特高压直流换流站的避雷器经济配置方案

张择策，王秀丽，侯雨伸

(西安交通大学电气工程学院，西安市 710049)



特高压直流换流站的避雷器经济配置方案

张择策，王秀丽，侯雨伸

(西安交通大学电气工程学院，西安市 710049)

基于±800 kV特高压换流站设备可靠性和经济性的综合考虑，提出一种新的避雷器配置方案，该方案提出在换流站直流侧配置M2避雷器，让其与V3避雷器串联代替交流侧A2避雷器泄放能量。采用平波电抗器分别配置在极线和400 kV直流母线上的方式，同时去掉了CB1B避雷器和E1H高能量避雷器。通过对比典型的±800 kV特高压换流站避雷器配置方案和该经济配置方案，论述了经济配置方案优化经济性的原因，并根据避雷器直流参考电压的选择原则给出了一个参数选择方案。该文所介绍的避雷器配置方案和所选用的避雷器参数对±800 kV特高压DC输电工程具有一定的指导作用。

换流站；避雷器；平波电抗器；配置方案

0 引 言

特高压直流输电调度灵活，适合超远距离、超大容量送电。截至2014年12月4日，向上、锦苏、哈郑、溪浙四大特高压直流工程年内累计输送电量已达到1 003亿kWh[1]。在国家大力发展特高压直流输电的大环境下，换流站是特高压直流输电工程的“心脏”，在系统中扮演着重要的角色。文献[2]介绍了郑州±800 kV特高压直流换流站工程的概况，分析了该工程建设的必要性，在充分考虑河南地区电力系统和发展规划情况，以及备选站址的技术经济影响因素的基础上，先后确定了换流站的落点和最终站址方案。文献[3]利用仿真研究±800 kV云广特高压直流输电工程在双极运行的方式下，整流侧分别采用定功率和定电流控制时，交流系统的整流侧和逆变侧故障对直流系统的影响，并对直流控制系统和交流系统的响应过程进行了较为详细的分析与计算，然后对2种控制方式下系统的动态特性进行了对比和分析。文献[4]详细地介绍了±800 kV云广特高压直流输电工程换流站的避雷器配置方案，给出了避雷器的配置原则，并为避雷器参数该如何选择提供了思路。文献[5]同样是基于云广特高压直流输电工程，主要研究了特高压直流控制系统，较为深入地分析了基本原理，对控制系统功能的阐述也比较全面。文献[6]则针对换相失败这一特高压直流输电系统常见的故障，详细地分析了换流站发生换相失败的原因和机理。

±800 kV特高压直流输电系统的运行统计结果表明，一些操作和雷击将会在系统换流站中引起较高过电压，危害设备的绝缘。这时需要在合适的位置配置避雷器用以泄放过电压能量，方能保持系统的安全。因此，包含避雷器配置和参数选择在内的相关研究对特高压直流系统换流站的稳定运行具有重要意义。

本文论述±800 kV DC换流站避雷器的配置方案和参数选择，采用PSCAD/EMTDC进行直流系统模型的搭建与换流站过电压的仿真研究，所采用的避雷器配置方案和所选用的避雷器参数对DC输电工程有一定的指导作用。

1 避雷器功能分述

已投运或是在建的±800 kV特高压直流系统中，避雷器都主要采用无间隙氧化锌避雷器。根据Q/GDW 144—2006《±800 kV特高压直流换流站过电压保护和绝缘配合导则》[7]，保护换流站的避雷器主要有A 型、V型、M型、C型、CB1型、D型、和E型等，各个避雷器的作用和功能[8-13]如下：

(1)A 型避雷器保护换流站交流母线处的设备。A 型避雷器要尽量靠近换流变压器，以抑制交流侧操作和雷电过电压，并决定换流阀的绝缘水平。

(2)V型避雷器可直接保护阀组，它按能量级别可分为V1、V2、V3，采用不同并联柱数。

(3)M型避雷器保护2个六脉动桥之间的直流母线，并与V型避雷器串联保护换流变压器阀侧绕组。

(4)C型避雷器保护十二脉动换流单元以及极顶设备。

(5)D型避雷器装在平波电抗器附近，保护直流开关场和直流滤波器。

(6)E型中性母线避雷器主要用于雷电波的保护，其数量和安装位置可根据雷电侵入波的计算结果确定。图1为各避雷器在±500 kV DC换流站中的典型配置图。

2 避雷器的配置原则

±800 kV换流站内避雷器配置的原则是：交流侧产生的过电压用交流侧的避雷器限制；直流侧产生的过电压由直流侧的避雷器限制；重点保护设备由紧靠它的避雷器直接保护[14]。

