直流換流站中性母線避雷器組故障仿真研究

劉志遠(yuǎn)，于曉軍，李秀廣，李江濤，郭 潔，何家欣，虞江華

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，銀川 750000; 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049;3.安徽徽電科技股份有限公司, 合肥 230088)

0 引 言

由于我國的能源分布和負(fù)荷中心存在較大差異，決定了我國需要發(fā)展遠(yuǎn)距離、大容量的特高壓直流輸電系統(tǒng)將能源從西部和北部地區(qū)輸送到中、東部負(fù)荷中心[1-2]。

高壓直流避雷器作為特高壓直流輸電系統(tǒng)過電壓保護的關(guān)鍵設(shè)備，在絕緣配合中起著決定性的作用。其中中性母線避雷器安裝于換流站中性母線，在直流系統(tǒng)正常運行時電壓較低，雙極大地平衡運行時電壓為零，但當(dāng)線路發(fā)生故障或發(fā)生某些操作時，中性母線上易產(chǎn)生較大過電壓且能量巨大。為保護中性母線區(qū)設(shè)備不受過電壓損傷，該類型避雷器需具備吸收最高40 MJ左右能量的能力。受避雷器制造技術(shù)的限制，電阻片尺寸不能過大，中性母線避雷器需采用是大規(guī)模多柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)進行分流，保證所有的電阻片不會吸收過多能量[3-4]。以溪洛渡直流輸電工程為例，其整流側(cè)牛寨換流站單回中性母線避雷器設(shè)計能量耐受能力為33.12 MJ，并聯(lián)柱數(shù)量為92柱，每4柱構(gòu)成一個避雷器單元筒。

由于結(jié)構(gòu)特殊，且電阻片伏安特性存在分散性，這種大規(guī)模并聯(lián)避雷器組各電阻片耐受能量和特性老化不均勻問題尤為嚴(yán)重。當(dāng)避雷器組中部分電阻片伏安特性在能量沖擊后降低較多，在下次避雷器限制過電壓時會吸收更多的能量，使電阻片進一步老化，形成惡性循環(huán)。最終部分電阻片吸收能量過多而損壞，導(dǎo)致單柱閃絡(luò)接地故障。近十及年來，相繼投運的直流輸電工程中，中性母線避雷器故障相繼發(fā)生三十余起[5-9]。

國內(nèi)一些文獻(xiàn)針對特高壓換流站中性母線多柱并聯(lián)避雷器組進行了研究。文獻(xiàn)[7]提出了±800 kV糯扎渡特高壓直流輸電工程人工接地試驗中中性點避雷器損壞的故障分析。文獻(xiàn)[8]分析了昭通±500 kV換流站中性點母線避雷器故障。多柱并聯(lián)避雷器之間的電流分布與其電流分布系數(shù)有關(guān)。因此，必須嚴(yán)格控制該系數(shù)，以避免一列壓敏電阻吸收過多的能量。目前針對多柱并聯(lián)避雷器的研究多是從電流分布角度進行分析[10-17]。包括電流波形、幅值、電阻片溫度、電阻片伏安特性分散規(guī)律等因素對電流分布系數(shù)的影響。但從系統(tǒng)分析角度分析單柱伏安特性變化對大能量吸收過程中電流及吸收能量分布的影響的研究不夠充分。

筆者基于PSCAD建立了中性點避雷器直流輸電的詳細(xì)模型。通過仿真研究了中性點母線避雷器在故障過程中的分布特性。最后對研究結(jié)論進行了總結(jié)，為多柱并聯(lián)避雷器組能量分布特性研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 換流站電磁暫態(tài)仿真模型

1.1 系統(tǒng)模型及參數(shù)

仿真模型依托±660 kV銀川東-青島直流輸電工程實際運行參數(shù)，輸電容量約4 000 MW，單極運行方式時，額定功率傳輸能力為2 000 MW。功率反送方式下，青島換流站輸出功率雙極運行時不應(yīng)小于3 600 MW，單極運行時不應(yīng)小于1 800 MW。每極為單12脈動閥組接線方式，輸電距離約1 335 km，直流電壓±660 kV，直流電流3 030 A，送端換流器接入330 kV交流電網(wǎng)；受端換流器接入500 kV交流電網(wǎng)，見圖1。

