水平、暂态负载控制在合理的水平，降低设备制造难度，减少设备运行风险。

6 结论

本文首次基于我国西北地区750 kV 电网特点，研究特高压直流直接接入交流750 kV 电网接入方案中交流滤波器的暂态定值及其绝缘配合方案。根据特高压直流系统特点，采用了最恶劣的运行条件，得到以下主要结论：（1）根据±800 kV 直流输电工程系统条件和换流器无功平衡要求，研究选配了交流滤波器结构及其元件参数，确定了交流滤波器内避雷器的配置和参数；（2）计算了交流滤波器元件暂态定值，为电容器、电抗器和电阻器设备的研制提供了重要依据；（3）根据避雷器保护水平，提出了合理的裕度，确定了交流滤波器内电抗器、电容器以及电阻器各元件的绝缘水平，保证了交流滤波器设备安全运行的要求。

研究结论为我国±800 kV 特高压直流输电工程中750 kV／±800 kV 接入方案提供了交流滤波器关键技术支持，是未来工程顺利建设的有力保障。

［1］赵婉君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2004：10－17.

［2］刘振亚.特高压电网［M］.北京：中国电力出版社，2005：28－35.

［3］常浩.我国高压直流输电工程国产化回顾及现状［J］.高电压技术，2004，30（11）：3－4.

［4］刘泽洪，高理迎，余军.±800 kV 特高压直流输电技术研究［J］.电力建设，2007，28（10）：17－24.

［5］北京网联直流工程技术有限公司.±800 kV 特高压直流输电工程功能规范书［R］.北京：北京网联直流工程技术有限公司，2012.

［6］苏炜，马为民.直流输电换流站交流滤波器稳态额定值研究［J］.高电压技术，2004，30（11）：63－64.

［7］杨金根，马为民.灵宝换流站交流滤波器性能研究［J］.高电压技术，2004，30（11）：60－62.

［8］孙中明.葛南直流滤波器性能研究［J］.高电压技术，2004，30（11）：65－71.

［9］聂定珍，郑劲.灵宝换流站交流暂态过电压研究［J］.高电压技术，2005，31（4）：54－56.

［10］吴方劼，马为民，孙中明.特高压换流站交流滤波器现场试验的分析与探讨［J］.高电压技术，2010，36（1）：167－172.

［11］郑劲，聂定珍.换流站滤波器断路器暂态恢复电压的研究［J］.高电压技术，2004，30（11）：57－59.