特高压换流站800 kV交流滤波器小组断路器容性恢复电压仿真

申笑林，马为民，白光亚，聂定珍

(1.国网北京经济技术研究院，北京市102209；2.国家电网公司直流建设分公司，北京市 100052)



特高压换流站800 kV交流滤波器小组断路器容性恢复电压仿真

申笑林1，马为民1，白光亚2，聂定珍1

(1.国网北京经济技术研究院，北京市102209；2.国家电网公司直流建设分公司，北京市 100052)

特高压直流直接接入交流750 kV电网，对投切交流滤波器小组的断路器的耐压能力提出了严苛的要求,因此需要研究断路器的容性恢复电压水平。分析了交流滤波器小组断路器面临的各种交流故障工况，通过PSCAD软件建立了容性恢复电压的仿真计算模型，并以灵绍特高压直流工程为例计算得出了800 kV交流滤波器小组断路器的容性恢复电压最大值。仿真结果表明交流滤波器小组断路器的容性恢复电压由交流系统的短路水平和交流侧绝缘水平的影响决定，而且容性恢复电压超过了现有标准的要求，需研制适应工程需求的新型断路器。

容性恢复电压；交流滤波器；断路器；特高压直流

0 引 言

为解决我国能源与负荷中心逆向分布的难题，远距离大容量低损耗的特高压直流输电技术被广泛应用[1-3]。目前我国已掌握特高压直流接入500 kV交流电网的技术，但是对于我国西北电网，其主要网架采用的750 kV电压等级，特高压直流接入问题亟待解决[4-5]。

特高压直流接入交流750 kV电网的方式分为间接接入和直接接入两种方式。间接方式是通过联络变压器将交流750 kV变为500 kV，再在500 kV交流母线上联接换流变压器和500 kV交流滤波器。哈密—郑州±800 kV特高压直流工程中的哈密换流站就是采用此种接入方式。直接接入的方式是在750 kV交流母线上直接联接换流变压器和750 kV交流滤波器。直接接入方式需要用800 kV交流滤波器小组断路器投切滤波器小组。同550 kV交流滤波器小组断路器类似[6-10]，800 kV交流滤波器小组断路器同样存在容性恢复电压(capacitive recovery voltage，CRV)的问题且更为突出，准确计算容性恢复电压的数值对设备研发和提高工程可靠性具有重要意义。

通过建立800 kV交流滤波器小组断路器容性恢复电压的仿真模型，以灵州—绍兴±800 kV特高压直流工程(下文简称“灵绍工程”)为例，提出灵州换流站800 kV交流滤波器小组断路器的容性恢复电压值，以期为相关产品的研制提供设计依据。

1 容性恢复电压计算条件

1.1 交流滤波器小组断路器的作用

在特高压直流输电工程中，采用的是电流源换流方式，换流过程需要消耗大量的无功，同时会在交流侧产生大量的谐波[11]。因此在特高压换流站内一般配备有四大组、每大组4～5小组的交流滤波器/电容器组(以下简称滤波器组)，用以提供无功和滤除谐波。

交流滤波器小组断路器的作用是执行投切滤波器小组的任务，以便在站无功控制调节下能够正确地给换流器提供无功补偿。系统正常投切滤波器小组时，对交流滤波器小组断路器的开断和关合能力按照容性电流开合试验的C2级标准要求，但是当交流侧发生接地故障且换流站的无功过剩时，需要在切除滤波器组以减少无功。此时交流滤波器小组断路器的断口会产生很高的容性恢复电压，对800 kV交流滤波器小组断路器的断口耐压水平将是非常严酷的考验，因此需要特别考查该情况下断路器两端的容性恢复电压。

1.2 计算条件和假设

交流滤波器小组断路器容性恢复电压是出现在系统发生故障的情况下，即交流系统发生三相或单相接地故障，引起换流器换相失败(逆变站)或直流电流谐波增大(整流站)，进而直流系统闭锁，此时交流系统无功过剩电压升高，需要切除交流滤波器小组，在交流滤波器小组断路器开断过程中会产生很高的容性恢复电压。由此可知，若计算容性恢复电压的最大值需假设系统运行在如下条件：

(1)故障前，交流系统处于全接线方式下，短路电流按此方式进行计算而不是远期的最大短路电流。故障后，交流系统的短路电流减小，最严重时降至最小短路电流。(2)直流系统输送功率故障前按1.05 pu考虑(特高压直流输电工程都具有2 h过负荷能力，一般设计为正常输电能力的1.05倍)，故障后直流系统闭锁，输送功率为0。(3)故障前交流母线电压保持在最大稳态电压水平，并调节变压器抽头在额定档位，使理想空载直流电压(Udio)达到额定水平。(4)故障持续时间为100 ms(短路故障开始至清除的时间)，故障后约60 ms滤波器切除，这时断路器两端的就是所研究的最大容性恢复电压。