圖1 ±660 kV銀川東-青島直流輸電工程主接線Fig.1 Main connection scheme of ±660 kV Yinchuan-Qingdao UHVDC project

換流變采用單相雙繞組變壓器，變壓器交流側(cè)繞組中性點接地。變壓器主要參數(shù)見表1。

表1 換流變壓器參數(shù)Table 1 Parameters of transformers in converter stations

換流站平波電抗器每極極線配置75 mH，中性線側(cè)配置3×75 mH，中性母線電容器總的電容值為40 μF，單極運行時為20 μF。

1.2 避雷器組模型及參數(shù)

合理配置避雷器參數(shù)可以有效控制換流站內(nèi)過電壓的幅值，從而降低對設(shè)備絕緣水平的要求。換流站避雷器配置方案見圖2,描述及參數(shù)見表2、表3。

表2 換流站避雷器描述Table 2 Definition of arresters in converter stations

圖2 避雷器配置方案Fig.2 Sketch of arresters arrangement

表3 銀川東站避雷器參數(shù)Table 3 Parameters of arresters in converter stations

續(xù)表3

仿真中避雷器模型采用非線性電阻元件，根據(jù)實際測量電阻片伏安特性數(shù)據(jù)設(shè)置避雷器參數(shù)。實際避雷器組中電阻片伏安特性存在一定的分散性，導(dǎo)致在限制過電壓過程中，流過每一柱的電流和每一片電阻片吸收的能量不均勻。但在仿真理想條件下，先設(shè)置所有電阻片伏安特性相同，電阻片串聯(lián)組成單柱避雷器伏安特性也相同，然后并聯(lián)構(gòu)成避雷組，再針對性地改變局部伏安特性曲線開展研究。以EM避雷器為例，單柱避雷器串聯(lián)55片電阻片，整組并聯(lián)64柱可滿足能量吸收能力要求。伏安特性曲線見圖3。

圖3 避雷器伏安特性曲線Fig.3 Volt-ampere characteristics curve of EM arrester

2 系統(tǒng)故障特性仿真

直流換流站中性母線避雷器包括E、EL、CBN、EM 4個不同位置的避雷器，其參考電壓及能量吸收要求也不同。

2.1 閥頂接地故障

在直流側(cè)故障中，閥頂接地故障是較為嚴(yán)重的一種工況，此時中性母線避雷器在限制過電壓過程中會吸收大量能量。接地點如圖4中K1位置，當(dāng)換流站內(nèi)發(fā)生閥頂接地故障時，直流極母線差動保護及時采取保護措施，停止換流閥的能量傳輸，使流過故障點電流迅速減小過零，從而消除故障。判據(jù)及定值設(shè)置原則：比較閥廳高壓母線直流電流IdP和出線側(cè)直流電流IdL，如果兩電流的差值大于整定值，保護將跳閘。即|IdP-IdL|>Δ。典型定值：Δ=0.5 pu，T=10 ms。

圖4 閥頂接地故障電流回路示意圖Fig.4 Schematic diagram of current loop when grounding fault at the top of converter valve

整流站逆變站接地故障對應(yīng)的保護動作為X閉鎖。保護動作順序：移相閉鎖、跳交流斷路器、極隔離、起動斷路器失靈保護、鎖定交流斷路器。對于整流站故障，X閉鎖通過移相使整流器轉(zhuǎn)換為逆變器工作，使交流側(cè)電能停止向直流側(cè)傳遞并將直流側(cè)多余電能反送至交流側(cè)，從而達(dá)到減小故障電流，及時消除故障的目的。故障后，退出故障極，另一極正常運行。

雙極全壓下整流側(cè)發(fā)生閥頂接地故障時CBN避雷器所承受的過電壓與能量見圖5。

圖5 整流側(cè)閥頂接地故障時EM避雷器波形及故障點電流Fig.5 Grounding current and waveform of EM arrester when grounding fault at the top of rectifier

