±800 kV换流站交流滤波器绝缘配合影响因素

邓京，韩永霞，邓俊文，黄学民，罗新，李歆蔚

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641；2.南方电网超高压输电公司广州局， 广东 广州 510663)

交流滤波器是常规直流输电系统的重要设备，其主要作用是滤除换流器产生的各次谐波，并提供无功功率等[1-2]。目前国内外对交流滤波器关键问题的研究主要集中在其性能和定值计算、避雷器参数设计方法，以及设备绝缘水平等方面[3-8]。但是近几年来，±800 kV及±500 kV电压等级直流输电工程中均出现了交流滤波器避雷器频繁动作达年均900多次的问题，且部分避雷器直流1 mA参考电压下降5%，有损坏迹象。此外，运行经验表明投入一小组滤波器时，除了引起本小组滤波器避雷器动作，还会引起本大组其他小组滤波器避雷器动作。

目前针对交流滤波器避雷器频繁动作的研究较少。现有的研究对避雷器外绝缘开展试验分析[9-10]，或通过仿真分析提出避雷器频繁动作与滤波器断路器合闸相角过大有关，但未提出相应的解决措施[11-12]；文献[13-14]针对如何减小合闸相角，提出了采用自适应选取方法和合理设置选相定值的方法，但运行经验表明断路器合闸相角仍然难以精确控制。因此，对实际交流滤波器绝缘配合的研究仍然需要考虑断路器合闸相角过大的影响。

GB/T 311.3—2017《绝缘配合 第3部分：高压直流换流站绝缘配合程序》提出交流滤波器绝缘配合的原则是在保证设备绝缘水平不太高的情况下，尽量选较高的额定电压，避免滤波器频繁投切操作导致避雷器频繁动作[15]。文献[16-18]提出选择500 kV及以上电压等级交流滤波器避雷器的额定电压时，应保证滤波器正常投切时不动作，但具体仿真研究中未采用交流滤波器的高频等效模型，忽略了杂散参数和母线传输过程的影响。相关研究表明，不考虑系统的等效高频模型会影响避雷器电气应力的计算结果[19-20]。同时，以上研究只提出了避雷器额定电压的选取原则，未开展滤波器投入时避雷器动作的影响因素以及与断路器合闸相角配合的避雷器参数设计方法的研究。

针对上述问题，本文从交流滤波器的绝缘配合及避雷器频繁动作抑制两方面进行综合分析。首先，基于PSCAD电磁暂态仿真程序建立±800 kV换流站过电压仿真模型，考虑滤波器杂散参数、母线π型等效电路及保护策略的详细等效模型；然后，仿真分析滤波器投入、交流母线单/三相接地故障、交流滤波器母线单/三相接地故障等工况下避雷器的最大电气应力，分析绝缘配合的决定性故障工况、避雷器频繁动作的原因以及避雷器额定电压选取的影响因素；最后，分析在不改变设备绝缘水平的前提下减少避雷器动作次数的方法。

1 系统参数及建模

1.1 系统参数

糯扎渡直流输电工程的系统额定参数参考文献[21]，各组交流滤波器的配置情况如图1所示，配置的避雷器参数见表1，其中Ur为额定电压，ULIPL为雷电冲击保护水平，ILIPL为配合电流，E为避雷器吸收能量。

图1 交流滤波器布置图Fig.1 AC filter layout diagram

表1 交流滤波器避雷器参数Tab.1 AC filter arrester parameters

1.2 仿真建模

本文基于CIGRE高压直流的Benchmark模型，在PSCAD中建立糯扎渡直流工程的过电压仿真模型[22-23]。

针对交流滤波器在各工况下过电压波前时间为微秒级的特点，为提高计算结果精确度，仿真模型中对换流阀至交流母线、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π型等效电路进行模拟。此外，根据交流滤波器的空间结构建立3D仿真模型，运用ANSYS仿真软件计算交流滤波器各元件之间的杂散电容，建立交流滤波器杂散参数模型，并在交流侧考虑针对交流滤波器的保护策略。各设备详细等效参数及仿真模型参考文献[19-20]，交流侧则采用在100 km外设置无穷大电源进行等效，仿真步长取2 μs。

