特高壓換流站800 kV交流濾波器小組斷路器容性恢復電壓仿真

申笑林，馬為民，白光亞，聶定珍

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市102209；2.國家電網公司直流建設分公司，北京市 100052)

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特高壓換流站800 kV交流濾波器小組斷路器容性恢復電壓仿真

申笑林1，馬為民1，白光亞2，聶定珍1

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市102209；2.國家電網公司直流建設分公司，北京市 100052)

特高壓直流直接接入交流750 kV電網，對投切交流濾波器小組的斷路器的耐壓能力提出了嚴苛的要求,因此需要研究斷路器的容性恢復電壓水平。分析了交流濾波器小組斷路器面臨的各種交流故障工況，通過PSCAD軟件建立了容性恢復電壓的仿真計算模型，并以靈紹特高壓直流工程為例計算得出了800 kV交流濾波器小組斷路器的容性恢復電壓最大值。仿真結果表明交流濾波器小組斷路器的容性恢復電壓由交流系統的短路水平和交流側絕緣水平的影響決定，而且容性恢復電壓超過了現有標準的要求，需研制適應工程需求的新型斷路器。

容性恢復電壓；交流濾波器；斷路器；特高壓直流

0 引 言

為解決我國能源與負荷中心逆向分布的難題，遠距離大容量低損耗的特高壓直流輸電技術被廣泛應用[1-3]。目前我國已掌握特高壓直流接入500 kV交流電網的技術，但是對于我國西北電網，其主要網架采用的750 kV電壓等級，特高壓直流接入問題亟待解決[4-5]。

特高壓直流接入交流750 kV電網的方式分為間接接入和直接接入兩種方式。間接方式是通過聯絡變壓器將交流750 kV變為500 kV，再在500 kV交流母線上聯接換流變壓器和500 kV交流濾波器。哈密—鄭州±800 kV特高壓直流工程中的哈密換流站就是采用此種接入方式。直接接入的方式是在750 kV交流母線上直接聯接換流變壓器和750 kV交流濾波器。直接接入方式需要用800 kV交流濾波器小組斷路器投切濾波器小組。同550 kV交流濾波器小組斷路器類似[6-10]，800 kV交流濾波器小組斷路器同樣存在容性恢復電壓(capacitive recovery voltage，CRV)的問題且更為突出，準確計算容性恢復電壓的數值對設備研發和提高工程可靠性具有重要意義。

通過建立800 kV交流濾波器小組斷路器容性恢復電壓的仿真模型，以靈州—紹興±800 kV特高壓直流工程(下文簡稱“靈紹工程”)為例，提出靈州換流站800 kV交流濾波器小組斷路器的容性恢復電壓值，以期為相關產品的研制提供設計依據。

1 容性恢復電壓計算條件

1.1 交流濾波器小組斷路器的作用

在特高壓直流輸電工程中，采用的是電流源換流方式，換流過程需要消耗大量的無功，同時會在交流側產生大量的諧波[11]。因此在特高壓換流站內一般配備有四大組、每大組4～5小組的交流濾波器/電容器組(以下簡稱濾波器組)，用以提供無功和濾除諧波。

交流濾波器小組斷路器的作用是執行投切濾波器小組的任務，以便在站無功控制調節下能夠正確地給換流器提供無功補償。系統正常投切濾波器小組時，對交流濾波器小組斷路器的開斷和關合能力按照容性電流開合試驗的C2級標準要求，但是當交流側發生接地故障且換流站的無功過剩時，需要在切除濾波器組以減少無功。此時交流濾波器小組斷路器的斷口會產生很高的容性恢復電壓，對800 kV交流濾波器小組斷路器的斷口耐壓水平將是非常嚴酷的考驗，因此需要特別考查該情況下斷路器兩端的容性恢復電壓。

1.2 計算條件和假設

交流濾波器小組斷路器容性恢復電壓是出現在系統發生故障的情況下，即交流系統發生三相或單相接地故障，引起換流器換相失敗(逆變站)或直流電流諧波增大(整流站)，進而直流系統閉鎖，此時交流系統無功過剩電壓升高，需要切除交流濾波器小組，在交流濾波器小組斷路器開斷過程中會產生很高的容性恢復電壓。由此可知，若計算容性恢復電壓的最大值需假設系統運行在如下條件：

(1)故障前，交流系統處于全接線方式下，短路電流按此方式進行計算而不是遠期的最大短路電流。故障后，交流系統的短路電流減小，最嚴重時降至最小短路電流。(2)直流系統輸送功率故障前按1.05 pu考慮(特高壓直流輸電工程都具有2 h過負荷能力，一般設計為正常輸電能力的1.05倍)，故障后直流系統閉鎖，輸送功率為0。(3)故障前交流母線電壓保持在最大穩態電壓水平，并調節變壓器抽頭在額定檔位，使理想空載直流電壓(Udio)達到額定水平。(4)故障持續時間為100 ms(短路故障開始至清除的時間)，故障后約60 ms濾波器切除，這時斷路器兩端的就是所研究的最大容性恢復電壓。

