特高压直流中性母线过电压特性及抑制措施

2020-01-10穆星宇

通信电源技术 2020年18期

穆星宇

（国网蒙东电力检修分公司，内蒙古锡林浩特 026000）

0 引言

近年来，随着特高压直流输电工程的不断建设与发展，其运行过程中中性母线故障问题时常发生，不仅影响到供电工作，而且造成严重的经济损失。在中性母线过电压状态下，直流输电系统易发生直流开关跳闸、直流输电系统紧急停运以及电容器被击穿等问题，还会引发停电事故以及严重的损失负荷。研究分析直流系统中性母线过电压产生的原因，不断完善过电压抑制举措，具有积极的参考意义。

1 常见过电压基本类型

1.1 重燃过电压

引发重燃过电压的原因是存在开断电容性负载。开关将电容断开的情况下，电流过零点会出现熄弧，电容器电压达到峰值，且电压保持不变。半个周期之后系统电压呈现反向最大，此时断口上的电压达到峰值电压的两倍。在开关绝缘恢复速度不足，而断口上电压恢复速度较快的情况下会重击穿断口，同时对电容器以最大两倍的峰值电压反向充电，后半个周期即熄弧、重燃[1]。

1.2 截流过电压

截流过电压主要发生在断开小电感电流时。开断几百至几千安的交流电流时，一般不会引发截流现象。真空断路器电流开断过程中，分断的瞬间电极受热会引发金属蒸发，进而形成真空电弧。在断开大电流的过程中金属蒸汽蒸发更加充分，产生的电弧相对稳定，工频电流自然过零时断弧。小电感电流断开的情况下受金属蒸发影响，电弧难以维持，因此在电流达到零点前会在一个瞬时值出现强制的熄弧，这种情况即为截流。发生截流现象时会提高回路电流的变化率和电感上的电压，从而形成过电压。

1.3 铁磁谐振过电压

中性点非有效接地系统的设计和变电所母线电磁式互感器的设置中采取高压侧中性点接地方式。此时电压互感器对地电感与系统电容形成并联回路。受一些因素影响，在母线电压升高时电压互感器达到饱和状态，同时对地电感会减小且系统参数会发生变化。此外，在某个频率范围内，电容和电感相等会引发铁磁谐振过电压现象[2]。

1.4 弧光接地过电压

中性点非直接接地系统，在单相间歇性弧光接地故障发生时，受电弧多次熄灭和重燃影响，对地电容上电荷也会不断累积并分配，产生过电压，其原理类似于重燃过电压。

2 分析模型的建立

与换流站中性母线过电压水平有关的主要内容如下：第一，包含换流回路结构和设备状态特性等内容在内的回路特性；第二，系统工作状态，主要指电压、电流和功率等；第三，引发过电压的故障，以及在操作中出现的阻抗变化等。对于中性点的过电压问题可以采取有效抑制措施，如配置避雷器或采用控制保护系统等。要有效抑制换流站中性母线的过电压，需考虑其绝缘水平和特殊的工作条件，选择使用更加先进的抑制技术和措施。对此，需建立模型加以分析，掌握中性母线的过电压特性。

高压直流输电系统内部有着复杂多样的过电压现象。实际过电压水平会影响换流变压器和换流阀方面的绝缘设计以及电力系统运行的安全可靠。因此，在发展特高压电网过程中，必须加强对其内部过电压问题的研究。在直流系统中，中性母线的电压较低，会导致在操作失误等情况下易出现过电压问题，严重时会损坏连接在中性母线上的设备。因此，需采取合理措施，有效抑制中性母线过电压问题，确保上面连接的设备安全。

在中性母线出现过电压时，需重点关注可能出现的接地故障。常见的接地故障主要发生在换流变阀侧出线和换流桥。出现这些故障会导致过电压幅值过高，需加大相关研究力度。

建立特高压直流中性母线过电压研究模型的过程中，先需掌握直流系统参数设置、运行条件、仿真软件、控制保护系统以及保护动作策略等，然后选择工况加以研究。在研究分析中，可以选择分析相对常见且危害大的故障类型，本文对换流变阀侧出线单相金属性接地故障和回路断线故障进行分析。