加裝避雷器后，中性母線平波電抗器閥側(cè)電壓最大值由-425 kV降至-379 kV，起到了抑制過電壓的作用。從圖中可以看到，與故障電流相對應(yīng)，CBN避雷器過電壓分為兩個階段，在故障電流上升時，CBN避雷器承受負(fù)的過電壓；在故障電流下降階段，CBN避雷器承受正的過電壓；避雷器吸收能量也分為兩個階段。故障過程持續(xù)約17.5 ms，整個過程中，避雷器吸收了約730 kJ能量。對比避雷器吸收能量曲線與故障電流曲線，可以看出兩者相互對應(yīng)。故障電流陡度較大地變化時避雷器動作并吸收能量。

當(dāng)故障發(fā)生在逆變側(cè)閥頂時，故障電流同樣經(jīng)接地極、中性母線、平抗、換流器以及換流站接地網(wǎng)形成回路。故障電流在中性母線平抗上產(chǎn)生較高的過電壓，使得CBNi避雷器動作。CBNi避雷器殘壓也較低，由-434 kV降為-381 kV，吸收能量峰值為235 kJ。逆變側(cè)閥頂發(fā)生接地故障時，故障嚴(yán)重程度較整流側(cè)故障要小得多。其原因主要有兩點：一是逆變站電流方向與整流站電流方向相反，發(fā)生故障時，故障電流更小。二是逆變側(cè)直流電壓較整理側(cè)直流電壓低15 kV左右，使得逆變器存儲能量較小，發(fā)生接地故障后故障電流也就更小。

2.2 故障影響因素分析

系統(tǒng)運行方式、接地點過渡電阻、保護動作時間對故障嚴(yán)重情況影響較明顯。系統(tǒng)在單極金屬回線運行方式下發(fā)生閥頂接地故障時，過電壓更嚴(yán)重。其原因是在雙極運行方式下，當(dāng)一極發(fā)生故障，另一極基本不受影響，仍正常運行，從而能夠提供平衡電流，減小流經(jīng)避雷器的電流，并且整流站有效連接接地極，也能夠提供一部分電流。而單極金屬運行方式下，整流站不直接與接地極相連，當(dāng)整流站閥廳內(nèi)發(fā)生接地故障時，故障電流會通過中性線避雷器形成回路。因此在該運行方式下，將有更多故障電流經(jīng)避雷器，避雷器殘壓幅值比雙極全壓更高，承受更大應(yīng)力。

在單極金屬回線運行方式下，金屬回線避雷器EM投入運行，在發(fā)生閥頂接地故障時，EM避雷器、E避雷器、CBN避雷器都會動作提供回路電流，但由于EM避雷器設(shè)計參考電壓比其他避雷器低一點，因此在故障發(fā)生時會吸收更多能量。在閥閉鎖后金屬回線上存儲的能量有一個釋放過程，故障后應(yīng)立即閉合NBGS，一般NBGS閉合動作需40 ms左右，此時系統(tǒng)保護已經(jīng)動作，避雷器吸收能量結(jié)束，因此不考慮NBGS的影響。

另外，在單極大地回線運行方式下，由于整流站中性母線直接與接地接連接，大部分故障電流經(jīng)中性線和接地極形成回路，從而流經(jīng)避雷器的電流比單極金屬回線小得多，因而CBN避雷器節(jié)點過電壓峰值和避雷器吸收能量都較小。3種運行方式下殘壓與吸收能量對比見表4。

表4 系統(tǒng)運行方式對故障的影響Table 4 Influence of system operation mode on fault

在單極金屬運行方式下，保護動作時間設(shè)置為10 ms時，接地電阻對故障點電流以及EM避雷器吸收能量的影響見表5。

表5 接地電阻對故障的影響Table 5 Influence of grounding resistance on fault

接地電阻越大時，故障電流越小，故障程度就越輕，避雷器吸收能量少。同樣，保護動作時間對故障點電流以及EM避雷器吸收能量的影響很大，保護動作時間越長，避雷器吸收能量越多。在本文中以典型值10 ms計算，接地電阻選為2 Ω。其中EM避雷器吸收能量21 MJ。1 s時刻發(fā)生閥頂接地故障，波形見圖6。