±800 kV特高压直流输电系统由于电压等级高，设备体积大，价格也很昂贵。因此，在保证系统可靠性的同时，提高经济性显得尤为重要，本文正是基于可靠性和经济性的综合考虑提出了新方案。

3 特高压换流站配置避雷器的特殊问题

(1)特高压DC换流站的电压等级高，所使用避雷器的通流容量很大，往往需要分立避雷器并联或者采用多柱式避雷器来限制冲击过电压所导致的放电电流，增强避雷器的吸收能力。由于对电流分配均匀性的要求很高，这种设计会加大避雷器的制造难度。

(2)在特高压DC换流站里，各点会出现较大的谐波电压，这时通常将平波电抗器分置在极线和中性母线处。已投运特高压直流系统的运行经验表明，“平抗分置”策略能产生重大的经济效益。有时，避雷器的配置需要进行配合。如要在中性母线和直流极线的平抗两端配置避雷器，那么平抗一般不使用油浸式平波电抗器[15]。

图1 ±500 kV DC换流站避雷器典型配置方案Fig.1 Typical arrester protection scheme for ±500 kV DC converter station

4 新方案与传统方案的比较与分析

本文研究依托糯扎渡直流输电工程。该系统为远距离双极对称运行的特高压直流输电系统，整流侧和逆变侧的交流电网等级为525 kV/50 Hz，经±800 kV特高压直流输电线路联网输电。

[7]，按照上文的避雷器配置原则，本文给出了2种±800 kV换流站十二脉动换流单元避雷器配置方案并进行比较，本文推荐的经济方案为方案A，传统方案为方案B，分别见图2和图3。

4.1 避雷器配置方案讨论

经济方案和典型方案中大部分避雷器的配置位置完全一样，其作用和功能在上文中已有介绍，下面针对配置方案中较为特殊的地方做出以下几点讨论。

(1)典型方案(方案B)中在最高电位换流变二次侧直接配备A2避雷器。经济方案(方案A)中则用M2+V3串联保护最高电位换流变二次侧，而二者各有其优缺点。典型方案(方案B)的优点在于A2可直接保护最高电位换流变的阀侧绕组，易于选择较高荷电率，从而得到较低的过电压保护水平，减小空气间隙的同时也降低了最高电位换流变阀侧的绝缘水平。然而，这有着明显的缺点，由于处于交流侧，考虑每相配备，需要的避雷器数量为3个，并且均处于较高电位，设备寿命较低。而经济方案(方案A)的优点是在直流侧只使用1支M2避雷器，所用避雷器的数量较少，比较经济，并且从该避雷器所处的位置可以看出其直流运行电压为600 kV，绝缘要求相对A2避雷器也较低。另外，其占用阀厅空间的也较小。

(2)典型方案(方案B)中同时配备CB1A避雷器和CB1B避雷器，而经济方案(方案A)中在上、下十二脉动换流单元中间母线处只配备CB1A避雷器。典型方案(方案B)的优点在于CB1B的保护水平比CB1A的保护水平低，从而可以降低保护高压换流变d线圈端的保护水平(“CB1B+V3”)和保护极线穿墙套管与隔离开关的保护水平(“CB1B+C2”)。其缺点是比方案A多配置了1个避雷器，数量上不经济，而且占用较大的阀厅空间。经济方案(方案A)的优点在于去掉了CB1B避雷器，所用避雷器的数量少，占用更小的阀厅空间，更为经济，而且在2组换流单元串联运行时其荷电率较低，利于避雷器安全运行。

