一种对称双极柔性直流工程换流站绝缘配合方法及系统

摘要

本发明涉及一种对称双极柔性直流工程换流站绝缘配合方法及系统，其特征在于包括以下内容：在现有的对称双极柔性直流工程换流站的主接线上配制若干避雷器，包括包括联接变压器阀侧避雷器、桥臂电抗阀侧避雷器、桥臂电抗端子间避雷器、直流极母线避雷器、直流线路避雷器、接地极线路避雷器、金属回线避雷器、第一～第三中性母线避雷器、联接变压器网侧中性点避雷器；通过确定各避雷器的特征参数，实现对称双极柔性直流工程换流站的绝缘配合，极大了限制了换流站的过电压水平，降低了工程的设计难度和工程投资水平。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对称双极柔性直流工程换流站绝缘配合方法及系统，属于柔性直流输电领域。

背景技术

柔性直流输电技术(Flexible HVDC)是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，它代表了未来直流输电技术的发展方向，是一项具有前瞻性和先导性的输配电技术，是实现供电可靠、经济、安全的重要手段之一。工程经验表明，与传统交流输电相比，同样的输电走廊，柔性直流输电技术的输电能力约为交流输电线路的1.5倍，便于节约紧缺的土地资源；与传统的直流输电相比，柔性直流输电采用灵活快速的控制方式，可以对有功功率、无功功率进行独立控制，实现对无源网络的送电，克服了常规直流输电的本质缺陷。

柔性直流输电技术的研究正处于技术不断改进，工程应用不断增长的高速发展期，舟山工程、南澳工程、厦门工程已进入运行阶段，渝鄂背靠背工程、张北柔性直流电网工程也已进入建设阶段。过电压与绝缘配合是柔性直流输电工程实施的关键技术之一，其研究对换流站设备及线路杆塔的设计、制造和试验具有重要指导意义。研究一种绝缘配合方法解决对称双极柔性直流工程换流站过高绝缘水平的难题是非常必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种对称双极柔性直流工程换流站绝缘配合方法及系统，有效确定了对称双极柔性直流换流站直流侧各关键点的过电压保护水平和设备的绝缘水平。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种对称双极柔性直流工程换流站绝缘配合方法，包括以下内容：在现有的对称双极柔性直流工程换流站的主接线上配制若干避雷器；通过确定各避雷器的特征参数，实现对称双极柔性直流工程换流站的绝缘配合。

进一步地，配制的若干避雷器包括联接变压器阀侧避雷器、桥臂电抗阀侧避雷器、桥臂电抗端子间避雷器、直流极母线避雷器、直流线路避雷器、接地极线路避雷器、金属回线避雷器、第一～第三中性母线避雷器、联接变压器网侧中性点避雷器；其中，联接变压器阀侧避雷器设置在联接变压器和桥臂电抗器之间，桥臂电抗阀侧避雷器设置在桥臂电抗器与换流阀之间，桥臂电抗端子间避雷器设置在桥臂电抗的两个端子之间，直流极母线避雷器设置在直流极母线上，直流线路避雷器设置在直流极母线的线路出口处，接地极线路避雷器设置在接地极线路上，金属回线避雷器设置在金属回线上，第一中性母线避雷器设置在阀厅内的中性母线上，第二中性母线避雷器设置在阀厅外的中性母线上，第三中性母线避雷器设置在限流电抗器与中性母线开关之间，联接变压器网侧中性点避雷器设置在联接变压器网侧中性点。

进一步地，每一避雷器的特征参数选择包括避雷器的持续运行电压、避雷器的参考电压、避雷器的配合电流以及避雷器的能量参数。

进一步地，各避雷器的持续运行电压的具体设置为：

A：桥臂电抗阀侧避雷器的持续运行电压按照最高直流运行电压取值；

B：联接变压器阀侧避雷器的持续运行电压与桥臂电抗阀侧避雷器的持续运行电压取值相同；

C：直流极母线避雷器和直流线路避雷器的持续运行电压是叠加少量纹波的直流电压，电压的幅值取决于两端换流器的控制系统，目的是使得避雷器的荷电率较低；

D：桥臂电抗端子间避雷器持续运行电压由电抗器的感抗值乘以通过其的交流电流；

E：接地极线路避雷器、金属回线避雷器、第一～第三中性母线避雷器和联接变压器网侧中性点避雷器的持续运行电压的具体取值为：对称双极柔性直流工程换流站中在双极完全平衡运行方式下时，接地极线路避雷器、金属回线避雷器、第一～第三中性母线避雷器和联接变压器网侧中性点避雷器器的持续运行电压忽略；不接地的送端站在单极金属回线运行时，金属回线线路流过的直流电流产生的直流偏置电压导致接地极线路避雷器、金属回线避雷器、第一～第三中性母线避雷器和联接变压器网侧中性点避雷器的持续运行电压幅值增加，等于金属回线的压降值；受端站采用站内接地网接地或经接地极线路接地时接地极线路避雷器、金属回线避雷器、第一～第三中性母线避雷器的持续运行电压接近于零值，联接变中性点避雷器为直接接地避雷器，其持续运行电压等于0。

