采用架空线的MMC-HVDC单极接地过电压分析

赵西贝， 许建中， 卢铁兵， 赵成勇， 苑津莎

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)， 北京市 102206)

0　引言

相比于交流输电和传统直流输电，柔性直流输电技术更加灵活，适用于远距离电网互联和新能源并网发电[1]。得益于电力电子开关器件的快速发展，柔性直流输电在电压等级和传输容量上向传统直流输电逐步靠近。近年来国内外已经对柔性直流输电技术展开了深入的研究[2-5]。

随着电压等级、输电距离和传输容量的不断提高，架空线必将成为柔直系统主要的输电方式。不同于现有工程采用的电缆线路，暴露在外的架空线必将使系统更多地经受短路故障考验，有必要研究其暂态过电压特性。目前对于柔性直流输电系统的过电压研究主要集中于仿真计算[6-7]，文献[8]分析了柔直系统电缆单极接地故障时直流侧避雷器下的动作特性，文献[9]分析了电缆和架空线混合连接输电系统的过电压特性，文献[10]分析了柔直系统在重启过程中的过电压保护问题，文献[11]研究了潮流控制器对系统的过电压影响。文献[12-13]对于输电系统不同故障导致的过电压幅值进行了研究，同时有学者对单极接地故障后的恢复过程提出了优化方案[14-17]。其中对直流侧单极接地故障具体内在机理的对比研究，以及不同保护方式的过电压抑制效果对比分析还存在空白，该领域的研究对于柔性直流输电系统的设备绝缘设计和保护配合有重要意义。

前述研究存在的问题包括：①线路模型采用短距离电缆线路模型，不适用于远距离架空线输电情况；②提出的避雷器配置方案完全参考传统直流换流站配置方案，或者仅仅配备一组直流侧避雷器进行研究；③没有考虑直流架空线路故障时直流断路器动作对换流站和线路过电压的影响。

由于采用架空线传输的柔性直流输电系统将面临高概率的单极接地故障，故将单极接地故障作为柔性直流输电系统过电压的主要考察方式。本文的研究内容主要包含：①分析系统接地故障后的过电压特性；②研究系统结构、硬件设备参数、系统运行状态和多种保护措施对系统过电压的影响规律；③针对接地故障提出有选择性的换流站避雷器配置方案。

1　仿真测试系统

本文选取401电平，±320 kV，额定功率1 GW的对称单极模块化多电平(MMC)直流输电系统，子模块为半桥结构，仿真采用文献[18]中提出的MMC快速仿真模型。采用的仿真步长为20 μs，满足电磁暂态仿真的精度要求[19]。

交流侧采用额定电压230 kV，频率50 Hz的交流系统等效模型，系统短路容量比(SCR)为10。在变压器二次侧使用星形电抗加接地电阻接地，为系统提供电位参考点，Lg=3 H，Rg=3 000 Ω。换流站内采用的桥臂电抗Larm=100 mH，子模块电容C=20 mF，正负极线上直流电抗器L=100 mH。

为了精确反映输电线路的暂态特性，采用了如附录A图A1所示的基于频率特性的分布参数模型。传输线采用间距45 cm的二分裂导线，直流电阻为0.011 4 Ω/km，电感为0.935 6 mH/km,对地电容为0.012 3 μF/km。

架空输电线路具有较高的故障率，因此半桥MMC型柔直系统必须配备直流断路器[20-21]，用以切断短路故障电流。为了验证直流断路器对于直流侧接地过电压的抑制效果，在每个换流站配备两台直流断路器。直流断路器模型采用附录A图A3所示的混合式直流断路器，其具体参数如附录A表A1所示。

在换流站内配置避雷器是抑制故障过电压最直接的手段，图1所示为换流站中通用的避雷器配置方案。为了尽可能地减小稳态损耗，同时有效地限制故障过电压，保护珍贵的换流阀设备。所采用的金属氧化物避雷器U-I曲线特性参数如附录A表A2所示，每个避雷器的额定电压被设置在1.1倍的被保护设备稳态峰值电压。避雷器在仿真程序中被认为是一段非线性电阻，在施加电压过高时阻值迅速减小，通流能力迅速增大，通过金属氧化物避雷器内部的元件升温吸收多余的能量，达到保护设备的效果。

图1　换流站避雷器配置方案Fig.1　MOA disposition in converter

2　故障过电压分析

对于直流侧接地故障带来的过电压问题，本节将首先分析柔直系统保护措施不动作下的过电压过程。值得注意的是，在发生线路单极接地故障后，只要输电线和换流站设计允许，该系统仍可以传输额定功率。远距离架空输电正极线路中点发生故障时，逆变侧直流极线、直流母线、A相上桥臂电抗器电压及故障点放电电流波形如图2所示。