2 过电压仿真结果及分析

2.1 滤波器组投入

2.1.1 合闸相角对避雷器应力的影响

当直流系统输送功率为5 000 MW额定功率且其他交流滤波器均处于合闸状态时，仿真分析571小组C型滤波器断路器合闸相角为90°时F2避雷器的电气应力(如图2所示)。其中避雷器电流波前时间为18 μs；电压幅值为125 kV，相比文献[12]高出8.8%；吸收能量为115 kJ，相比文献[12]高出26%。

图2 571小组C型滤波器F2避雷器电气应力波形Fig.2 Electrical stress waveforms of F2 arrester of 571C typed filter

由图2初步分析可知，电压较高的原因是杂散电容增加了回路中总电容量，从而导致避雷器的放电电压升高。考虑保护策略后，本组滤波器断路器因保护动作而跳闸，无法与外部交流滤波器建立电磁暂态过程，故本组滤波器避雷器吸收能量增大。

此外，各小组滤波器避雷器过电压随571小组滤波器投入合闸相角的增加而增加，如图3所示。实际避雷器的电流超过60 A时，其计数器就会动作1次，设定避雷器电流为60 A时对应的571小组断路器的合闸相角为临界合闸相角，则该工况引起其他小组滤波器避雷器动作的临界合闸相角见表2。

图3 各避雷器过电压与合闸相角之间的关系Fig.3 Relationship between the overvoltage of each arrester and closing phase angle

表2 各滤波器避雷器对应的571小组滤波器临界合闸相角Tab.2 Critical closing phase angle of 571 group AC filter corresponding to each filter arrester

当系统全压运行下投入571小组滤波器时，571、572小组F2避雷器的动作临界合闸相角分别为12°和30°，573和574小组的F1避雷器临界合闸相角均为48°。该结果可作为避雷器频繁动作改进方法的参考依据，即通过提高临界合闸相角就可以有效减少避雷器的频繁动作次数。

2.1.2 直流输送功率对避雷器过电压的影响

由于直流输送功率在实际运行过程中不断变化，本文仿真分析了当系统直流输送功率从4 000 MW变化到6 250 MW过程中，合闸相角90°时各避雷器过电压随输送功率变化，如图4所示。

图4 各避雷器最大过电压随输送功率变化的趋势(合闸相角为90°)Fig.4 Variation trend of the maximum overvoltage of each arrester with transmission power (closing phase angle is 90°)

由图4可知当直流输送功率由4 000 MW增大至4 375 MW时，573和574小组的F1避雷器过电压有明显下降的原因是当功率增大时，572小组投入运行，571小组滤波器合闸产生的过电压冲击会被572小组吸收，导致573和574小组的过电压减小。当直流输送功率由4 375 MW增大至6 250 MW时，其他大组的C型滤波器投入运行。由于母线电压的波动范围很小，投入571小组产生的过电压变化很小，该大组其他小组滤波器的过电压基本保持不变。

2.2 交流滤波器母线接地故障

交流滤波器母线接地故障产生的过电压机理与交流母线接地故障相同，都是由高压电容放电，经电抗器和避雷器形成振荡回路产生过电压。但由于各滤波器之间的线路采用π型等效电路，故障点不同，过电压传播时间及损耗不同，因而避雷器应力就会有差异。交流滤波器母线单/三相接地故障下各避雷器最大电气应力仿真结果见表3。

表3 交流滤波器母线单/三相接地故障各避雷器最大电气应力Tab.3 The maximum electrical stress of each arrester in case of AC filter bus single/three-phase grounding faults