以上假設的原因是在交流弱系統、直流過負荷運行的條件下，濾波器小組全部投入，將使交流母線電壓在故障后電壓抬升幅度最大。對于故障前換流變壓器抽頭在額定檔位的假設是因為本文采用的換流變壓器勵磁曲線是在額定檔位下擬合得到的，實際在交流系統最高電壓下換流變壓器的調壓檔位一般在其正向檔位。需要特別注意的是在特高壓直流輸電的控制保護設計中100 ms以內的臨時接地故障并不會引起直流系統閉鎖，但在本文中按偏嚴酷情況考慮，假定臨時接地故障被判定為永久接地故障或在臨時接地故障的同時發生了直流故障這樣的雙重故障情況。

2 容性恢復電壓仿真模型

2.1 交流等值系統

本文研究的重點在于濾波器小組斷路器的開斷過程而非交流系統的變化，因此在研究中將交流電網進行簡化，采用等值模型[12]。通過短路電流折算出系統的短路阻抗，設置適當的電壓源確保端口電壓為交流系統最高電壓。

2.2 交流濾波器組

典型的交流濾波器有HP3、HP12/24、HP24/36和BP11/13，再加上電容器組SC，共有5種[13]。其中HP12/24、HP24/36屬于雙調諧高通濾波器，其原理如圖1(a)所示； BP11/13屬于雙調諧帶通濾波器，其原理如圖1(b)所示；HP3屬于單調諧濾波器，其原理如圖1(c)所示。

圖1 交流濾波器

交流濾波器的電容值、電感值和電阻值等參數采用工程中的設計值，其內部的避雷器可不予考慮，本文中涉及到的線路故障由交流母線避雷器保護，濾波器避雷器主要是保護其內部的區內故障。

2.3 斷路器

斷路器的模型采用三相可控開關，其開斷時間由控制器控制?？刂破骺刂乒收掀鹗紩r間、故障清除時間、濾波器切除時間和斷路器開斷時間。故障起始時間在1個周波20 ms內按1 ms逐步變化，故障清除時間為故障起始時間后100 ms，濾波器切除時間為故障清除時間后60 ms，斷路器開斷時間在交流濾波器切除時間后的1個半周波30 ms內按1 ms逐步變化。

2.4 避雷器

交流母線避雷器采用30/60 μs的操作沖擊非線性特性模型，為了獲得最大的容性恢復電壓，在計算時選用最大特性曲線[14]。

2.5 換流變壓器

換流變壓器采用帶有調壓開關的變壓器模型，其檔位設定為額定檔位，此外還應用變壓器的磁化飽和模型。在直流系統閉鎖后，換流變壓器的鐵心會有剩磁，表現為變壓器的飽和特性。當發生過電壓時，變壓器會向交流系統注入諧波電流。

2.6 換流閥

換流閥采用有功和無功負載作為簡化的等效模型[15]。一般交流系統的短時接地故障只會對換流閥的換相過程造成擾動，但本文假設換流閥換相失敗直接閉鎖，且不進行直流系統重啟動。換流閥的暫態過程并不是研究所關心的主要問題，因此用有功和無功負載來作為換流閥的簡化模型就能滿足仿真的要求，這樣既可以避免了對復雜的換流閥進行建模又加快了仿真速度。

3 容性恢復電壓計算

3.1 交直流系統情況

本文以靈紹工程為例，計算其800 kV交流濾波器小組斷路器的容性恢復電壓。靈紹工程起于寧夏回族自治區銀川市靈州換流站，止于浙江省紹興市紹興換流站，直流線路長度1 722 km，雙極直流線路1回，每極2個12脈動換流器串聯。額定電壓±800 kV，直流輸電容量8 000 MW，直流額定電流5 kA。靈州換流站通常為整流站運行，接入寧夏的交流750 kV電網；紹興換流站通常為逆變站運行，接入浙江的交流500 kV電網。

靈州換流站換流站交流系統額定電壓為765 kV，最高電壓800 kV，全方式下短路電流為35.71 kA，最小短路電流為27.71 kA。直流2 h過負荷能力為1.05 pu，即換流器消耗有功為8 400 MW，消耗無功為5 040 Mvar。全站共24臺換流變壓器，單臺容量412.3 MVA。750 kV交流濾波器及電容器總容量為4 782 Mvar，分為4個大組、16個小組，每小組容量為299 Mvar。濾波器組配置示意圖如圖2所示，其中交流濾波器大組斷路器與換流變壓器進線開關和交流進線開關共同組成雙母線，交流濾波器小組斷路器兩邊配有隔離開關。