图2　逆变站线路单极接地故障波形图Fig.2　Wave forms of monopolar grounding fault at inverter side

由图2可见，直流侧电压和换流阀两端电压都在经过了震荡衰减过程之后达到了新的稳态，此外还可以得到以下几点结论。

1)换流站桥臂两端的故障过电压比线路侧略小，这是因为平波电抗器的存在，吸收了一部分能量，起到了保护换流站的效果。

2)A相桥臂电抗器最大过电压达到160 kV，是因为在故障发生瞬间，直流线路依然为额定电压，会通过故障点快速放电，该放电电流从换流站两端指向故障点，电流方向与A相桥臂电抗器上正常流向相反，产生极高的过电压。

3)相对于故障通路，正、负极平波电抗器事实上为串联关系，同一换流站两个平波电抗器在直流侧接地故障后过电压幅值和波形基本相同。

4)因为故障发生在直流线路中点，故障影响传递到换流站需要经历波过程，波的反射体现在换流站两端电压出现高频震荡过程，当系统逐渐达到新的稳态时，震荡过程也同步衰减。

3　过电压影响因素分析

对于直流侧过电压特性存在多种影响因素，不同的系统参数、运行状态、故障特征和保护动作等都可能会造成影响。分析单一因素变化对柔直系统造成的过电压问题，对深入理解柔直系统过电压保护特性有重要意义。

1)系统接地方式：模块化多电平直流输电系统，常见的接线方式除了附录A图A1所示的星形电抗接地，部分工程还存在变压器采用Dy0或者Y0y接法，为了对比不同接地方式过电压特性区别，仿真中设置2 s时发生直流架空线中点正极接地故障，2.2 s时故障消失。由附录A图A4可知系统接线方式对过电压无明显影响。

2)平波电抗器的影响：在柔性直流电网中，为了限制故障电流上升率和幅值，减小直流断路器开断的故障电流，通常安装较大平波电抗器。平波电抗器在稳态情况下不承受电压，在暂态过程中能够抑制故障电流的快速发展。如附录A图A6所示，发生线路中点正极接地故障时，平波电抗器越大，在故障后过电压越大，绝缘水平要求越高，相应桥臂电抗的绝缘水平可以降低。值得注意的是，在平抗值小于100 mH时，可以有效减小换流站直流电压，但是平抗值更大时换流站电压重新出现小幅上升。线路负极的最大过电压也在平抗取值100 mH左右达到最大值。

3)桥臂电抗器的影响：不同取值的桥臂电抗器在系统对地放电时的阻碍能力不同。因此桥臂电抗器上过电压水平也不同。如附录A图A7所示，在发生直流侧正极中点接地故障时,桥臂电抗器越大，其承受的过电压越高，直流侧电抗器的绝缘要求相应降低。更大的桥臂电抗也会使换流站两端直流暂态过电压峰值变大。桥臂电抗器对直流负极线的过电压峰值也同样存在影响，规律同平抗一致，但是因为桥臂电抗器与直流线路电气距离较远，因此影响远不如平抗明显。

4)线路长度影响：线路越长，波阻抗越大，故障全部发生于线路中点，距离越长的线路电压振荡频率越低。如附录A图A8所示，线路越长，放电电流越平缓，线路平抗上的过电压也越低，逆变站直流过电压峰值也越低。但是桥臂电抗和负极对地电压都经历了一个先上升后下降的过程。

5)故障点位置：不同的故障点对过电压的幅值有明显影响但是因为线路行波的反射和折射，难以得到单调变化的结果。观察不同位置发生接地故障下的线路电压，如附录A图A9，可以认为，极间电压在故障点远离逆变站时较大，而负极对地电压则在故障发生在线路中点时(150 km附近)更严重。

6)大地电阻率的影响：发生直流侧单极接地故障时，不同的土壤条件对放电回路阻尼有重要影响。如附录A图A10所示，故障点等效接地电阻从金属性接地渐变到高阻接地，系统振幅逐渐变小，过电压水平降低，这是因为更高的电阻可以更好地吸收系统能量，增大系统阻尼，减少放电电流峰值，从而降低线路和电抗器上的过电压。当等效接地电阻超过200 Ω时，电阻变化对系统过电压的影响明显减小。

7)故障发生时间影响：如附录A图A11所示，不同的故障发生时间仅对桥臂电抗过电压峰值有明显影响，这是因为不同的时刻桥臂导通状态不同，桥臂电流流向不同，桥臂放电初始状态不同，导致桥臂电抗过电压不同。直流侧设备因为正常状态下电压电流稳定，故障后过电压也基本相同。

8)不同故障时刻后闭锁影响：直流线路正极接地故障发生在一个交流周期内的不同时刻，1 ms后换流器闭锁。如附录A图A12所示，越靠近直流侧线路和平波电抗器上过电压出现越明显的周期性变化，而桥臂电抗器过电压峰值变化规律不明显，这是因为直流侧设备受到系统三相桥臂综合影响的叠加，而桥臂电抗器过电压和本桥臂运行状态相关性更高。

