穆星宇

（國(guó)網(wǎng)蒙東電力檢修分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著特高壓直流輸電工程的不斷建設(shè)與發(fā)展，其運(yùn)行過(guò)程中中性母線故障問題時(shí)常發(fā)生，不僅影響到供電工作，而且造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在中性母線過(guò)電壓狀態(tài)下，直流輸電系統(tǒng)易發(fā)生直流開關(guān)跳閘、直流輸電系統(tǒng)緊急停運(yùn)以及電容器被擊穿等問題，還會(huì)引發(fā)停電事故以及嚴(yán)重的損失負(fù)荷。研究分析直流系統(tǒng)中性母線過(guò)電壓產(chǎn)生的原因，不斷完善過(guò)電壓抑制舉措，具有積極的參考意義。

1 常見過(guò)電壓基本類型

1.1 重燃過(guò)電壓

引發(fā)重燃過(guò)電壓的原因是存在開斷電容性負(fù)載。開關(guān)將電容斷開的情況下，電流過(guò)零點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)熄弧，電容器電壓達(dá)到峰值，且電壓保持不變。半個(gè)周期之后系統(tǒng)電壓呈現(xiàn)反向最大，此時(shí)斷口上的電壓達(dá)到峰值電壓的兩倍。在開關(guān)絕緣恢復(fù)速度不足，而斷口上電壓恢復(fù)速度較快的情況下會(huì)重?fù)舸嗫?，同時(shí)對(duì)電容器以最大兩倍的峰值電壓反向充電，后半個(gè)周期即熄弧、重燃[1]。

1.2 截流過(guò)電壓

截流過(guò)電壓主要發(fā)生在斷開小電感電流時(shí)。開斷幾百至幾千安的交流電流時(shí)，一般不會(huì)引發(fā)截流現(xiàn)象。真空斷路器電流開斷過(guò)程中，分?jǐn)嗟乃查g電極受熱會(huì)引發(fā)金屬蒸發(fā)，進(jìn)而形成真空電弧。在斷開大電流的過(guò)程中金屬蒸汽蒸發(fā)更加充分，產(chǎn)生的電弧相對(duì)穩(wěn)定，工頻電流自然過(guò)零時(shí)斷弧。小電感電流斷開的情況下受金屬蒸發(fā)影響，電弧難以維持，因此在電流達(dá)到零點(diǎn)前會(huì)在一個(gè)瞬時(shí)值出現(xiàn)強(qiáng)制的熄弧，這種情況即為截流。發(fā)生截流現(xiàn)象時(shí)會(huì)提高回路電流的變化率和電感上的電壓，從而形成過(guò)電壓。

1.3 鐵磁諧振過(guò)電壓

中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和變電所母線電磁式互感器的設(shè)置中采取高壓側(cè)中性點(diǎn)接地方式。此時(shí)電壓互感器對(duì)地電感與系統(tǒng)電容形成并聯(lián)回路。受一些因素影響，在母線電壓升高時(shí)電壓互感器達(dá)到飽和狀態(tài)，同時(shí)對(duì)地電感會(huì)減小且系統(tǒng)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。此外，在某個(gè)頻率范圍內(nèi)，電容和電感相等會(huì)引發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓現(xiàn)象[2]。

1.4 弧光接地過(guò)電壓

中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，在單相間歇性弧光接地故障發(fā)生時(shí)，受電弧多次熄滅和重燃影響，對(duì)地電容上電荷也會(huì)不斷累積并分配，產(chǎn)生過(guò)電壓，其原理類似于重燃過(guò)電壓。

2 分析模型的建立

與換流站中性母線過(guò)電壓水平有關(guān)的主要內(nèi)容如下：第一，包含換流回路結(jié)構(gòu)和設(shè)備狀態(tài)特性等內(nèi)容在內(nèi)的回路特性；第二，系統(tǒng)工作狀態(tài)，主要指電壓、電流和功率等；第三，引發(fā)過(guò)電壓的故障，以及在操作中出現(xiàn)的阻抗變化等。對(duì)于中性點(diǎn)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}可以采取有效抑制措施，如配置避雷器或采用控制保護(hù)系統(tǒng)等。要有效抑制換流站中性母線的過(guò)電壓，需考慮其絕緣水平和特殊的工作條件，選擇使用更加先進(jìn)的抑制技術(shù)和措施。對(duì)此，需建立模型加以分析，掌握中性母線的過(guò)電壓特性。