换流变阀侧出线单相金属性接地故障的运行方式为双极和单极大地回线方式。中性母线接地主要是整流站和逆变站中性点接地。采用单极金属回线模式的情况下，中性母线过电压由于其运行中逆变站的接地而得以有效抑制。同时，通过模拟该模式下整流侧换流站中性母线避雷器的各种运行状况计算各种工况下的过电压。常见的工况主要就是整流侧换流变Y/Δ线圈阀侧单相接地、整流侧换流变Y/Y线圈阀侧单相接地、整流侧阀顶接地短路以及整流侧接地极引线断线等。常采用的保护机制是紧急停运和闭锁，保护模式下过电压机制相似，不同之处主要是流过避雷器的能量。

回路断线故障时，直流系统主回路中中性母线避雷器串入。该状态下，各种运行模式的过电压机制是一样的，如果运行模式为单极大地回路，则可选择断线整流侧接地极引线，或对整流站实行紧急停运等措施实施保护。

本文介绍换流变阀侧出线单相金属性接地故障方面常见故障工况，具体如下。

（1）整流侧换流变Y/Δ线圈阀侧单相接地工况分析

在仿真模拟模型的分析计算中，可得到需要的数据并掌握过电压情况，包括整流站中性母线最大过电压和避雷器通过最大电流。在一个周期内，选择故障电流法换相导通时刻为故障时刻。受直流系统脉冲控制离散特性的影响，控制保护是在下一脉冲到来之后才发挥作用。故障时刻距离下次换相之间时间较长，保护作用需要相当长的延时才能到达触发脉冲，而且会威胁到中性母线避雷器面。为有效承受过电压，需保证其设计质量，选择在这一故障时刻开展分析。

在主放电阶段，中性母线流入下脉动前的电流不仅是从金属回线流入的，而且混入避雷器上电流，且以后者为主。故障时刻，其中一项脉动桥触发导通，启动保护后触发角移动，加大触发导通与之后触发的时间间隔。导通10 ms左右之后关断脉动桥，电流过零，同时增大触发角避免触发导通后续脉动桥，避雷器与交流电源之间不会形成回路。此阶段是避雷器消耗能量的主要环节，在直流系统脉冲控制离散特性影响下，避雷器无法在下一脉冲到来前及时发挥作用，无法有效控制避雷器能量。

金属回线放电阶段中，中性母线流入下一脉动换流桥的电流值为零。其中阀流入故障点无法通过，其自身在直流线路中对地分布电容的影响下存在分布电感，在通过金属回线时电流值不会快速降低到零。此时金属回线类似于电源，中性母线避雷器、逆变站接地点回路形成，一部分能量流过避雷器，与故障初期方向相反，电流的幅值较小。

金属回线放电阶段中性母线为低电位，到了触发导通阶段，故障接地点与一项下阀桥中阴极相连接，阀桥两端就会承受正电压，从而脉冲得以触发、导通。中性母线快速拉为地电位，避雷器两端电压和电流达到零，而流入脉动桥的电流值一定，证明金属回线电流直接流入了故障接地点而不是经过避雷器。在发生Y/Δ线圈阀侧单相接地情况下，会引发中性母线避雷器动作，因此故障初期的能耗较大，及时启动保护的情况下则可有效控制中性母线电压，不断减小避雷器能耗，将总能耗控制在通流容量以内[3]。

