换流站交流滤波器用避雷器过电压仿真建模因素

罗新，邓俊文，邓京，黄学民，韩永霞

(1. 南方电网超高压输电公司广州局，广州 510663；2. 华南理工大学，广州 510640)

0 引言

直流输电技术拥有损耗小、造价低等优点，是我国实现西电东送的重要手段[1 - 7]。

交流滤波器是直流输电系统中的重要组成部分，承担着提供无功功率和滤除谐波的任务[8 - 12]。当直流输送功率发生变化，需要投切交流滤波器以实现功率平衡[13 - 16]。而交流滤波器投切及系统发生故障时均会对系统造成冲击[17 - 21]，滤波器避雷器形成波形较陡的过电压[22 - 23]，此时交流滤波器中的杂散参数，交流滤波器场内外线路的π型等效电路中包含的等效电感、电容在高频冲击下将对滤波器用避雷器暂态应力产生不可忽视的影响，同时交流滤波器和交流母线保护动作，滤波器组开关断开也会对避雷器造成进一步影响，因此有必要仿真分析上述各因素在典型工况下对交流滤波器避雷器过电压的影响，以进行交流滤波器的绝缘设计。

国内外对于交流滤波器过电压及绝缘配合已有相关研究[15, 24 - 27]。首先，避雷器绝缘配合中滤波器过电压被归类为内部过电压，主要工况包括交流系统接地故障、逆变侧失去交流电源、带电投切滤波器[24]。有学者提出[25]，在滤波器投入工况中交流滤波器用避雷器过电压波前时间达到15 μs，因此在分析交流滤波器过电压时有必要建立高频模型。文献[26 - 27]以交流滤波器为对象进行了暂态额定值计算，但其只考虑了交流滤波器的杂散参数，未考虑交流滤波器场内外的π型等效电路。

此外，近几年的国内直流工程运行经验表明，交流滤波器用避雷器出现了频繁动作的情况。罗新等证明了避雷器频繁动作是由交流滤波器合闸对避雷器产生冲击所致[28]。文献[29]提出了选择交流滤波器避雷器的主要原则是滤波器正常投切时避雷器计数器不动作，不过在建模方法上仅将线路当成理想导线，且不考虑系统保护策略。

图1 交流滤波器电路图Fig.1 Circuit diagram of AC filter

针对上述问题，本文以±800 kV糯扎渡直流工程中侨乡换流站的交流滤波器场为主要对象，建立交流滤波器场的高频电磁暂态模型，对比分析滤波器杂散参数、交流滤波器场线路的π型等效电路、交流滤波器和交流母线的保护策略对交流滤波器用避雷器过电压仿真结果的影响，提出更加精确的交流滤波器建模方法，为交流滤波器过电压的精确计算和绝缘配合提供参考。

1 特高压直流系统拓扑结构及建模

根据糯扎渡直流输电系统的结构和参数，基于CIGRE推荐的Benchmark模型，在PSCAD电磁暂态仿真软件中建立了仿真模型。

1.1 系统结构和参数

本文以±800 kV糯扎渡直流输电系统为研究对象，系统额定参数如表1所示[23]。

表1 系统额定参数Tab.1 Rated parameters of the system

1.2 滤波器杂散参数分析及等效模型

逆变侧交流滤波器共有3种类型[23]，即双调谐滤波器DT11/24(A型)、DT13/36(B型)及并联电容器Shunt C(C型)。以某一大组滤波器为例，该大组滤波器包括2个C型滤波器小组(571、572)、1个A型滤波器小组(573)和1个B型滤波器小组(574)。

考虑杂散参数，各滤波器电路结构及具体参数如图1、表2和表3[23, 25]所示。其中LC1为高压电容C1的杂散电感，RL1为L1的杂散电阻，RL2为L2的杂散电阻。根据ABB公司提供的设备数据，杂散电感LC1取值为50 μH，杂散电阻RL1和RL2的计算方法如式(1)所示。

(1)