高壓直流輸電系統(tǒng)內(nèi)部有著復(fù)雜多樣的過(guò)電壓現(xiàn)象。實(shí)際過(guò)電壓水平會(huì)影響換流變壓器和換流閥方面的絕緣設(shè)計(jì)以及電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠。因此，在發(fā)展特高壓電網(wǎng)過(guò)程中，必須加強(qiáng)對(duì)其內(nèi)部過(guò)電壓?jiǎn)栴}的研究。在直流系統(tǒng)中，中性母線的電壓較低，會(huì)導(dǎo)致在操作失誤等情況下易出現(xiàn)過(guò)電壓?jiǎn)栴}，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞連接在中性母線上的設(shè)備。因此，需采取合理措施，有效抑制中性母線過(guò)電壓?jiǎn)栴}，確保上面連接的設(shè)備安全。

在中性母線出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注可能出現(xiàn)的接地故障。常見的接地故障主要發(fā)生在換流變閥側(cè)出線和換流橋。出現(xiàn)這些故障會(huì)導(dǎo)致過(guò)電壓幅值過(guò)高，需加大相關(guān)研究力度。

建立特高壓直流中性母線過(guò)電壓研究模型的過(guò)程中，先需掌握直流系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行條件、仿真軟件、控制保護(hù)系統(tǒng)以及保護(hù)動(dòng)作策略等，然后選擇工況加以研究。在研究分析中，可以選擇分析相對(duì)常見且危害大的故障類型，本文對(duì)換流變閥側(cè)出線單相金屬性接地故障和回路斷線故障進(jìn)行分析。

換流變閥側(cè)出線單相金屬性接地故障的運(yùn)行方式為雙極和單極大地回線方式。中性母線接地主要是整流站和逆變站中性點(diǎn)接地。采用單極金屬回線模式的情況下，中性母線過(guò)電壓由于其運(yùn)行中逆變站的接地而得以有效抑制。同時(shí)，通過(guò)模擬該模式下整流側(cè)換流站中性母線避雷器的各種運(yùn)行狀況計(jì)算各種工況下的過(guò)電壓。常見的工況主要就是整流側(cè)換流變Y/Δ線圈閥側(cè)單相接地、整流側(cè)換流變Y/Y線圈閥側(cè)單相接地、整流側(cè)閥頂接地短路以及整流側(cè)接地極引線斷線等。常采用的保護(hù)機(jī)制是緊急停運(yùn)和閉鎖，保護(hù)模式下過(guò)電壓機(jī)制相似，不同之處主要是流過(guò)避雷器的能量。

回路斷線故障時(shí)，直流系統(tǒng)主回路中中性母線避雷器串入。該狀態(tài)下，各種運(yùn)行模式的過(guò)電壓機(jī)制是一樣的，如果運(yùn)行模式為單極大地回路，則可選擇斷線整流側(cè)接地極引線，或?qū)φ髡緦?shí)行緊急停運(yùn)等措施實(shí)施保護(hù)。

本文介紹換流變閥側(cè)出線單相金屬性接地故障方面常見故障工況，具體如下。

（1）整流側(cè)換流變Y/Δ線圈閥側(cè)單相接地工況分析

在仿真模擬模型的分析計(jì)算中，可得到需要的數(shù)據(jù)并掌握過(guò)電壓情況，包括整流站中性母線最大過(guò)電壓和避雷器通過(guò)最大電流。在一個(gè)周期內(nèi)，選擇故障電流法換相導(dǎo)通時(shí)刻為故障時(shí)刻。受直流系統(tǒng)脈沖控制離散特性的影響，控制保護(hù)是在下一脈沖到來(lái)之后才發(fā)揮作用。故障時(shí)刻距離下次換相之間時(shí)間較長(zhǎng)，保護(hù)作用需要相當(dāng)長(zhǎng)的延時(shí)才能到達(dá)觸發(fā)脈沖，而且會(huì)威脅到中性母線避雷器面。為有效承受過(guò)電壓，需保證其設(shè)計(jì)質(zhì)量，選擇在這一故障時(shí)刻開展分析。