(3)配置C2避雷器是必要的。在高电位十二脉动换流单元单发生接地故障、阀脉冲连续丢失等故障下，C2避雷器能保护十二脉动换流单元两端和内部元件。若有故障导致了高电位的换流单元紧急停运，在紧急停运的暂态过程中阀将会关闭，换流单元失去2个串联的阀避雷器保护，此时仅靠C2避雷器保护。因此，2种方案中都装设C2避雷器。

图2 避雷器配置方案AFig.2 Arrester protection scheme A

图3 避雷器配置方案BFig.3 Arrester protection scheme B

4.2 平波电抗器分置方案讨论

4.2.1 平波电抗器分置在极线和中性母线

在典型方案(方案B)中采用平波电抗器分置在极线和中性母线处，可使极母线和中性母线平抗的谐波电压降大小相同、方向相反，从而使串联的2个十二脉动换流单元中间母线的电压接近于纯直流的电压。这样，上十二脉动换流单元各处的持续运行电压峰值PCOV可以按照500 kV换流站的计算公式计算，再加上母线直流电压400 kV，而不用加上中性母线的PCOV。即平抗分置在极线和中性母线上，不仅可以降低上十二脉动换流单元各处的PCOV，且安装在该处的避雷器参考电压也将低于平抗全装在极线上时的避雷器参考电压。避雷器保护水平和上十二脉动换流单元各处的绝缘水平得到了降低[16-21]。

4.2.2 平波电抗器分置在极线和400 kV直流母线

在经济方案(方案A)中让平波电抗器分别配置在极线和400 kV直流母线上，并且去掉E1H避雷器。值得一提的是，E1H高能量避雷器由8支参数和特性一致的E型避雷器并联而成，通过分立避雷器并联来限制泄能电流的大小。但E1H高能量避雷器的能量参数很大，尤其是在整流站，考虑到阀厅的安全，要尽量将E1H避雷器装于户外，使其泄放能量过大发生自爆时不至于危及厅内设备。而在经济方案中不再需要E1H避雷器，减少了避雷器数量，提高了阀厅安全性，也降低了下十二脉动换流变和中性母线穿墙套管的绝缘水平。

4.3 最终方案的确定

仔细对比经济方案和典型方案后，可以看出经济方案中使用M2避雷器与V3避雷器串联替代典型方案中A2避雷器，将平波电抗器分别配置在极线和400 kV直流母线上，去掉了CB1B避雷器和安全性较低的E1H高能量避雷器。经济方案在保证可靠性的同时减少了避雷器数量，明显提高了换流站的经济性。因此，该文最终采用经济方案(方案A)。

5 避雷器参数的选择

5.1 避雷器参数的选择原则

避雷器参数的选择需要遵循的原则[4,18]如下：避雷器的持续运行电压幅值CCOV和PCOV必须高于所安装地点的最高运行电压峰值，并考虑最严酷工况下的运行电压叠加谐波。避雷器参考电压的选择需综合考虑荷电率、PCOV、雷电冲击和操作冲击保护水平和避雷器的能量等因素。

5.2 交流避雷器参数的选择

交流避雷器参数的选择不需要照搬500 kV直流工程的模式，即在交流母线的避雷选用420 kV避雷器，而交流滤波器的母线侧和换流变侧选用400 kV避雷器。参考已经投运的±800 kV特高压直流输电系统实际工程，统一将交流侧避雷器的额定电压选为400 kV。

5.3 直流避雷器参数的选择

对于直流侧避雷器，需要选择的参数有CCOV、

PCOV、Uref(直流参考电压)和避雷器能量参数。CCOV的计算公式参照常规直流工程：

(1)

式中Udim为考虑了换流变分接头一级电压偏差和交流电压测量容差的理想空载直流电压最大值[13]。

C2避雷器和CB1A避雷器的CCOV计算公式参照公式(2)：

(2)

特高压DC换流站避雷器的CCOV见表1。根据文献[7]，取PCOV =1.17CCOV，得到各类避雷器的PCOV，见表2。

荷电率是PCOV与Uref的比值，是用来表征单位电阻片上的电压负荷。Uref一般定义为避雷器的起始动作电压，取直流1～5 mA电压[17]。参考电压的具体选择还与阀片每单位面积上的电流密度有关。

