羅漢武 ，樂(lè) 健 ，毛 濤 ，李猛克，徐新堯 ，崔士剛

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.武漢東湖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

特高壓直流輸電系統(tǒng)因其容量大、損耗小、占用土地少，在遠(yuǎn)距離電力輸送中起到越來(lái)越重要的作用［1-3］。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司總體規(guī)劃，2015年已開(kāi)始“五交八直”特高壓工程建設(shè)。

特高壓直流換流站的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，隨著輸電電壓等級(jí)的進(jìn)一步提高，換流閥電氣應(yīng)力將增加，導(dǎo)致電磁干擾強(qiáng)度進(jìn)一步增大［4-5］。以換流閥為干擾源的傳導(dǎo)電磁干擾沿著一次回路主設(shè)備傳播，并通過(guò)耦合路徑對(duì)二次設(shè)備回路產(chǎn)生復(fù)雜干擾［6-8］。二次系統(tǒng)中包含保護(hù)、控制、監(jiān)測(cè)、通信等各種設(shè)備，其對(duì)換流站的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。分析特高壓直流換流站二次設(shè)備回路的傳導(dǎo)電磁干擾特性，并結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［9］查找二次設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)性地制定電磁干擾防護(hù)措施，對(duì)從電磁兼容性領(lǐng)域出發(fā)確保特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的理論和工程實(shí)用價(jià)值。

目前相關(guān)研究大多集中于換流站一次系統(tǒng)的寬頻建模和傳導(dǎo)干擾水平評(píng)估。文獻(xiàn)［10］提出了關(guān)鍵設(shè)備的寬頻等值電路，基于時(shí)域?qū)掝l等值電路的仿真計(jì)算方法，對(duì)換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程、傳導(dǎo)干擾特性及其傳播過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)［11］基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用布隆法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綜合，得到了閥組件寬頻等效電路，建立了高壓直流換流站的寬頻仿真模型。一次回路干擾通常經(jīng)電流互感器等傳感設(shè)備耦合至二次回路，文獻(xiàn)［12］分析了高壓母線電磁干擾通過(guò)電流互感器以及一次側(cè)和二次側(cè)之間的寄生電容耦合至二次側(cè)的特性。文獻(xiàn)［13］研究了經(jīng)電流互感器等傳導(dǎo)至變電站二次設(shè)備的電磁干擾特性，分析了干擾產(chǎn)生的原因，并從系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)角度出發(fā)提出了提高系統(tǒng)抗干擾能力的措施。但上述文獻(xiàn)均未建立完整精確的電流互感器寬頻等效電路，從而影響了二次回路傳導(dǎo)電磁干擾分析的準(zhǔn)確性。

本文以蒙東扎魯特—青州±800 kV特高壓直流輸電工程為研究對(duì)象，結(jié)合其一次回路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主設(shè)備參數(shù)，建立包含換流閥、換流變、平波電抗器和交直流濾波器等主設(shè)備在內(nèi)的一次回路寬頻等效電路，建立了完整的電流互感器和二次電纜寬頻模型，分析了不同運(yùn)行工況下一次和二次回路的傳導(dǎo)電磁干擾特性，研究了不同因素對(duì)二次設(shè)備回路傳導(dǎo)電磁干擾特性的影響。

1 一次回路寬頻等效電路

蒙東扎魯特—青州特高壓工程輸電電壓等級(jí)為±800 kV，雙極輸電容量為10000 MW，采用雙極接線，每極由雙12脈動(dòng)閥組串聯(lián)連接，每個(gè)脈動(dòng)閥組單獨(dú)設(shè)1個(gè)閥廳，每個(gè)換流站共有4個(gè)閥廳。高壓和低壓閥廳內(nèi)均有6座閥塔。本文采用基于PSCAD的時(shí)域電路計(jì)算方法，對(duì)換流閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)頻繁開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行仿真計(jì)算。扎魯特?fù)Q流站整體寬頻等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 換流閥

扎魯特?fù)Q流站換流閥額定電流為6250 A，每個(gè)閥廳包含6個(gè)閥模塊，各閥模塊通過(guò)寄生電容耦合成1個(gè)閥廳的寬頻等效電路，如圖2（a）所示。圖2（b）給出了最基本單元的晶閘管寬頻等效電路，其中考慮了晶閘管本體、水冷電阻、飽和電抗器、均勻電容和阻容吸收回路的影響。