以上假设的原因是在交流弱系统、直流过负荷运行的条件下，滤波器小组全部投入，将使交流母线电压在故障后电压抬升幅度最大。对于故障前换流变压器抽头在额定档位的假设是因为本文采用的换流变压器励磁曲线是在额定档位下拟合得到的，实际在交流系统最高电压下换流变压器的调压档位一般在其正向档位。需要特别注意的是在特高压直流输电的控制保护设计中100 ms以内的临时接地故障并不会引起直流系统闭锁，但在本文中按偏严酷情况考虑，假定临时接地故障被判定为永久接地故障或在临时接地故障的同时发生了直流故障这样的双重故障情况。

2 容性恢复电压仿真模型

2.1 交流等值系统

本文研究的重点在于滤波器小组断路器的开断过程而非交流系统的变化，因此在研究中将交流电网进行简化，采用等值模型[12]。通过短路电流折算出系统的短路阻抗，设置适当的电压源确保端口电压为交流系统最高电压。

2.2 交流滤波器组

典型的交流滤波器有HP3、HP12/24、HP24/36和BP11/13，再加上电容器组SC，共有5种[13]。其中HP12/24、HP24/36属于双调谐高通滤波器，其原理如图1(a)所示； BP11/13属于双调谐带通滤波器，其原理如图1(b)所示；HP3属于单调谐滤波器，其原理如图1(c)所示。

图1 交流滤波器

交流滤波器的电容值、电感值和电阻值等参数采用工程中的设计值，其内部的避雷器可不予考虑，本文中涉及到的线路故障由交流母线避雷器保护，滤波器避雷器主要是保护其内部的区内故障。

2.3 断路器

断路器的模型采用三相可控开关，其开断时间由控制器控制。控制器控制故障起始时间、故障清除时间、滤波器切除时间和断路器开断时间。故障起始时间在1个周波20 ms内按1 ms逐步变化，故障清除时间为故障起始时间后100 ms，滤波器切除时间为故障清除时间后60 ms，断路器开断时间在交流滤波器切除时间后的1个半周波30 ms内按1 ms逐步变化。

2.4 避雷器

交流母线避雷器采用30/60 μs的操作冲击非线性特性模型，为了获得最大的容性恢复电压，在计算时选用最大特性曲线[14]。

2.5 换流变压器

换流变压器采用带有调压开关的变压器模型，其档位设定为额定档位，此外还应用变压器的磁化饱和模型。在直流系统闭锁后，换流变压器的铁心会有剩磁，表现为变压器的饱和特性。当发生过电压时，变压器会向交流系统注入谐波电流。

2.6 换流阀

换流阀采用有功和无功负载作为简化的等效模型[15]。一般交流系统的短时接地故障只会对换流阀的换相过程造成扰动，但本文假设换流阀换相失败直接闭锁，且不进行直流系统重启动。换流阀的暂态过程并不是研究所关心的主要问题，因此用有功和无功负载来作为换流阀的简化模型就能满足仿真的要求，这样既可以避免了对复杂的换流阀进行建模又加快了仿真速度。

3 容性恢复电压计算

3.1 交直流系统情况

本文以灵绍工程为例，计算其800 kV交流滤波器小组断路器的容性恢复电压。灵绍工程起于宁夏回族自治区银川市灵州换流站，止于浙江省绍兴市绍兴换流站，直流线路长度1 722 km，双极直流线路1回，每极2个12脉动换流器串联。额定电压±800 kV，直流输电容量8 000 MW，直流额定电流5 kA。灵州换流站通常为整流站运行，接入宁夏的交流750 kV电网；绍兴换流站通常为逆变站运行，接入浙江的交流500 kV电网。

灵州换流站换流站交流系统额定电压为765 kV，最高电压800 kV，全方式下短路电流为35.71 kA，最小短路电流为27.71 kA。直流2 h过负荷能力为1.05 pu，即换流器消耗有功为8 400 MW，消耗无功为5 040 Mvar。全站共24台换流变压器，单台容量412.3 MVA。750 kV交流滤波器及电容器总容量为4 782 Mvar，分为4个大组、16个小组，每小组容量为299 Mvar。滤波器组配置示意图如图2所示，其中交流滤波器大组断路器与换流变压器进线开关和交流进线开关共同组成双母线，交流滤波器小组断路器两边配有隔离开关。

