柔性直流配电网过电压及避雷器配置研究

2019-04-02苏宜靖丁月强李子恒

浙江电力 2019年3期

苏宜靖，董立，唐律，丁月强，李子恒

（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；2.国网陕西省电力公司，西安 710048）

0 引言

直流配电网具有可控性强、线路损耗低、兼容新能源且无周期同步性问题等优势，随着直流配电技术的研究逐步深入，柔性直流配电网的应用场景愈加丰富，包括智能楼宇直流供电、工业园区直流供电、重要数据中心供电和分布式微电网等[1-2]。直流配电网可为未来智慧城市的发展提供优质电力支持。

直流配电设备的选型、设计和制造是应用场景真正落地的必要条件。为确保直流配电系统的安全运行，考虑过电压保护措施，选择合理的避雷器布置方案，选取合适的设备绝缘水平显得尤为重要。较好的避雷器布置方案不仅需要增强直流配电系统的安全性、稳定性，同时需要兼顾制造成本。

目前直流配电网的避雷器配置经验主要可以借鉴高压直流输电工程[3]。直流系统在各类故障情况下，会在关键设备上产生过电压，配置避雷器是目前有效降低过电压水平的主要手段，可实现对联接变压器（以下简称“联接变”）、换流阀、直流电抗器等重要设备的防护。本文基于伪双极柔性直流配电网的基本结构，提出了相应的避雷器布置方案，统计并对比了布置前后的过电压水平，在考虑合理的绝缘裕度下确定了设备的绝缘水平。

1 柔性直流配电网系统参数设计

参考相关示范工程[4]，以两端状伪双极柔性直流配电网结构为例，直流配电网设备主要包括交流母线、联接变、接地装置、MMC（模块化多电平换流器）、桥臂电抗器、直流电抗器、直流配电线路及二次控制设备等。直流配电换流站的网侧接入10 kV交流系统，换流站直流极线额定直流电压为±10 kV，联接变阀侧中性点经电阻接地，系统拓扑结构如图1所示。

图1 典型柔性直流配电网拓扑结构

柔性直流配电网采用基于21电平的MMC直流换流技术，配电电缆采用10 kV规格的XLPE（交联聚乙烯）单芯电缆，构成正负两回配电线路，中性点经电阻接地。参考目前交流配电网输送容量，直流配电交直流系统基本参数设置见表1。

表1 直流配电交直流系统基本参数

2 避雷器布置方案

结合上述对直流配电交直流系统参数的设置，借鉴高压柔性直流输电绝缘配合的经验，避雷器布置基本原则一致[5]，本文研究的柔性直流配电网避雷器布置方案初步设计如图2所示。其中，交流侧设备采用交流避雷器进行保护，直流侧设备采用直流避雷器进行保护。

图2 柔性直流配电网避雷器初步布置方案

与常规柔性直流输电系统不同，配电网电压等级不高，产生过电压水平普遍较低，而配电线路上增加了较多的负荷设备[6-7]。因此，可适当删减配电换流站内避雷器，而适当增加负荷设备出口处避雷器的布置。

3 避雷器参数选择

参考高压柔性直流工程避雷器参数选择的基本原则，依据避雷器的运行条件，选取合适的避雷器荷电率和CCOV（持续运行电压峰值），可计算得到设计避雷器的参考电压。再通过直流配电网PSCAD/EMTDC软件仿真各类故障，初步得到避雷器装设处可能出现的过电压水平，作为避雷器SIPL（操作冲击保护水平）的选取依据。本文对±10 kV柔性直流配电网避雷器参数的选择如表2所示。

对于避雷器荷电率，选取过大则正常运行过程中避雷器的泄漏电流较大，会加速老化过程，降低避雷器使用寿命；选取过小则避雷器对抗冲击电压水平提高，对设备起不到保护作用。交流侧避雷器的荷电率可选择0.8～0.9，以降低泄漏电流；而直流侧避雷器一般选择0.9以上的荷电率，以保护配电线路的设备。

表2 直流配电网避雷器参数及保护水平

4 直流配电网过电压分析

4.1 过电压产生原因

直流配电系统过电压由内部或外部因素引起，外部因素包括远处交流系统异常操作、雷击等，内部因素包括直流系统短路、接地故障或控制系统故障等[8-10]。直流配电线路一般采用埋地电缆送电，而配电换流站占地面积小、高度较低且有水泥墙防护，系统遭受雷击的概率较低。与交流系统相比，直流配电系统设备较多、控制方式复杂，运行中若发生设备故障或控制信号异常，则有可能产生设备过电压，影响系统正常运行，轻则威胁设备安全，重则导致系统瘫痪，甚至造成配电网停电事故。依据故障发生位置，可分为交流母线侧故障、直流阀厅故障和直流线路侧故障[11]。交流母线侧故障主要由交流系统异常操作或雷击引起，发生单相或多相接地故障而跳闸，故障发生概率较大。直流阀厅故障主要由控制信号异常或换流器故障引起，存在一定概率，随着直流控制技术不断完善，这一故障概率会有所下降。直流线路侧故障主要由开关异常或电缆绝缘破坏导致，一般情况下这类故障概率较低。上述故障所能引起的过电压分别为交流侧、直流阀厅和直流线路侧过电压。