在主放電階段，中性母線流入下脈動(dòng)前的電流不僅是從金屬回線流入的，而且混入避雷器上電流，且以后者為主。故障時(shí)刻，其中一項(xiàng)脈動(dòng)橋觸發(fā)導(dǎo)通，啟動(dòng)保護(hù)后觸發(fā)角移動(dòng)，加大觸發(fā)導(dǎo)通與之后觸發(fā)的時(shí)間間隔。導(dǎo)通10 ms左右之后關(guān)斷脈動(dòng)橋，電流過(guò)零，同時(shí)增大觸發(fā)角避免觸發(fā)導(dǎo)通后續(xù)脈動(dòng)橋，避雷器與交流電源之間不會(huì)形成回路。此階段是避雷器消耗能量的主要環(huán)節(jié)，在直流系統(tǒng)脈沖控制離散特性影響下，避雷器無(wú)法在下一脈沖到來(lái)前及時(shí)發(fā)揮作用，無(wú)法有效控制避雷器能量。

金屬回線放電階段中，中性母線流入下一脈動(dòng)換流橋的電流值為零。其中閥流入故障點(diǎn)無(wú)法通過(guò)，其自身在直流線路中對(duì)地分布電容的影響下存在分布電感，在通過(guò)金屬回線時(shí)電流值不會(huì)快速降低到零。此時(shí)金屬回線類似于電源，中性母線避雷器、逆變站接地點(diǎn)回路形成，一部分能量流過(guò)避雷器，與故障初期方向相反，電流的幅值較小。

金屬回線放電階段中性母線為低電位，到了觸發(fā)導(dǎo)通階段，故障接地點(diǎn)與一項(xiàng)下閥橋中陰極相連接，閥橋兩端就會(huì)承受正電壓，從而脈沖得以觸發(fā)、導(dǎo)通。中性母線快速拉為地電位，避雷器兩端電壓和電流達(dá)到零，而流入脈動(dòng)橋的電流值一定，證明金屬回線電流直接流入了故障接地點(diǎn)而不是經(jīng)過(guò)避雷器。在發(fā)生Y/Δ線圈閥側(cè)單相接地情況下，會(huì)引發(fā)中性母線避雷器動(dòng)作，因此故障初期的能耗較大，及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)的情況下則可有效控制中性母線電壓，不斷減小避雷器能耗，將總能耗控制在通流容量以內(nèi)[3]。

（2）整流側(cè)換流變Y/Y線圈閥側(cè)單相接地工況分析

整流側(cè)換流變，除了Y/Δ線圈閥側(cè)外，還存在Y/Y線圈閥側(cè)單相接地工況。通過(guò)模擬分析可獲得該工況下中性母線的最大過(guò)電壓及通過(guò)避雷器的最大電流和能量。其故障過(guò)程與Y/Δ線圈閥側(cè)單相接地故障基本類似，二者的不同之處在于該故障工況下只有兩個(gè)階段。中性母線接地為第三階段，上橋有故障點(diǎn)存在，并與中性母線之間間隔三層閥，此階段可忽視。金屬回線大多電流由避雷器接收。故障放電環(huán)節(jié)中，來(lái)自下脈動(dòng)和上脈動(dòng)環(huán)流橋的直流電壓和交流線電壓共同串聯(lián)形成故障電源，其電壓較大，相比于Y/Δ線圈閥側(cè)單相接地故障該工況下會(huì)有更高的能量進(jìn)入避雷器。

（3）整流側(cè)閥頂接地短路

整流側(cè)閥頂接地短路故障與Y/Y線圈閥側(cè)單相接地故障過(guò)程相類似，中性母線接地第三階段不存在。與Y/Y線圈閥側(cè)單相接地故障不同的是形成故障電源的方式，故障電源由整流站上脈動(dòng)換流橋與下脈動(dòng)換流橋的直流電壓串聯(lián)形成，其中多了一層閥，受該層閥阻礙作用影響，實(shí)際注入避雷器的能量相對(duì)較小。

（4）整流側(cè)接地極引線斷線

單極大地處于正常運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，逆變站電流通過(guò)接地極會(huì)流入大地，然后進(jìn)入整流站。如果斷開整流站的接地極引線，那么電流要進(jìn)入整流器換流閥，需經(jīng)過(guò)整流側(cè)避雷器。在此情況下的直流回路中，避雷器的作用相當(dāng)于電阻串聯(lián)，會(huì)有故障電流流過(guò)。可以將整個(gè)故障具體分為3個(gè)階段。