图2 换流站滤波器配置示意图

3.2 研究工况

计算时考虑直流系统过负荷运行，交流系统发生三相接地短路故障或单相接地短路故障，按照故障的严重程度研究容性恢复电压。

假定故障发生前交流系统的短路电流为35.71 kA，故障清除后交流短路电流减小到原来的0.1～0.9倍。交流滤波器小组全部在线运行。故障前直流输送功率为1.05 pu，故障持续时间为100 ms(短路故障开始至清除的时间)，故障清除时闭锁直流，约60 ms后滤波器小组断路器开断，此时断路器两端的恢复电压就是所研究的最大过电压。

3.3 计算结果

根据假设的工况，其容性恢复电压计算结果如表1所示。

表1 最大CRV计算结果

Table 1 The maximum value of CRV

以故障清除后短路电流为0.5 pu的情况为例，交流滤波器小组断路器的容性恢复电压为2 025 kV，其波形图如图3所示。

从表1可以看出交流滤波器小组断路器的容性恢复电压值较大，一是因为发生交流故障后，换流站母线电压升高，设其影响因子为k1；二是断路器一端为电容器直流电压，另一端为交流母线电压，若两电压极性相反，则容性恢复电压倍增，设其影响因子为k2。由此可以推导出交流滤波器小组断路器容性恢复电压的估值公式为

图3 容性恢复电压波形图

(1)

式中Un为交流母线的最高稳态电压。

交流母线电压由交流母线避雷器限制，故障越严重交流母线电压越高，可以假设影响因子k1为1.69，断路器端对端电压在理想情况下应是交流母线电压的二倍，可假设影响因子k2取1.9，则根据式(1)计算得800 kV交流滤波器小组断路器的容性恢复电压为2 097 kV。

k1的取值视交流系统和故障情况而定，一般可取1.55～1.70；k2的取值保守可以取2，正常按1.9考虑。

4 试验方法

(1)试验方式FC1。3个O，分布在一个极性上(步长，60°)；3个O，分布在另一个极性上(步长，60°)。

(2)试验方式FC2。6个O，分布在一个极性上(步长，30°)；6个O，分布在另一个极性上(步长，30°)。

其试验判据为：如果在试验方式(FC1)或(FC2)过程中未出现重击穿，则断路器成功通过了试验。如果在整个试验(FC1)或(FC2)中出现1次重击穿，则试验须在未经检修的同一台断路器上重新进行。如果在该延长的试验系列中没有出现重击穿，则断路器成功通过了试验，试验过程不应发生外部闪络和相对地闪络。

5 结 论

(1)通过对交流滤波器小组断路器开断容性电流的仿真研究表明：对于800 kV断路器其容性电流开断时断路器断口的恢复电压达到2 097 kV，且此电压为工频电压而非暂时过电压。

(2)在如此高的恢复电压下断路器易发生重击穿，对触头造成不可逆转的烧蚀，对无功补偿装置也会构成严重威胁。因此需要研发适用于切除750 kV交流滤波器/并联电容器的新型断路器，同时也需研究能够抑制恢复电压的方法。

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(编辑：蒋毅恒)

Simulation and Investigation on Capacitive Recovery Voltage of 800 kV AC Filter Sub-Bank Circuit Breaker in UHVDC Converter Station

SHEN Xiaolin1, MA Weimin1, BAI Guangya2, NIE Dingzhen1

( 1.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China； 2.DC Construction Branch of State Grid Corporation, Beijing 100052, China)

The circuit breaker for switching AC filter is required the capacity of withstanding high voltage while the UHVDC direct accesses to 750 kV AC grid, So it is necessary to research the capacitive recovery voltage (CRV) of circuit breaker. This paper analyzed various AC fault scenarios of AC filter sub-bank circuit breaker, constructed the simulation calculation model of CRV by PSCAD software, and calculated the maximum value of CRV of 800 kV AC filter sub-bank breaker in the Lingshao UHVDC project. The simulation results show that the CRV of AC filter sub-bank breaker is determined by the short-circuit level of AC system and the AC-side insulator level, and the CRV exceeds the requirement of existing standards, so it is needed to develop new type of circuit breaker to meet the needs of engineering.

capacitive recovery voltage； AC filter； circuit breaker； UHVDC

TM 721

A

1000-7229(2015)09-0073-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.012

2015-06-04

2015-08-10

申笑林(1985)，男，硕士，工程师，从事高压直流输电工程咨询和成套设计相关研究工作；

马为民(1966)，男，博士，高级工程师，从事高压直流输电工程咨询和成套设计相关研究工作；

聂定珍(1961)，女，硕士，高级工程师，从事高压直流输电工程咨询和成套设计相关研究工作；

白光亚(1971)，男，硕士，高级工程师，从事高压直流输电工程建设相关工作。