4.1.1 交流侧过电压

交流侧发生的故障包括联接变网侧或阀侧交流故障，故障类型包含单相、两相和三相接地或短路故障。依据现有直流系统交流侧发生故障的情况，本文重点分析单相和三相接地故障所产生的过电压。

当联接变网侧发生单相接地故障时，网侧故障相电压下降为零，非故障相电压抬升，同时由于变压器一、二次侧的隔离作用，阀侧的运行电压不受影响。当联接变阀侧发生单相接地故障时，特别是阀厅内交流母线金属性接地时，非故障相由于电路的不对称性引起线路电磁振荡产生过电压，同时过电压直接进入阀厅，影响直流线路的正常运行，极线电压随着交流频率发生振荡。

当联接变网侧或阀侧发生三相接地故障时，接地瞬间换流器中储存的能量通过接地回路释放，这一过程不产生过电压。当故障清除、系统恢复时，控制系统响应敏感，易造成电压超调而产生过电压。

4.1.2 直流阀厅过电压

直流阀厅故障包含桥臂短路、桥臂开路、阀底接地、阀顶接地等故障，阀厅内部的故障一般为永久性，无法自我恢复，因此会严重威胁直流配电系统的正常运行[12]。本文重点考虑发生概率相对较高的阀顶接地及桥臂短路故障。

当阀顶发生单极接地故障时，接地极电压突降为零，极线电流从接地点回流，回路参数发生变化。由于极线电流的突变，直流电抗及桥臂电抗发生激荡，产生过电压。待系统稳态后，由于配电换流站两极电容的钳位作用，直流非故障极电压上升为正常值的两倍。

当桥臂发生短路故障时，短路桥臂上的电容快速放电。若换流阀组触发信号正常，桥臂轮流导通，由于故障桥臂的存在导致直流换流电压波形紊乱，对阀侧交流电压也产生巨大的干扰。

4.1.3 直流线路侧过电压

直流线路侧产生过电压存在两种情况，一是直流断路器发生误动作；二是直流配电线路发生故障[12-13]。配电电缆受到外力作用或内部老化而造成绝缘层破坏，可分为直流单极接地、直流断线及双极短路故障。电缆断线后，深埋地下的导体层与土壤直接接触，可等效为直流单极接地。本文主要考虑直流断路器误动作、直流单极接地和双极短路故障。

当直流断路器发生误动作而开断时，直流电抗的电流被截断，由于电抗作用其两端产生较高的感应电压，导致电抗器的线路侧产生过电压。同时由于换流阀电容作用，在故障瞬间阀组两极电压保持不变，则过电压将传递至非故障极。

当直流单极接地故障发生时，接地极电压突降为零，线路电容经直流电抗通过接地回路放电，电抗器两端产生过电压。由于换流阀电容的钳位作用，过电压传递至非故障极。待系统稳态后，直流非故障极电压上升为正常值的两倍，这一过程与阀顶单极接地故障类似。

当直流双极短路故障发生时，正负极相互联接构成故障回路，极间电压瞬间为零，电容快速放电，直流电流骤升，电抗器两端感应出过电压[14]，此时直流系统无法正常工作。

4.2 最大过电压水平统计

针对过电压产生的位置及水平，本文提出两种柔性直流配电网避雷器布置的调整方案。与初步布置方案相比，方案Ⅰ减少了V，R，CD，AR，方案Ⅱ减少了R，如图3所示。

图3 避雷器布置方案Ⅱ（方案Ⅰ为虚线框部分删去后）

借助PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，仿真分析各类故障过电压的情况[15-16]，记录系统关键位置出现的最大过电压水平。以不配置避雷器作参照，得出不同布置方案下系统最大过电压水平的统计结果，如表3所示。

由表3可知，避雷器的配置限制了邻近关键设备的过电压水平，起到了重要的保护作用。对比两种避雷器配置方案的计算结果，方案Ⅱ由于直流电抗并联避雷器CD的存在，限制了直流电抗两端过电压水平，而抬高了桥臂电抗两端过电压水平。综合考虑其他关键位置过电压情况，方案Ⅱ进一步降低了联接变阀侧、中性点、换流阀顶、直流极线及直流电缆过电压，在应用上更具有优势。