1.2 換流變壓器

圖3為單相雙繞組換流變壓器寬頻等效電路。低頻特性主要考慮了勵(lì)磁阻抗（RmP、LmP）、一次側(cè)和二次側(cè)漏阻抗（Rk1、Lk1、Rk2、Lk2）的影響。高頻特性主要考慮了寄生電容的影響，包括一次側(cè)繞組對(duì)地寄生電容C11、二次側(cè)繞組對(duì)地寄生電容C22、一二次側(cè)繞組之間的寄生電容C12、一二次側(cè)繞組的匝間電容Ck1和Ck2。

圖1 扎魯特?fù)Q流站整體寬頻等效電路Fig.1 Broadband equivalent circuit of Zhalute converter station

圖2 換流閥寬頻等效電路Fig.2 Broadband equivalent circuit of converter valve

圖3 換流變壓器寬頻等效電路Fig.3 Broadband equivalent circuit of converter transformer

1.3 平波電抗器

圖4為平波電抗器寬頻等效電路，其中考慮了主電感Lmp、損耗電阻Rmp、對(duì)地電容Cg以及繞組中間的電容C12p的影響。

圖4 平波電抗器寬頻等效電路Fig.4 Broadband equivalent circuit of smoothing reactor

1.4 濾波器

圖5給出了直流、交流和交流PLC濾波器的寬頻等效電路。圖中，直流濾波器結(jié)構(gòu)的確定應(yīng)以直流線路所產(chǎn)生的等效干擾電流為基礎(chǔ)；交流濾波器一般分為2種，除調(diào)諧濾波器外還要配置并聯(lián)電容器以提供無(wú)功功率；換流站內(nèi)的PLC濾波器可分為直流和交流2種，其中交流PLC濾波器必須并聯(lián)安裝在換流變壓器交流網(wǎng)側(cè)出口引線上。

圖5 濾波器寬頻等效電路Fig.5 Broadband equivalent circuit of filters

2 電流互感器及二次電纜寬頻等效模型

2.1 電流互感器

電流互感器的一次繞組與一次回路串聯(lián)，二次回路有測(cè)量、繼電保護(hù)以及電能計(jì)量裝置接入?！?00kV特高壓直流輸電工程所采用的電流互感器寬頻等效電路如圖6所示。

圖6 電流互感器寬頻等效電路Fig.6 Broadband equivalent circuit of current transformer

圖6中，勵(lì)磁阻抗主要由渦流損耗的電阻Rcls、額外損耗的非線性電阻Relc、磁滯損耗和磁化電流的非線性電感Lm三部分構(gòu)成；Rs和Ls為二次側(cè)的漏阻抗；RB和LB為負(fù)載；K為電流互感器繞組匝數(shù)比。

電流互感器中的鐵芯采用的材料有硅鋼片、坡莫合金和超微晶合金，具有很好的磁化效果。這些鐵磁質(zhì)的矯頑力很小，一般矯頑力Hc≈1 A/m，在交變磁場(chǎng)中的磁滯損耗很小，可忽略磁滯的影響。

各元件參數(shù)計(jì)算如下：

其中，N為繞組匝數(shù)；S為鐵芯截面面積；L為磁路平均長(zhǎng)度；Ielc為額外損耗電流的有效值；k2為常數(shù)，其值取決于電流互感器鐵芯的電阻率、疊片厚度和寬度等材料和形狀參數(shù)；Uφ為線圈中感應(yīng)電壓的有效值；Pcl為互感器中硅鋼片鐵芯的渦流損耗；N2為二次線圈匝數(shù)；d為硅鋼片厚度；c為鐵芯材料常數(shù)；ρ為電阻率；μm為最大相對(duì)磁導(dǎo)率；Bsat為鐵芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖7給出了電流互感器接額定負(fù)載時(shí)變比k（輸出電流與輸入電流之比）的頻譜特性（未考慮二次電纜）。

圖7 變比的頻譜特性Fig.7 Spectrum characteristic of k

從圖7中可以看出，電流互感器變比的幅頻特性呈現(xiàn)非線性；僅在工頻附近電流互感器變比幅值為0，即折算至一次側(cè)后變比幅值為1；當(dāng)頻率高于500 Hz時(shí)，變比幅值均小于0，表明電流互感器會(huì)對(duì)該頻率范圍內(nèi)的各次電流分量進(jìn)行衰減。