9)直流断路器动作影响：在输电线两端各安装2个混合式直流断路器，目的在于故障时切断故障电流。在单极接地故障中，直流断路器可以通过切断对地放电通路，使得换流站电位参考点恢复，快速保护换流站两端电压。对于输电线路来说，因为线路被切除，线路上能量缺乏释放通路，仍然将承受故障过电压,如附录A图A13所示。

4　避雷器配置方案

避雷器是保护输电设备的常用装置，不同于传统直流输电的持续运行电压峰值(CCOV)和持续运行电压最大峰值(PCOV)可以经过规范计算得出，柔性直流系统的过电压保护主要通过仿真计算来校核。以附录A图A3所示的避雷器配置方案为例，在获得各个设备的PCOV后，可根据一定裕度(设为1.1)得到避雷器的参考电压。特别需要指出，桥臂电抗器BR和直流电抗器DR的故障电压远远大于稳态运行电压，其避雷器参考电压一般经过故障仿真得出。所得到参考电压需要经过不断地调教，来满足相应的设备保护水平，如表1所示。

表1　避雷器保护参数Table 1　Arrester protect parameters

对于直流侧单极接地故障，柔性直流输电系统以下位置的避雷器必不可少。

1)直流侧避雷器DL：该避雷器是换流站最接近输电线路的避雷器，是换流站防护直流侧故障的第一道防线，只采用一组直流侧避雷器就可以有效地降低线路和换流站的过电压水平，如图3所示。

图3　逆变站仅配置直流侧避雷器后直流电压Fig.3　Voltages of inverter station with only DC side arresters

2)平波电抗器避雷器DR：因为平波电抗器的存在，通常换流站两端过电压比线路上低，在单极接地故障中，平抗会阻止故障放电电流，平抗上会承受上百千伏的电压，必须采用避雷器来保护电抗设备。

3)桥臂电抗器避雷器BR：桥臂电抗器在单极故障时可能存在电流反转的情况，可能承受数百千伏的电压，因此也需要避雷器保护。

除此之外，以下位置的避雷器可以选择配置。

1)直流母线避雷器DB：在不采取其他保护措施的时候，直流母线避雷器的效果在于分担平抗避雷器吸收的能量，对于线路过电压并没有明显影响。当换流器闭锁时，直流母线避雷器可以进一步保护换流器，换流器上负极电压可以下降到-535 kV。

2)变压器二次侧避雷器A：变压器二次侧避雷器的作用在于保护变压器免于直流电压偏置带来的过电压。如附录A图A14所示，得益于星三角接线方式，如果换流变阀侧三相电压平衡，则交流侧不会出现电压偏差。采用避雷器保护变压器阀侧后，可以抑制峰值过电压，但同时也会使交流侧电压质量下降。因此若系统设计允许运行在单极接地故障情况下，则变压器二次侧不需要安装避雷器。

5　结论

本文分析了导致柔性直流输电系统产生过电压的多种故障，并且以最严重的直流侧单极接地过电压为分析对象，分析了影响过电压的多种因素，并提出了相应的避雷器配置方案。

1)对于柔性直流输电系统而言，直流侧单极接地故障带来最严重的过电压和直流电压偏置，严重影响系统安全运行。

2)电抗器配置、线路长度和接地电阻会明显影响故障后过电压水平，采用换流站闭锁或者直流断路器动作后，该保护动作成为过电压的主要影响因素。系统接地方式和故障时间对过电压峰值没有明显影响。

3)系统的直流侧避雷器、平波电抗器避雷器、桥臂电抗避雷器在换流站内必不可少，对于保护对应的设备有不可替代的作用。直流母线避雷器、换流变二次侧避雷器可以视情况选择添加。

柔直换流站在故障后数毫秒内，其放电过程可以等效为一个RLC电路的放电过程。本文的研究对象虽然是双端对称单极MMC系统，但是对称双极MMC系统不论是单极接地故障还是双极短路，其放电电路结构均可等效为一个单极换流站的情况，因此本文的结论适用于对称双极MMC系统的故障过电压特性分析。

对于多端柔直或者是直流电网，发生直流侧故障后，故障电流不仅有故障线路两端换流站的馈入，还有会远端换流站的贡献。由于直流电源的增加，其故障点放电电流增长更快，直流侧电抗器需要承受更高的电压。但是对于站内设备而言，其放电回路没有发生变化，因此本文的研究结果对多端柔直和直流电网的过电压特性分析也有一定的借鉴意义。

对于接入新能源系统的多端柔直和直流电网，其过电压研究不仅要考虑电网本身，还需要考虑新能源基地的保护配合。此外本文没有涉及网架结构下后备保护对系统过电压的影响，这将是后续研究的方向。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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赵西贝(1993—),男,博士研究生,主要研究方向:柔性直流输电控制与保护。E-mail: winfly@163.com

许建中(1987—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:高压直流输电与柔性直流输电技术。E-mail:xujianzhong@ncepu.edu.cn

卢铁兵(1970—),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:先进输变电技术。E-mail: tiebinglu@ncepu.edu.cn