进一步地，各避雷器的参考电压的具体设置为：在对称双极柔性直流工程换流站中，联接变压器阀侧避雷器、桥臂电抗阀侧避雷器的荷电率为0.78～0.82，直流极母线避雷器和直流线路避雷器的荷电率为0.82～0.85，桥臂电抗端子间避雷器、接地极线路避雷器、金属回线避雷器、第一～第三中性母线避雷器和联接变压器网侧中性点避雷器的荷电率均不超过0.5。

进一步地，各避雷器的配合电流通过系统对搭建含避雷器的PSCAD模型过电压仿真确定。

进一步地，直流侧各避雷器能量参数通过系统对搭建含避雷器的PSCAD模型过电压仿真确定。

为实现上述目的，本发明还采取以下技术方案：一种对称双极柔性直流工程换流站绝缘配合系统，其特征在于，包括联接变压器阀侧避雷器、桥臂电抗阀侧避雷器、桥臂电抗端子间避雷器、直流极母线避雷器、直流线路避雷器、接地极线路避雷器、金属回线避雷器、第一～第三中性母线避雷器、联接变压器网侧中性点避雷器；其中，所述联接变压器阀侧避雷器设置在联接变压器和桥臂电抗器之间，所述桥臂电抗阀侧避雷器设置在桥臂电抗器与换流阀之间，所述桥臂电抗端子间避雷器设置在桥臂电抗的两个端子之间，所述直流极母线避雷器设置在直流极母线上，所述直流线路避雷器设置在直流极母线的线路出口处，所述接地极线路避雷器设置在接地极线路上，所述金属回线避雷器设置在金属回线上，所述第一中性母线避雷器设置在阀厅内的中性母线上，所述第二中性母线避雷器设置在阀厅外的中性母线上，所述第三中性母线避雷器设置在限流电抗器与中性母线开关之间，联接变压器网侧中性点避雷器设置在联接变压器网侧中性点。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在现有的对称双极柔性直流工程换流站的主接线上配制若干避雷器；通过确定各避雷器的特征参数，实现对称双极柔性直流工程换流站的绝缘配合,极大了限制了换流站的过电压水平，降低了工程的设计难度和工程投资水平。对设备的研制开发提供了依据，为工程的实施奠定了基础。2、本发明的设置的避雷器包括联接变压器阀侧避雷器、桥臂电抗阀侧避雷器、桥臂电抗端子间避雷器、直流极母线避雷器、直流线路避雷器、接地极线路避雷器、金属回线避雷器、第一～第三中性母线避雷器、联接变压器网侧中性点避雷器，有效确定了对称双极柔性直流换流站直流侧各关键点的过电压保护水平和设备的绝缘水平。

附图说明

图1是本发明对称双极柔性直流工程换流站的主接线上的避雷器配置结构图；

图2是本发明对称双极柔性直流换流站各点稳态运行电压的典型波形示意图，其中，图(a)～(e)分别为包括联接变压器阀侧避雷器AV、桥臂电抗阀侧避雷器LV、阀端间、桥臂电抗端子间避雷器AR以及直流极母线避雷器DB位置的典型波形，其中横轴表示时间，选取的时间长度均为20ms，工程电压等级不同，所对应的稳态电压不同。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1～2所示，本发明提供的对称双极柔性直流工程换流站绝缘配合方法，包括以下内容：