表2 3种交流滤波器的参数Tab.2 Parameters of three types of AC filter

表3 两种避雷器参数Tab.3 Parameters of two arresters

1.3 交流滤波器场内外线路参数及等效模型

线路参数如表4所示[25]。其中逆变侧换流阀至交流母线、交流滤波器场至交流母线以及交流滤波器小组间的导线采用了π型等效电路，如图2所示。

表4 线路参数Tab.4 Parameters of lines

图2 逆变侧π型等效电路Fig.2 π-equivalent circuit on the inverter side

1.4 保护策略

根据相关运行规程，交流母线和交流滤波器保护动作策略如表5所示，相应开关如图2所示。

1.5 建模分析

为分析不同建模方法对过电压仿真结果的影响，本文采用逐渐细化模型的方式，如表6所示。

表5 受端换流站保护策略Tab.5 Protection strategy of receiving converter station

表6 本文涉及的仿真模型Tab.6 Simulation model involved in this paper

2 仿真结果及分析

2.1 滤波器投入操作

相关研究表明，避雷器断路器合闸操作是造成滤波器避雷器频繁动作的主要原因，且合闸相角对过电压影响最大[28]。因此假设571小组C型滤波器交流母线电压偏离过零点90 °时投入(最严重情况)。

仿真结果如图3和表7所示。交流滤波器过流保护动作，各滤波器小组开关断开。由图3可知，避雷器电压脉宽在100 μs内，波前时间在10 μs内，因此属于雷电过电压的范畴。

分析图3和表7，模型1中避雷器电压波头有一个明显的尖峰，而考虑杂散参数后模型2的电压波形变得平滑，原因是杂散电感起到了限制电流突变，阻碍电流变化的作用，因此电压电流幅值降低，但同时也因为电感能量存储和释放，电流的脉宽增加，避雷器吸能增加。模型3考虑线路的π型等效电路后，线路的LC参数参与了避雷器动作时的电磁暂态过程，同时影响了其他组滤波器折返射波的到达时间并起到衰减的作用，故避雷器电压幅值降低，脉宽增加，整体避雷器吸收能量降低。模型4考虑保护策略后，本组滤波器断路器因保护动作而跳闸，滤波器的能量均只能在内部消耗传播，没有外部线路及滤波器组参与电磁暂态过程，故避雷器电压及能量都较高。

图3 571小组滤波器F2避雷器应力Fig.3 Stress of F2 arrester in 571 filter group

表7 571小组滤波器F2避雷器应力对比Tab.7 Stress comparison of F2 arrester in 571 filter group

572小组滤波器F2避雷器电压、电流及能量的影响如图4和表8所示。

图4 572小组滤波器F2避雷器应力Fig.4 Stress of F2 arrester in 572 filter group

表8 572小组滤波器F2避雷器应力对比Tab.8 Stress comparison of F2 arrester in 572 filter group

图4和表8说明，模型3考虑线路的π型等效电路后，避雷器的电压、电流幅值和吸收能量较高，且避雷器电压脉宽明显增加，原因是考虑线路的π型等效电路后，因571小组滤波器合闸而产生的冲击在π型等效电路中得到了放大后传递到572小组滤波器。模型4考虑保护策略后，接收到571小组传来的冲击后，572小组滤波器保护动作，小组开关跳闸，仅本小组内部能量转换，因此模型4中避雷器电压电流幅值和避雷器能量比模型3的小。

571小组滤波器投入对同一大组的573小组滤波器F1避雷器影响如图5和表9所示。

图5 573小组滤波器F1避雷器应力Fig.5 Stress of F1 arrester in 573 filter group

表9 573小组滤波器F1避雷器应力对比Tab.9 Stress comparison of F1 arrester in 573 filter group

由图5和表9可知，573小组A型滤波器避雷器应力较小，各模型下避雷器的应力变化趋势与572小组滤波器类似。

574小组B型交流滤波器F1避雷器暂态应力波形和图5基本相同，仿真结果如表10所示。

分析表7至表10可知，571小组交流滤波器投入时，各小组滤波器用避雷器均动作，且2组C型滤波器应力较高，但都在设计应力范围以内。4种模型仿真对比结果表明，考虑滤波器杂散参数、线路分布参数和保护策略与已有模型相比，避雷器过电压变化范围为-4%～1.7%，电流幅值基本相同，吸收能量可高出25%～214%。