由表3可知，交流滤波器母线单相接地故障下各避雷器电气应力与三相接地故障相差在3%以内，几乎可忽略不计。因此在交流滤波器的绝缘设计中，将三相接地故障或单相接地故障作为交流滤波器避雷器的决定性故障工况均能满足要求。

图5所示为交流滤波器母线三相接地故障下571小组F2避雷器的最大电气应力，电流波前时间为18 μs，与投入操作相当，但吸收能量高达164 kJ，超过滤波器组投入工况下的避雷器吸收能量。

图5 滤波器母线三相接地故障571小组F2避雷器电压、电流及能量Fig.5 Voltages, currents and energy of three-phase grounding faulted arrester

2.3 交流母线故障

交流母线单/三相接地故障下各避雷器最严重的过电压电流仿真结果见表4，571小组F2避雷器的最大电气应力波形如图6所示，其电流波前时间为30 μs。

表4 交流母线单/三相接地故障各避雷器最大电气应力Tab.4 The maximum electrical stress of each arrester in case of AC bus single/three-phase ground faults

由表4数据可知，交流母线三相接地故障下各避雷器最大电气应力与交流母线单相接地故障相差在3%以内，也可忽略不计。对比表3与表4可知：交流母线接地故障下，C型滤波器F2避雷器的电压、电流及能量幅值比交流滤波器母线接地故障小；同组的A型和B型滤波器F1避雷器电压、电流幅值相对较小，能量偏大。

图6 交流母线三相接地故障571小组F2避雷器电压、电流及能量Fig.6 Voltages, currents and energy of AC bus three-phase grounding arrester

结合图5与图6分析可知，交流母线接地故障下各避雷器电压、电流幅值较小，原因是：交流母线接地故障点位置距离7号母线交流滤波器较远，π型等效电路对故障下的过电压产生了衰减与延迟效应，导致571小组避雷器电压、电流及能量幅值减小。571小组避雷器过电压经过线路的折反射过程作用在同组的A型和B型避雷器上，使得吸收能量增加。

2.4 交流滤波器避雷器决定性工况

交流滤波器避雷器在上述操作及故障下的最大电气应力仿真结果汇总见表5。

表5 各交流滤波器避雷器最大电气应力Tab.5 The maximum stress of each AC filter arrester

由表5可知，滤波器母线单相接地故障下各避雷器的电压、电流最大，交流母线单相接地故障下各避雷器的吸收能量最大；因此，计算交流滤波器避雷器最大电气应力时需综合考虑上述工况的影响。在交流滤波器的绝缘配合研究中，通常将交流母线单相接地故障作为计算双调谐滤波器F1避雷器及单调谐滤波器F2避雷器的雷电冲击保护水平及配合电流的决定性故障工况[16]。本文采用更符合实际的精细化仿真模型后，仿真结果更加符合实际情况，该结果可为交流滤波器的绝缘配合研究提供新的思路。

2.5 避雷器额定电压影响因素分析

上述仿真分析结果表明，虽然滤波器投入操作不是避雷器最大电气应力的决定性故障工况，但如果合闸相角过大或输送功率较小时，避雷器更容易动作。而实际运行中，直流工程输送功率每天的波动会引起交流滤波器的频繁投切，所以较低的额定电压会使得避雷器频繁动作而影响其寿命，但较高的额定电压有可能会提高避雷器的保护水平进而增加设备的绝缘水平。因此，建议在滤波器避雷器额定电压选取中，先结合实际工程中交流滤波器断路器合闸相角大小以及输送功率来开展仿真分析，合理选择避雷器的额定电压。

3 避雷器频繁动作抑制方法

GB/T 311.3—2017中提出，针对换流站交流滤波器避雷器，在不提高低压元件绝缘水平及绝缘造价的情况下，尽量选择较高的额定电压，避免滤波器频繁投切导致避雷器频繁动作[15]。所以选择避雷器的额定电压的原则是交流滤波器正常投切时避雷器不动作。但由于在实际运行过程中，交流滤波器选相合闸装置的精度无法满足滤波器正常投切的要求，如在电压过零点15°以内合闸。因此，在不能有效减小断路器合闸相角的情况下，针对在运工程，可以在不改变设备绝缘水平的前提下，通过串联更多避雷器阀片提升避雷器伏安特性曲线至雷电冲击保护水平临界值的方法，来尽可能降低避雷器动作次数。