2.2 二次信號(hào)電纜

二次信號(hào)電纜采用分布參數(shù)模型，由傳輸線理論可知：

其中，ch（）為雙曲余弦函數(shù)；sh（）為雙曲正弦函數(shù)；U2、I2分別為電纜終端電壓、電流相量；U、I分別為距終端距離x處的電壓、電流相量；γ、Zc分別為傳輸線的傳播常數(shù)、特性阻抗。

電纜末端相對(duì)首端電流幅值的衰減率為：

其中，I1為電纜首端電流相量；Z2為電纜終端負(fù)載阻抗；l為電纜長(zhǎng)度。

以型號(hào)為KVVP22的信號(hào)電纜為例，取額定負(fù)載，將參數(shù) Z2、Zc、γ、l代入式（6），計(jì)算得到各次諧波電流衰減率與電纜長(zhǎng)度之間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 電纜長(zhǎng)度對(duì)電流衰減率的影響Fig.8 Influence of cable length on attenuation rate

由圖8可知，電纜長(zhǎng)度在0～200 m范圍內(nèi)時(shí)，電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，各次諧波電流幅值衰減得越嚴(yán)重。

將二次電纜及其終端負(fù)載整體接入電流互感器二次側(cè)，圖9給出了不同負(fù)載率下電流互感器變比的頻譜特性。

圖9 不同負(fù)載率下變比的頻譜特性Fig.9 Spectrum characteristics of k under different load rates

圖9包含了負(fù)載率在0～1.5范圍內(nèi)等間距取值時(shí)的10條曲線，可以看出這些曲線基本重合，表明負(fù)載率對(duì)電流互感器變比頻譜特性的影響很小。

圖10給出不同電纜長(zhǎng)度下電流互感器變比的頻譜特性。

圖10 不同電纜長(zhǎng)度下變比的頻譜特性Fig.10 Spectrum characteristics of k under different cable lengths

由圖10可知，電纜長(zhǎng)度主要對(duì)頻率高于50 kHz的電流互感器變比頻譜特性產(chǎn)生影響，從而對(duì)二次回路高頻電流傳導(dǎo)干擾特性產(chǎn)生影響。

3 換流站傳導(dǎo)電磁干擾特性分析

3.1 一次回路

本文基于所建立的寬頻等效電路，進(jìn)行了扎魯特—青州±800 kV特高壓直流輸電工程在雙極運(yùn)行、單極大地返回、單極金屬返回3種運(yùn)行方式全壓和降壓70%下，一次回路的傳導(dǎo)電磁干擾特性的仿真計(jì)算。圖11為雙極全壓運(yùn)行時(shí)換流閥電流頻譜特性。表1給出了不同運(yùn)行方式下?lián)Q流閥的傳導(dǎo)電磁干擾水平。

圖11 換流閥電流頻譜特性Fig.11 Current spectrum characteristic of converter valve

表1 不同運(yùn)行方式下的換流閥電磁干擾特性Table 1 Electromagnetic interference of converter valve under different operation modes

由圖11可知，總體而言，換流閥的傳導(dǎo)電磁干擾水平隨著頻率的增大而逐漸降低，在1 kHz～1 MHz范圍內(nèi)衰減速率較大，在20 kHz～0.5 MHz范圍內(nèi)，傳導(dǎo)電磁干擾水平由 130.5 dBμA 下降為 80.8 dBμA。

由表1可知，雙極運(yùn)行、單極大地返回、單極金屬返回3種運(yùn)行方式下，隨著直流電壓降低，傳導(dǎo)電磁干擾水平變大，尤其是頻率在20 kHz以上時(shí)變化更加明顯。這主要是因?yàn)樵诖笥|發(fā)角下運(yùn)行時(shí)，存在濾波器和換流變壓器的諧波負(fù)荷和損耗較大，換流閥承受的電壓應(yīng)力較大，其阻尼回路的損耗增加等一系列運(yùn)行性能惡化的問(wèn)題，引起交流側(cè)和直流側(cè)的諧波分量增加，傳導(dǎo)電磁干擾水平增大。因此在進(jìn)行換流站內(nèi)設(shè)備抗擾度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮大觸發(fā)角的情況。雙極運(yùn)行工況下的傳導(dǎo)電磁干擾水平大于單極運(yùn)行工況下的水平；在低于80 kHz頻率范圍內(nèi)，單極金屬返回方式下的傳導(dǎo)電磁干擾水平大于單極大地返回方式下的水平；而在80～500 kHz范圍內(nèi)單極大地返回方式下的傳導(dǎo)電磁干擾水平大于單極金屬返回方式下的水平。