表1 各类避雷器的CCOV

Table 1 Arresters CCOV

表2 各类避雷器的PCOVTable 2 Arresters PCOV

荷电率的选择需要考虑泄漏电流和温度对伏安特性的影响。避雷器老化程度受荷电率的影响很大，在允许的情况下，要尽量提高荷电率以降低避雷器的保护水平，这对降低设备的绝缘水平具有十分重要的意义。武汉高压研究所的老化试验证明了国产500 kV交流避雷器荷电率达到95%时也不会发生热击穿。直流避雷器的荷电率则要考虑避雷器的具体安装位置、持续运行电压峰值甚至污秽对避雷器的影响。选择各类避雷器荷电率[4,7]如表3所示。

表3 各类避雷器的荷电率

Table 3 Arresters chargeability

根据各类避雷器的荷电率和PCOV，计算出直流参考电压Uref如表4所示。

表4 各类避雷器的Uref

Table 4 ArrestersUref

5.4 避雷器能量参数的选择

该文使用±800 kV DC模型仿真了高压端Y/Y换流变阀侧绕组与阀之间连接母线对地故障、低压端Y/Y换流变阀侧绕组与阀之间连接母线对地故障、低压端Y/D换流变阀侧绕组与阀之间连接母线对地故障、交流侧接地故障及清除、双极运行方式下直流极线接地、阀闭锁、高压端换流器顶接地故障、接地极线开路以及各类雷击故障。对比未配置避雷器和配置避雷器后的电压峰值可以看到配置避雷器后各关键位置电压峰值明显降低，这说明避雷器起到了泄放能量并抑制过电压的效果。限于篇幅，在此不再列表赘述，直接给出能量参数，见表5。

表5 各类避雷器的能量参数

Table 5 Energy parameters of arresters

6 结 论

(1)综合考虑2种方案的可靠性和经济性后选择经济方案(方案A)，在上十二脉动换流单元安装C2避雷器，在上、下电位十二脉动换流单元分别安装M2避雷器、M1避雷器，并在二者的中间母线上安装CB1A避雷器。

(2)平波电抗器采用分别配置在±800 kV直流线路和400 kV直流母线上的方式，这种配置不仅能减少换流站中多处位置的对地谐波电压，也不用再配置安全性较低的E1H高能量避雷器。

(3)交流侧避雷器选用额定电压400 kV的避雷器。直流侧避雷器需要选择的参数有CCOV、PCOV和Uref，提高荷电率，可降低避雷器的保护水平，对降低设备绝缘水平有重要意义。

(4)为简化设备和备件的种类、降低试验和制造的复杂度，选择逆变站直流侧避雷器参数和整流站相同。

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(编辑：张媛媛)

Economical Arrester Protection Scheme and Arrester Parameters Selection for ±800 kV UHV DC Converter Station

ZHANG Zece, WANG Xiuli, HOU Yushen

(School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

This paper introduces a new arrester protection scheme for ±800 kV UHVDC converter station by considering both reliability and economy. In the new scheme, M2 arresters are proposed to use at the DC side of converter station and M2 and V3 arresters are suggested to install in series to replace the A2 arresters. Smooth reactors are suggested to install equally on pole bus and 400 kV DC bus and CB1B and E1H arresters be abandoned. By comparing the typical scheme and the economical scheme for ±800 kV UHVDC converter station, the reason why the economical scheme can optimize the economical efficiency is analyzed. The arrester parameters are selected according to the selection principle of the arrester DC reference voltage. The new arrester protection scheme and its parameters have played some guiding roles in ±800 kV UHVDC transmission projects.

converter station；arrester；smooth reactor；protection scheme

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2012AA052701)。

TM 862

A

1000-7229(2015)06-0001-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.001

2015-04-06

2015-05-19

张择策(1992)，男，硕士研究生，主要研究方向为特高压直流过电压、电力系统可靠性；

王秀丽(1961)，女，博士，教授，博士生导师，西安交通大学电力系系主任，长期从事电力系统及其自动化的科研工作，主要的研究方向有：电力系统规划、电力市场、电力系统可靠性、电力系统分析、新型输电方式等。

侯雨伸(1988)，男，博士研究生，主要研究方向为电力系统可靠性、冰灾天气下电网风险评估与融冰策略。

Project Supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program).