李博洋

（国网高安市供电公司，江西 高安 330800）

0 引言

随着我国经济的快速发展，对电力的需求在不断增加，而我国现阶段经济与能源资源分布极不均衡，东部地区经济发达，电力需求缺口巨大，西部地区如山西、内蒙古和新疆等地区的煤炭资源较多，西南地区的水力资源蕴藏量丰富，可满足东部经济发达地区的电力需求。将西部能源输送到东部地区，是我国经济发展亟待解决的重大问题之一。但如果仅仅依靠西煤南运，现阶段交通运输能力远远满足不了东部、南部发电厂煤炭需求量。同时，西南地区兴建的大型水力发电站的巨大发电量，当前的输电电网也无法将其完全输出到东部地区。这就需要在西部建立大规模火电、水电基地的同时，建设大输电能力线路将电能输送到东部地区，在全国形成西电东送、全国联网的电网格局。我国幅员辽阔，西部能源到东部负荷区的距离都在1 000 km以上，而且需要输送的电量巨大。对于这种远距离、大容量的输电需求，直流输电比交流输电更适合，更有优势[1-10]。

直流输电一般用于长距离大容量电力输送、大区域电网间联络或者海上孤岛供电。与交流输电系统类似，直流输电系统运行时，同样会因操作、故障、雷击等情况产生过电压，威胁直流系统的设备绝缘与系统运行安全。直流系统中产生操作过电压的原因多种多样，如换流站短路故障、直流线路接地故障、交流系统故障、直流闭锁操作、滤波器或电容器投切操作等。相对于交流系统，直流系统中的过电压更加复杂，其波形、幅值、产生机理、出现频率等特性都有很大区别。并且，直流系统运行、接线方式、避雷器配置、控制保护策略等因素都会影响过电压。因此需要对直流系统过电压进行研究[11-23]。

雅中—江西±800 kV特高压直流输电工程将在2021年投运，相比于超高压电网，对特高压直流输电系统过电压保护和绝缘配合的要求更加严格，因此，对特高压直流输电系统的过电压分析是十分必要且迫切的。

1 ±800 kV特高压换流站过电压

换流站作为直流输电系统的心脏，承担着转换交直流输电的任务，因此它的运行稳定性及绝缘配合的经济性直接影响到整个直流系统。由于换流站内部存在着许多电感和电容元件，诸如平波电抗器、滤波装置、无功补偿电容器、导线的线间电容和对地电容等，当系统发生故障或进行操作时，由于系统参数和工作条件的改变，会引起电容和电感间的电磁能量转换，造成过电压。又由于直流系统通过换流变压器和交流系统相连，因此发生在交流系统中的过电压也会通过换流变压器传入直流系统，产生传递过电压，严重时还会和直流系统中电感、电容元件所形成的振荡回路发生谐振，使过电压进一步升高等等。此外，换流站还承受着直流线路上的雷电入侵波过电压。这些都严重地威胁到整个直流输电系统乃至大电网运行的稳定性以及换流站内设备的安全性。

为更好地描述换流站内过电压情况，在文中对一些种类的过电压进行了仿真，在进行过电压描述之前，先对运用的仿真模型进行简单的介绍，模型简图见图1。

图1 双12脉动直流输电系统

在PSCAD中搭建双12脉动±800 kV特高压直流输电系统，如图2所示。交流侧系统为500 kV系统，系统等效阻抗为2.5∠84°Ω，换流站为双12脉动换流站。4台换流变压器均为双绕组变压器，主要参数为：额定容量为750 MVA，阻抗电压为18%，整流站换流变额定电压为525 kV/170 kV，逆变站换流变额定电压为525 kV/160 kV。平波电抗器参数为0.3 H，接地极线路长度为20 km，故障发生时间为1 s，故障持续时间为2 s，仿真时长为4 s。

图2 PSCAD双12脉动±800kV特高压直流系统模型

2 500 kV交流侧过电压

2.1 交流侧暂时过电压

在直流甩负荷和接地故障等故障下可能会产生幅值较高、持续时间较长的暂时过电压，并可能产生谐波谐振过电压。

2.2 交流侧谐振过电压

系统电抗和交流滤波器可能会形成各种频率的串联或并联谐振回路，滤波器和换流变的投切操作以及单相或三相接地故障会产生谐振过电压，特别是换流变保持有剩磁通时，换流变合闸或接地故障时，换流变发生偏磁性饱和，饱和励磁涌流含有高幅值的低次谐波，更易产生谐波谐振过电压。