表10 574小组滤波器F1避雷器应力对比Tab.10 Stress comparison of F1 arrester in 574 filter group

2.2 交流母线三相/单相接地

交流母线接地故障是避雷器参数配置的决定性工况之一，该故障下的仿真波形如图6所示。

图6 571小组滤波器F2避雷器应力Fig.6 Stress of F2 arrester in 571 filter group

发生交流母线接地故障时，交流母线过流保护动作，交流母线与滤波器场直接相连的两侧开关跳开。

图6表明，交流母线三相接地工况中，电压波前时间及过电压脉宽分别在几微秒和几十微秒范围，因此应该采用高频模型开展仿真分析。模型2与模型1对比，模型2中杂散参数降低了波前陡度，模型3中线路π型等效电路使得波的传播时间增加，避雷器电压脉宽增加，幅值降低。上述变化的原因与2.1节类似。

交流母线三相/单相接地故障下滤波器用避雷器应力如表11—12所示。

由表11—12可知，发生交流母线三相/单相接地故障时，四种模型下各避雷器应力变化趋势与前述分析基本一致，考虑交流滤波器杂散参数、π型等效电路和保护策略后，A、B、C型滤波器用避雷器过电压幅值比未考虑时下降5%～25%，电流幅值下降36.2%～62%，避雷器吸收能量上升16%～49%。因此，若绝缘设计的过电压仿真中不考虑上述因素，避雷器电压电流设计值会偏大，导致成本增加；而吸收能量设计值会偏小，可能导致避雷器能量吸收能力不足，影响滤波器正常运行。

由表7—12可知，避雷器的应力在交流母线接地故障下(表11—12)比在滤波器组投入操作下(表7—10)要大很多。因此在绝缘设计中，前者对避雷器最大应力设计影响较大。但是，运行中滤波器投切操作次数要远高于母线接地故障次数，为避免避雷器动作次数太多而导致寿命降低，建议在滤波器避雷器选型时其参考电压的选取充分考虑滤波器投入过电压。

3 结论

本文仿真分析了在交流滤波器投入和交流母线接地工况下，3种建模因素即交流滤波器杂散参数、交流滤波器场内外线路的π型等效电路、交流滤波器保护策略对交流滤波器用避雷器应力的影响，得出以下结论。

表11 交流母线三相接地滤波器用避雷器应力对比Tab.11 Stress comparison of arrester for filter in the condition of AC bus three-phase grounding

表12 交流母线单相接地滤波器用避雷器应力对比Tab.12 Stress comparison of arresters for filter in the condition of AC bus single-phase grounding

1)在交流滤波器投入工况下，若滤波器合闸相角超前母线电压90 °，则同一大组的各小组交流滤波器用避雷器均会动作，且投入的C型滤波器的避雷器应力最大，其次是相邻的C型、A型和B型避雷器应力则相对较小。滤波器组投入操作是导致交流滤波器用避雷器频繁动作的原因。

2)在滤波器投入工况下，避雷器承受的过电压属于雷电过电压，因此需要采用高频等效模型；通过4种仿真模型对比可知，考虑3种建模因素后的仿真结果与考虑前的仿真结果相比，各滤波器用避雷器过电压变化-4%～1.7%，吸收能量高出25%～214%，因此准确的建模方法对滤波器绝缘设计及避雷器选型有直接影响。

3)在交流母线接地故障工况下，避雷器应力高于滤波器投入操作工况，考虑3种建模因素后， 各滤波器用避雷器过电压幅值比未考虑时下降5%～25%，电流下降36.2%～62%，避雷器吸收能量上升16%～49%。因此若在绝缘设计中不考虑上述3种建模因素，避雷器电压电流设计值将产生较大偏差，能量设计值会偏小，影响交流滤波器正常运行。