首先是保護(hù)未動(dòng)作階段。故障發(fā)生后避雷器和極線流過(guò)的電流相同，避雷器在直流回路中的作用類似于電阻串聯(lián)，回路電阻瞬間增加下一定程度會(huì)降低直流電流，此時(shí)控制整流側(cè)定電流時(shí)需保證電流值不變。控制系統(tǒng)使用回升電流且移動(dòng)觸發(fā)角的情況下，會(huì)加大直流電壓。該階段中通過(guò)的能量，是故障中主要組成。

其次是保護(hù)動(dòng)作后階段。HSGS投入后該階段結(jié)束。故障發(fā)生后觸發(fā)系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)改變觸發(fā)角。此狀態(tài)下，整流側(cè)電流和避雷器電流減小、整流側(cè)電壓降低，中性母線會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

最后是HSGS投入之后的階段。在整流側(cè)，中性母線上HSGS啟動(dòng)投入一定時(shí)間后，保護(hù)投入，中性母線被拉為地電位，避雷器未有電流流過(guò)、兩端電壓零值。

3 中性點(diǎn)母線過(guò)電壓抑制措施

3.1 中性母線避雷器優(yōu)化配置

特高壓直流輸電工程中，中性母線、接地極線路會(huì)配置避雷器，具體需設(shè)置中性母線平波電抗器閥側(cè)避雷器、中性母線平波電抗器線路側(cè)避雷器以及金屬回線避雷器等。優(yōu)化配置過(guò)程中，需解決和改進(jìn)金屬回線避雷器操作殘壓?jiǎn)栴}。降低操作殘壓不僅會(huì)加大金屬回線避雷器電流，且會(huì)減小其他中性母線平波電抗器閥側(cè)避雷器電流。

3.2 中性母線的釋能間隙抑制過(guò)電壓措施

抑制過(guò)電壓的一項(xiàng)有效措施就是在中性母線上設(shè)置好通道，確保能力更好釋放，可以降低電壓幅值并減少其持續(xù)時(shí)間。重視釋能間隙，將其合理應(yīng)用于中性母線短時(shí)接地中，達(dá)到切斷直流電弧的目的?？梢詫⑨屇荛g隙作為MOV后備保護(hù)運(yùn)行，在MOV吸收一定能量或其溫度超過(guò)一定值后，會(huì)觸發(fā)釋能間隙保護(hù)動(dòng)作保護(hù)MOV。在此過(guò)程中，需考慮釋能間隙特點(diǎn)。啟動(dòng)兩端并聯(lián)旁路斷路器可以縮短燃弧的時(shí)間，釋能間隙安全退出。當(dāng)前，采用脈沖電壓觸發(fā)間隙中還存在觸發(fā)裝置與高壓端電氣間隔離方面未實(shí)現(xiàn)有效隔離的問題。此外，由于實(shí)際觸發(fā)間隙整定范圍較小，因此容易導(dǎo)致區(qū)外發(fā)生自觸發(fā)事故。采用自擊穿釋能間隙為避雷器后備保護(hù)，可將釋能間隙安裝在整流站接地極線路首端，限制電壓幅度，保證實(shí)際限壓效果。具體放電間隙的選擇需依據(jù)系統(tǒng)自身情況進(jìn)行。釋能間隙系統(tǒng)需設(shè)置好旁路斷路器，在間隙燃弧后執(zhí)行合閘操作，為間隙滅弧提供條件。同時(shí)，熄滅釋能間隙電弧、系統(tǒng)恢復(fù)中，有較高的動(dòng)態(tài)過(guò)電壓，會(huì)出現(xiàn)再度擊穿釋能間隙的問題，導(dǎo)致旁路斷路器無(wú)法有效斷開，對(duì)此利用釋能間隙需配合直流短路技術(shù)共同作用抑制中性母線過(guò)電壓[4]。

4 結(jié) 論

對(duì)于特高壓直流中性母線過(guò)電壓?jiǎn)栴}，應(yīng)建立仿真模型分析其特性。在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出合理、有效且完善的抑制措施，從而減少中性母線故障，保證運(yùn)行穩(wěn)定，降低經(jīng)濟(jì)損失。