圖2 換流站濾波器配置示意圖

3.2 研究工況

計算時考慮直流系統過負荷運行，交流系統發生三相接地短路故障或單相接地短路故障，按照故障的嚴重程度研究容性恢復電壓。

假定故障發生前交流系統的短路電流為35.71 kA，故障清除后交流短路電流減小到原來的0.1～0.9倍。交流濾波器小組全部在線運行。故障前直流輸送功率為1.05 pu，故障持續時間為100 ms(短路故障開始至清除的時間)，故障清除時閉鎖直流，約60 ms后濾波器小組斷路器開斷，此時斷路器兩端的恢復電壓就是所研究的最大過電壓。

3.3 計算結果

根據假設的工況，其容性恢復電壓計算結果如表1所示。

表1 最大CRV計算結果

Table 1 The maximum value of CRV

以故障清除后短路電流為0.5 pu的情況為例，交流濾波器小組斷路器的容性恢復電壓為2 025 kV，其波形圖如圖3所示。

從表1可以看出交流濾波器小組斷路器的容性恢復電壓值較大，一是因為發生交流故障后，換流站母線電壓升高，設其影響因子為k1；二是斷路器一端為電容器直流電壓，另一端為交流母線電壓，若兩電壓極性相反，則容性恢復電壓倍增，設其影響因子為k2。由此可以推導出交流濾波器小組斷路器容性恢復電壓的估值公式為

圖3 容性恢復電壓波形圖

(1)

式中Un為交流母線的最高穩態電壓。

交流母線電壓由交流母線避雷器限制，故障越嚴重交流母線電壓越高，可以假設影響因子k1為1.69，斷路器端對端電壓在理想情況下應是交流母線電壓的二倍，可假設影響因子k2取1.9，則根據式(1)計算得800 kV交流濾波器小組斷路器的容性恢復電壓為2 097 kV。

k1的取值視交流系統和故障情況而定，一般可取1.55～1.70；k2的取值保守可以取2，正常按1.9考慮。

4 試驗方法

(1)試驗方式FC1。3個O，分布在一個極性上(步長，60°)；3個O，分布在另一個極性上(步長，60°)。

(2)試驗方式FC2。6個O，分布在一個極性上(步長，30°)；6個O，分布在另一個極性上(步長，30°)。

其試驗判據為：如果在試驗方式(FC1)或(FC2)過程中未出現重擊穿，則斷路器成功通過了試驗。如果在整個試驗(FC1)或(FC2)中出現1次重擊穿，則試驗須在未經檢修的同一臺斷路器上重新進行。如果在該延長的試驗系列中沒有出現重擊穿，則斷路器成功通過了試驗，試驗過程不應發生外部閃絡和相對地閃絡。

5 結 論

(1)通過對交流濾波器小組斷路器開斷容性電流的仿真研究表明：對于800 kV斷路器其容性電流開斷時斷路器斷口的恢復電壓達到2 097 kV，且此電壓為工頻電壓而非暫時過電壓。

(2)在如此高的恢復電壓下斷路器易發生重擊穿，對觸頭造成不可逆轉的燒蝕，對無功補償裝置也會構成嚴重威脅。因此需要研發適用于切除750 kV交流濾波器/并聯電容器的新型斷路器，同時也需研究能夠抑制恢復電壓的方法。

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(編輯：蔣毅恒)

Simulation and Investigation on Capacitive Recovery Voltage of 800 kV AC Filter Sub-Bank Circuit Breaker in UHVDC Converter Station

SHEN Xiaolin1, MA Weimin1, BAI Guangya2, NIE Dingzhen1

( 1.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China； 2.DC Construction Branch of State Grid Corporation, Beijing 100052, China)

The circuit breaker for switching AC filter is required the capacity of withstanding high voltage while the UHVDC direct accesses to 750 kV AC grid, So it is necessary to research the capacitive recovery voltage (CRV) of circuit breaker. This paper analyzed various AC fault scenarios of AC filter sub-bank circuit breaker, constructed the simulation calculation model of CRV by PSCAD software, and calculated the maximum value of CRV of 800 kV AC filter sub-bank breaker in the Lingshao UHVDC project. The simulation results show that the CRV of AC filter sub-bank breaker is determined by the short-circuit level of AC system and the AC-side insulator level, and the CRV exceeds the requirement of existing standards, so it is needed to develop new type of circuit breaker to meet the needs of engineering.

capacitive recovery voltage； AC filter； circuit breaker； UHVDC

TM 721

A

1000-7229(2015)09-0073-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.012

2015-06-04

2015-08-10

申笑林(1985)，男，碩士，工程師，從事高壓直流輸電工程咨詢和成套設計相關研究工作；

馬為民(1966)，男，博士，高級工程師，從事高壓直流輸電工程咨詢和成套設計相關研究工作；

聶定珍(1961)，女，碩士，高級工程師，從事高壓直流輸電工程咨詢和成套設計相關研究工作；

白光亞(1971)，男，碩士，高級工程師，從事高壓直流輸電工程建設相關工作。