圖6 單極閥頂接地故障時EM避雷器波形Fig.6 Waveform of EM arrester when grounding fault at top of converter under mono-polar metallic return

同雙極運行方式時的故障波形類似，避雷器過電壓分為正負(fù)兩個部分。此時在理想狀態(tài)下，避雷器組中每一柱流過電流相同，電阻片吸收能量相同。波形與圖中相同，能量及電流波形幅值為整組避雷器的1/64。

3 避雷器組局部故障

上述EM避雷器包含3 000多片電阻片，必然存在伏安特性分散、電流、吸收能量分布不均勻，老化程度不一致的問題，部分避雷器柱的電阻片伏安特性下降較快，在避雷器在限制過電壓吸收能量的過程中，吸收能量更多。通過仿真對此過程進行模擬。

假設(shè)其中一柱避雷器老化嚴(yán)重，伏安特性曲線整體下降10%，其他柱保持理想狀態(tài)不變，在相同的單極閥頂接地工況下，波形見圖7。電流幅值和吸收能量變化見表6。

圖7 伏安特性降低后單柱波形變化Fig.7 Change of waveform of single column after the decrease of volt-ampere characteristic

表6 電流幅值和吸收能量變化Table 6 Change of current and energy absorbed

從圖7中可以看出，在單一避雷器柱伏安特性的降低10%時，避雷器組耐受能量沖擊時該柱流過電流及吸收能量遠(yuǎn)超其他理想狀態(tài)柱，且吸收能量超出其耐受限值。單柱電流幅值及吸收能量隨伏安特性變化見圖8。

圖8 伏安特性對單柱電流幅值及吸收能量的影響Fig.8 Influence of volt-ampere characteristic on current amplitude and energy absorbed of single column

可以看出單柱避雷器伏安特性的略微降低會導(dǎo)致電流快速集中，這種現(xiàn)象在中性母線避雷器這種并聯(lián)規(guī)模大的結(jié)構(gòu)中更為明顯。當(dāng)單柱避雷器吸收能量達(dá)到一定程度，由于電阻片熱老化加速形成熱崩潰，會導(dǎo)致電阻片側(cè)面發(fā)生局部閃絡(luò)，進而快速發(fā)展為整體閃絡(luò)接地故障。

在仿真模型中添加閃絡(luò)電弧指數(shù)電阻模型模擬單柱避雷器發(fā)生閃絡(luò)接地故障，弧道電阻Ra通過式(1)確定。

Ra(t)=Ra+R0e-t/τ

(1)

式中τ為時間常數(shù)，Ra為靜態(tài)電弧電阻，R0為弧前電阻。假設(shè)圖 中1.01 s時刻該問題柱發(fā)生閃絡(luò)接地，弧道電阻從弧前電阻呈指數(shù)降低至靜態(tài)電弧電阻，波形見圖9。

圖9 伏安特性對單柱電流幅值及吸收能量的影響Fig.9 Influence of volt-ampere characteristic on current amplitude and energy absorbed of single column

圖9中可以看出電流迅速集中在電弧通道，仿真中電流在幾十微秒內(nèi)達(dá)到上百千安。同時中性母線電壓迅速降低，在150 μs左右到零，瞬時大電流集中導(dǎo)致避雷器會出現(xiàn)爆炸等危險事故。

4 結(jié)論

1)中性母線避雷器由于運行工況特殊，系統(tǒng)正常運行時不承擔(dān)工作電壓，故障時需要耐受大量能量，因此采用大規(guī)模多柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

2)在發(fā)生直流側(cè)接地故障時，中性母線避雷器在限制過電壓過程中需要耐受大量能量，發(fā)生單極閥頂接地故障時EM避雷器吸收能量21 MJ。

3)由于并聯(lián)柱數(shù)多，某一單柱避雷器由于老化導(dǎo)致伏安特性參數(shù)降低時，會引起電流集中通過，吸收能量快速增加。

4)單柱避雷器吸收能量達(dá)到電阻片熱容量限值時，電阻片損壞引起避雷器內(nèi)絕緣閃絡(luò)，發(fā)展形成接地故障。