避雷器伏安特性曲线改进方法如图7所示，其中I1为避雷器配合电流，U1为改进前避雷器雷电冲击保护水平，U2为避雷器伏安特性曲线提升后的雷电冲击保护水平的临界值，即1.2U2为设备绝缘水平，则避雷器额定电压也随之上升。针对本文案例，避雷器伏安特性数据提升见表6。

图7 伏安特性曲线改进原理Fig.7 Improvement of Volt-ampere characteristic curves

表6 避雷器伏安特性曲线提升后参数Tab.6 Parameters after improving Volt-ampere characteristic curves kV

根据表6中的数据提升避雷器伏安特性曲线后，设置运行功率为5 000 MW，在0°～90°范围内投入571小组C型滤波器。仿真结果表明：571小组C型滤波器合闸相角为15°以上时，571小组滤波器的F2避雷器动作；合闸相角为38°以上时，572小组滤波器的F2避雷器动作；合闸相角为75°以上时，574小组滤波器的F1避雷器动作；合闸相角为85°以上时，573小组滤波器的F1避雷器动作。表7为避雷器伏安特性修改后各避雷器动作的合闸相角范围对比。

表7 避雷器伏安特性曲线提升后各避雷器临界合闸相角Tab.7 Closing phase angle range of each arrester after improving Volt-ampere characteristic curves

对比表2与表7数据可知：提升避雷器伏安特性曲线后，571小组C型滤波器投入导致573小组A型滤波器和574小组B型滤波器的F1避雷器动作的临界合闸相角显著提高，由48°分别提高到85°和75°；与之相比，571小组和572小组的F2避雷器动作的临界合闸相角提高不明显，分别提高了3°和8°。滤波器断路器的选相合闸装置的合闸误差平均在2～4 ms，折合成合闸相角为36°～72°，因此可保证A型和B型滤波器的F1避雷器不动作，同时减少C型滤波器的F2避雷器的动作次数。但要大幅降低C型的动作次数，还需要严格控制合闸相角，或者进一步改进避雷器的伏安特性曲线。

针对处于设计阶段的直流工程，首先要严格控制交流滤波器断路器的合闸相角并考虑不同输送功率；然后，仿真分析最大合闸相角下滤波器投入时本组避雷器最大应力，作为避雷器额定电压选取依据；最后，仿真在交流母线及滤波器母线接地故障下的避雷器最大电气应力，作为避雷器保护水平及设备绝缘水平设计依据。但是，研究中要综合考虑断路器合闸装置增加成本与低压元件绝缘增加成本。

4 结论

本文依据实际±800 kV直流输电工程拓扑结构及参数，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真程序，考虑滤波器杂散参数、母线π型等效电路及保护策略的详细等效模型；仿真分析在交流滤波器投入、各种接地故障等工况下交流滤波器避雷器应力变化及影响因素，提出交流滤波器绝缘配合影响因素、避雷器频繁动作的原因及限制措施。具体结论如下：

a)仿真结果表明滤波器母线接地故障下避雷器电压、电流值最大，交流母线接地故障避雷器吸收能量最大，两者是交流滤波器绝缘配合的典型故障工况，决定了避雷器最大电气应力的选取。

b)交流滤波器投入过程中断路器合闸相角过大是避雷器频繁动作的主要原因，直流输送功率也会影响避雷器电气应力；因此提出针对新设计直流工程，选取避雷器额定电压时要充分考虑断路器实际的最大合闸相角。

c)针对在运工程无法有效控制合闸相角的情况，提出在不改变设备绝缘水平的前提下，通过提高避雷器额定电压的办法来尽可能地减少避雷器动作次数。