1、在现有的对称双极柔性直流工程换流站的主接线上配制若干避雷器，具体配制过程为：

本发明配制的避雷器包括联接变压器阀侧避雷器AV、桥臂电抗阀侧避雷器LV、桥臂电抗端子间避雷器AR、直流极母线避雷器DB、直流线路避雷器DL、接地极线路避雷器EL、金属回线避雷器EM、中性母线避雷器CBN1、CBN2、E、联接变压器网侧中性点避雷器V0；其中，联接变压器阀侧避雷器AV设置在联接变压器和桥臂电抗器之间，桥臂电抗阀侧避雷器LV设置在桥臂电抗器与换流阀之间，桥臂电抗端子间避雷器AR设置在桥臂电抗的两个端子之间，直流极母线避雷器DB设置在直流极母线上，直流线路避雷器DL设置在直流极母线的线路出口处，接地极线路避雷器EL设置在接地极线路上，金属回线避雷器EM设置在金属回线上，中性母线避雷器CBN1设置在阀厅内的中性母线上，中性母线避雷器CBN2设置在阀厅外的中性母线上，中性母线避雷器E设置在限流电抗器与中性母线开关之间，联接变压器网侧中性点避雷器V0设置在联接变压器网侧中性点。

2、设置各避雷器的CCOV(持续运行电压)

1)避雷器LV的CCOV

在对称双极柔性直流工程换流站中，避雷器LV一般按照直流避雷器选择，根据柔性直流系统的运行原理，避雷器LV的最高运行电压可以达到工程的额定直流运行电压，所以其CCOV一般按照最高直流运行电压取值。避雷器LV承受的操作过电压需要综合考虑桥臂电抗器阀侧两相短路故障或单相短路故障，以及直流极线站内接地等工况等。

2)避雷器AV的CCOV

在对称双极柔性直流工程换流站中，避雷器AV一般按照直流避雷器选择。稳态运行工况下，除了要承受半个极线直流电压U_d/2外，还要承受由变压器网侧传递过来的交流电压，交流电压有效值一般在网侧A避雷器电压的基础上，通过变压器的变比(考虑最负分接)得到。避雷器AV的峰值一般按照直流电压加上计算得到的交流电压的峰值考虑。在设备经济性允许的条件下，为了保证工程更加可靠的运行，避雷器AV的CCOV也可以与LV避雷器选择一致。避雷器AV承受的操作过电压需要综合考虑桥臂电抗器阀侧两相短路故障、直流极线站内接地以及桥臂电抗器阀侧单相接地故障等。

3)直流极母线避雷器DB和直流线路避雷器DL的CCOV

直流极母线避雷器DB用于保护连接到直流极母线的设备。通常，要考虑雷电侵入波过电压下DB避雷器保护距离，应根据雷电侵入波过电压计算结果使得安装在直流极母线不同位置的重点设备得到充分的保护，因此可安装多只直流极母线避雷器DB。线路(电缆)入口处安装的避雷器被视为直流线路(直流电缆)避雷器DL。

直流极母线避雷器DB和直流线路避雷器DL的CCOV是叠加少量纹波的直流电压，电压的幅值取决于两端换流器的控制系统，选择避雷器的荷电率较低更合理。

直流极母线避雷器DB和直流线路避雷器DL主要限制雷电侵入波过电压。对于对称双极系统来说，直流极母线避雷器DB和直流线路避雷器DL的操作过电压主要考虑在双极架空线运行中发生单极接地故障时在健全直流极线将产生的操作波类型的感应过电压、上桥臂阀侧三相短路等。

4)桥臂电抗端子间避雷器CCOV由电抗器的感抗值乘以通过其的交流电流。

5)接地极线路避雷器EL、金属回线避雷器EM、中性母线避雷器CBN1、CBN2、E和联接变压器网侧中性点避雷器V0的CCOV

对称双极柔性直流工程换流站中在双极完全平衡运行方式下时，送端站和受端的地极线路避雷器EL、金属回线避雷器EM、中性母线避雷器CBN1、CBN2、E和联接变压器网侧中性点避雷器V0的CCOV几乎可以忽略。

不接地的送端站在单极金属回线运行时，金属回线线路流过的直流电流产生的直流偏置电压导致地极线路避雷器EL、金属回线避雷器EM、中性母线避雷器CBN1、CBN2、E和联接变压器网侧中性点避雷器V0的CCOV幅值增加，一般等于金属回线的压降值；

而受端站采用站内接地网接地或经接地极线路接地时地极线路避雷器EL、金属回线避雷器EM、中性母线避雷器CBN1、CBN2、E的CCOV接近于零值，联接变中性点避雷器V0为直接接地避雷器，其CCOV等于0。