（2）整流侧换流变Y/Y线圈阀侧单相接地工况分析

整流侧换流变，除了Y/Δ线圈阀侧外，还存在Y/Y线圈阀侧单相接地工况。通过模拟分析可获得该工况下中性母线的最大过电压及通过避雷器的最大电流和能量。其故障过程与Y/Δ线圈阀侧单相接地故障基本类似，二者的不同之处在于该故障工况下只有两个阶段。中性母线接地为第三阶段，上桥有故障点存在，并与中性母线之间间隔三层阀，此阶段可忽视。金属回线大多电流由避雷器接收。故障放电环节中，来自下脉动和上脉动环流桥的直流电压和交流线电压共同串联形成故障电源，其电压较大，相比于Y/Δ线圈阀侧单相接地故障该工况下会有更高的能量进入避雷器。

（3）整流侧阀顶接地短路

整流侧阀顶接地短路故障与Y/Y线圈阀侧单相接地故障过程相类似，中性母线接地第三阶段不存在。与Y/Y线圈阀侧单相接地故障不同的是形成故障电源的方式，故障电源由整流站上脉动换流桥与下脉动换流桥的直流电压串联形成，其中多了一层阀，受该层阀阻碍作用影响，实际注入避雷器的能量相对较小。

（4）整流侧接地极引线断线

单极大地处于正常运行状态下时，逆变站电流通过接地极会流入大地，然后进入整流站。如果断开整流站的接地极引线，那么电流要进入整流器换流阀，需经过整流侧避雷器。在此情况下的直流回路中，避雷器的作用相当于电阻串联，会有故障电流流过。可以将整个故障具体分为3个阶段。

首先是保护未动作阶段。故障发生后避雷器和极线流过的电流相同，避雷器在直流回路中的作用类似于电阻串联，回路电阻瞬间增加下一定程度会降低直流电流，此时控制整流侧定电流时需保证电流值不变。控制系统使用回升电流且移动触发角的情况下，会加大直流电压。该阶段中通过的能量，是故障中主要组成。

其次是保护动作后阶段。HSGS投入后该阶段结束。故障发生后触发系统的保护动作，同时改变触发角。此状态下，整流侧电流和避雷器电流减小、整流侧电压降低，中性母线会出现过电压问题。

最后是HSGS投入之后的阶段。在整流侧，中性母线上HSGS启动投入一定时间后，保护投入，中性母线被拉为地电位，避雷器未有电流流过、两端电压零值。

3 中性点母线过电压抑制措施

3.1 中性母线避雷器优化配置

特高压直流输电工程中，中性母线、接地极线路会配置避雷器，具体需设置中性母线平波电抗器阀侧避雷器、中性母线平波电抗器线路侧避雷器以及金属回线避雷器等。优化配置过程中，需解决和改进金属回线避雷器操作残压问题。降低操作残压不仅会加大金属回线避雷器电流，且会减小其他中性母线平波电抗器阀侧避雷器电流。

3.2 中性母线的释能间隙抑制过电压措施

抑制过电压的一项有效措施就是在中性母线上设置好通道，确保能力更好释放，可以降低电压幅值并减少其持续时间。重视释能间隙，将其合理应用于中性母线短时接地中，达到切断直流电弧的目的。可以将释能间隙作为MOV后备保护运行，在MOV吸收一定能量或其温度超过一定值后，会触发释能间隙保护动作保护MOV。在此过程中，需考虑释能间隙特点。启动两端并联旁路断路器可以缩短燃弧的时间，释能间隙安全退出。当前，采用脉冲电压触发间隙中还存在触发装置与高压端电气间隔离方面未实现有效隔离的问题。此外，由于实际触发间隙整定范围较小，因此容易导致区外发生自触发事故。采用自击穿释能间隙为避雷器后备保护，可将释能间隙安装在整流站接地极线路首端，限制电压幅度，保证实际限压效果。具体放电间隙的选择需依据系统自身情况进行。释能间隙系统需设置好旁路断路器，在间隙燃弧后执行合闸操作，为间隙灭弧提供条件。同时，熄灭释能间隙电弧、系统恢复中，有较高的动态过电压，会出现再度击穿释能间隙的问题，导致旁路断路器无法有效断开，对此利用释能间隙需配合直流短路技术共同作用抑制中性母线过电压[4]。