2.3 交流侧暂态过电压和操作过电压

交流侧单相或三相接地故障会在换流母线上引起较严重的暂态过电压，换流站内的断路器操作也可能引起设备上的操作过电压。

在PSCAD中令高端Y/Y联结的换流变压器的低压侧在1 s时发生三相接地故障，故障持续时间为2 s，高端Y/△联结换流变压器低压侧相电压波形如图3所示，可以看到在3 s时低压侧相电压呈现出一个峰值较高的暂态过电压。

图3 高端Y/△联结换流变压器低压侧相电压波形图

3 ±800 kV直流侧过电压

3.1 直流侧谐振过电压

换流阀的任何连续不正常工作，例如阀连续丢失触发脉冲，可能产生极线路或金属回线或接地极线路的二次谐波的谐振过电压。逆变站闭锁而旁通对未解锁故障会将工频电压加到极线上，产生工频谐振过电压。最低电位换流变低压套管闪络会将工频电压加到金属回线或接地极线路，产生工频谐振过电压。

在PSCAD中对上述故障情况中的两种情况进行仿真。

1）换流阀的任何连续不正常工作，例如阀连续丢失触发脉冲，可能产生极线路或金属回线或接地极线路的二次谐波的谐振过电压。

在PSCAD中，令最高电位的Y/△联结的换流变压器网侧单相接地，故障时间为1 s，这时换流阀的正常工作将受到影响，可以看到在±800 kV直流线路上叠加了1个二次谐波过电压，如图4、图5所示，图5为图4的波形放大图。

图4 换流变网侧单相接地时±800 kV直流线路电压

图5 换流变网侧单相接地时±800 kV直流线路电压波形放大图（波形周期0.01 s）

2）最低电位换流变低压套管闪络会将工频电压加到金属回线或接地极线路，产生工频谐振过电压。

在PSCAD中，令最低电位的Y/Y联结的换流变压器低压套管单相闪络接地，故障时间为1 s，可以看到在800 kV直流线路上叠加了一个工频电压，但这个工频电压应该是两个相位不同的工频电压叠加而成的，如图6、图7所示，图7是图6的波形放大图。

图6 换流变低压套管单相闪络接地时±800 kV直流线路电压

图7 换流变低压套管单相闪络接地时±800 kV直流线路电压放大图（波形周期0.02 s）

3.2 直流侧操作过电压

1）直流侧接地、短路和开路故障。例如高（压）端Y/Y换流变阀侧绕组对地闪络；双极对称或不对称运行时，一极接地故障，在健全极产生感应过电压；接地极线路、金属回线开路故障等。

2）直流控制和保护系统失灵。例如全电压启动、阀连续丢失脉冲故障、逆变站闭锁而旁通对未解锁、阀误导通、换流站失去交流电源等。

3）交流侧操作或接地故障在直流侧产生的过电压。例如交流线路单相或三相接地和清除故障通过换流变压器传递至阀上，并且通过阀的串联联接，在阀侧产生对地附加过电压。

4）直流侧开关操作过电压。例如高、低（压）端12脉动换流器旁路开关合闸和分闸；投切直流滤波器；单极金属回线与单极大地回线运行方式转换时直流转换开关操作等。

在PSCAD中对上述故障情况中的两种情况进行仿真。

1）交流侧操作或接地故障在直流侧产生的操作过电压

图12 平波电抗器线路端电压

3）从换流变压器阀侧到平波电抗器的阀侧端的换流器区域

在PSCAD中，令雷电流从800 kV直流线路侵入，雷电流峰值为47 kA，波形为（2.6/50）μs，观察高端Y/△联结换流变压器阀侧电压情况，如图13所示。

图13 高端Y/△联结换流变压器阀侧电压

4 结语

文中通过在PSCAD中搭建双12脉动±800 kV特高压直流系统模型，对各种故障下系统各个部位呈现出的过电压进行了仿真分析，得到了如下结论：

1）交流侧发生故障时（如单相或三相接地等故障），交流侧可能会产生较严重的工频过电压或暂态过电压。

2）交流侧发生故障时（如单相或三相接地、断路器分合闸等故障）接地故障时，±800 kV直流线路可能会产生工频过电压或暂态过电压，甚至谐振过电压。

3）当特高压直流输电系统遭受雷击时，在换流站或直流输电线路上会产生雷电过电压，雷电过电压幅值与雷电流大小、雷电流经过路径等因素有关。