3、选择直流侧各避雷器的参考电压Uref

工程中联接变压器阀侧(对称双极)和电压源换流器阀直流侧避雷器的直流参考电压Uref定义为电阻片直流参考电流下的电压，具体选择参考电压对应的参考电流可与电阻片单位面积电流密度相关。在确定了各类型避雷器的Uref后，可以基本确定其相应的保护水平。荷电率的大小取决于氧化锌电阻片的特性，诸如伏安特性曲线的非线性系数、在直流电压上叠加谐波电压下的有功损耗大小、长期工作的老化特性、过电压下允许的泄放能量、安装位置(户内或户外)的温度和污秽的影响以及散热特性。根据目前的避雷器运行经验和避雷器老化试验结果，综合考虑设备的可靠性和经济性，在对称双极柔性直流工程换流站中，联接变压器阀侧避雷器AV、桥臂电抗阀侧避雷器LV、直流极母线避雷器DB、直流线路避雷器DL的荷电率不宜超过0.85。在对称双极柔性直流系统中，考虑联接变压器阀侧避雷器AV、桥臂电抗阀侧避雷器LV存在的较大交流成分，可能导致避雷器电压分布不均匀性问题，联接变压器阀侧避雷器AV、桥臂电抗阀侧避雷器LV的荷电率一般要比直流极母线避雷器DB、直流线路避雷器DL稍低，通常避雷器AV、LV的荷电率为0.78～0.82，避雷器DB、DL的荷电率为0.82～0.85。、接地极线路避雷器EL、金属回线避雷器EM、中性母线避雷器CBN1、CBN2、E和联接变压器网侧中性点避雷器V0的荷电率不是参数选择的限值因素，一般先确定其保护水平，然后反算得到相应的荷电率水平，通常不超过0.5。

4、确定直流侧避雷器的配合电流

配合电流值通过系统过电压仿真(通过搭建含避雷器的PSCAD模型)研究确定，在此不做限定，可以根据实际情况进行确定。仿真时需要考虑换流站内可能发生的各种故障类型，具体是需考虑各类型避雷器吸收的能量、单台避雷器内部需并联柱数和单台避雷器放电电流峰值，该值与其外部并联的避雷器数量相关。配合电流对应的残压确定了受该避雷器直接(紧靠的)保护设备上的代表性过电压。该过程是在避雷器布置和参数选择与受其直接保护设备的要求耐受电压之间反复计算调整，寻找最优平衡点，最终结果是优选出配合电流。对于可能遭受直击雷的柔性直流换流站设备，确定避雷器雷电冲击配合电流应考虑换流站避雷线和避雷针以及针线联合的屏蔽设计。

5、直流侧避雷器能量参数

直流避雷器的能量值和配合电流一样，也是通过系统过电压仿真(通过搭建含避雷器的PSCAD模型)研究确定。直流侧避雷器的能量与换流站故障类型及持续时间、控制和保护的响应速度及延迟时间密切相关。不同的过电压事件下避雷器放电电流的持续时间会有所变化。提高避雷器的参考电压Uref可以降低避雷器的比能量(kJ/kV)要求。在规定避雷器吸收能量时，应对系统研究计算出的能量值考虑一个合理的安全因数。这个安全因数的取值范围为0％～20％，该因数取决于计算输入数据的容差、所用模型及高于已研究的决定避雷器能量事件出现的概率。

6、通过对对称双极柔性直流换流站进行合理的避雷器组合配置和参数选择，实现对称双极柔性直流工程换流站的绝缘配合。直流系统发生过电压情况下，避雷器在大电流作用下呈现低电阻特性，有效限值了避雷器两端的残压，极大的限制了换流站的整体过电压水平，降低了工程的设计难度和工程投资水平。

本发明还提供一种对称双极柔性直流工程换流站绝缘配合系统，包括联包括联接变压器阀侧避雷器AV、桥臂电抗阀侧避雷器LV、桥臂电抗端子间避雷器AR、直流极母线避雷器DB、直流线路避雷器DL、接地极线路避雷器EL、金属回线避雷器EM、中性母线避雷器CBN1、CBN2、E、联接变压器网侧中性点避雷器V0；其中，联接变压器阀侧避雷器AV设置在联接变压器和桥臂电抗器之间，桥臂电抗阀侧避雷器LV设置在桥臂电抗器与换流阀之间，桥臂电抗端子间避雷器AR设置在桥臂电抗的两个端子之间，直流极母线避雷器DB设置在直流极母线上，直流线路避雷器DL设置在直流极母线的线路出口处，接地极线路避雷器EL设置在接地极线路上，金属回线避雷器EM设置在金属回线上，中性母线避雷器CBN1设置在阀厅内的中性母线上，中性母线避雷器CBN2设置在阀厅外的中性母线上，中性母线避雷器E设置在限流电抗器与中性母线开关之间，联接变压器网侧中性点避雷器V0设置在联接变压器网侧中性点。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。