3.2 二次回路

特高壓直流換流站的二次設(shè)備包括站控、閥控、晶閘管觸發(fā)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、交流保護(hù)、直流保護(hù)等主要設(shè)備。對(duì)于干擾途徑而言，一方面，干擾通過(guò)電壓互感器或電流互感器以傳導(dǎo)的形式對(duì)二次設(shè)備產(chǎn)生干擾；另一方面，空間產(chǎn)生強(qiáng)瞬態(tài)電磁場(chǎng)，并通過(guò)電磁輻射耦合對(duì)保護(hù)和控制電纜終端產(chǎn)生干擾。

二次設(shè)備端口主要包括以下2個(gè)端口。

a.外殼端口：設(shè)備的物理邊界。電磁場(chǎng)通過(guò)這個(gè)邊界可以向外輻射或進(jìn)入設(shè)備。

b.電纜端口：導(dǎo)線或電纜與設(shè)備相連接的端口，包括電源端口、信號(hào)端口和功能接地端口。電源端口是為設(shè)備供電或由設(shè)備向外供電的端口，包括電源輸入與電源輸出。信號(hào)端口是用于本地連接、現(xiàn)場(chǎng)連接以及連接至高壓設(shè)備或通信設(shè)備的端口。功能接地端口不同于信號(hào)端口、控制端口和電源端口，其與接地系統(tǒng)連接，但不作為電氣安全用的電纜端口。

基于所建立的特高壓直流換流站一次回路、電流互感器和二次電纜的寬頻等效電路，通過(guò)仿真得到雙極全壓運(yùn)行時(shí)二次信號(hào)端口電流幅頻特性如圖12所示。圖13給出了雙極全壓、雙極降壓70%、單極大地返回全壓、單極大地返回降壓70%運(yùn)行工況下二次信號(hào)端口處傳導(dǎo)電磁干擾水平的對(duì)比。

圖12 雙極全壓方式下二次信號(hào)端口處電流頻譜特性Fig.12 Current spectrum characteristic at secondary signal port under bipolar full voltage operation mode

圖13 不同運(yùn)行方式下二次信號(hào)端口處電流頻譜特性Fig.13 Current spectrum characteristic at secondary signal port under different operation modes

由圖12可知，當(dāng)扎魯特—青州±800 kV特高壓直流換流站一次回路經(jīng)電流互感器、二次電纜穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)電磁干擾至二次信號(hào)端口時(shí)，傳導(dǎo)電磁干擾水平隨頻率的增大而減小。圖13表明，雙極運(yùn)行工況下的二次信號(hào)端口處傳導(dǎo)電磁干擾水平高于單極運(yùn)行時(shí)的水平，降壓運(yùn)行時(shí)的傳導(dǎo)電磁干擾水平高于全壓運(yùn)行時(shí)的水平。

由式（6）的計(jì)算推導(dǎo)分析可知，隨著電纜長(zhǎng)度的增加，二次信號(hào)端口處的傳導(dǎo)電磁干擾水平基本不變。同時(shí)根據(jù)前文的分析可知，負(fù)載率對(duì)二次信號(hào)端口處的傳導(dǎo)電磁干擾水平基本沒(méi)有影響。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立包含一二次設(shè)備在內(nèi)的扎魯特—青州特高壓直流工程換流站整體寬頻等效電路，進(jìn)行了二次設(shè)備回路穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)電磁干擾特性的研究，分析了二次信號(hào)電纜長(zhǎng)度、負(fù)載率等對(duì)二次設(shè)備回路傳導(dǎo)電磁干擾的影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下。

a.一次設(shè)備回路傳導(dǎo)電磁干擾特性分析表明：換流閥的傳導(dǎo)電磁干擾水平在20 kHz～0.5 MHz范圍內(nèi)時(shí)由 130.5 dBμA 下降為 80.8 dBμA；大觸發(fā)角運(yùn)行時(shí)的傳導(dǎo)電磁干擾水平較大，雙極運(yùn)行時(shí)的傳導(dǎo)電磁干擾水平高于單極運(yùn)行時(shí)的水平。

b.二次設(shè)備回路中，隨著電纜長(zhǎng)度的增加，二次信號(hào)端口處的傳導(dǎo)電磁干擾水平基本不變，且負(fù)載率對(duì)二次信號(hào)端口處的傳導(dǎo)電磁干擾水平基本沒(méi)有影響。

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