束洪春，任 敏，單節(jié)杉，田鑫萃，薄志謙

（昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650051）

0 引言

基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電（MMC-HVDC）諧波水平低、控制靈活且沒(méi)有換相失敗、無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，得到了廣泛的關(guān)注與迅速的發(fā)展［1-3］。柔性直流輸電電壓等級(jí)和容量不斷提高，而電纜輸電存在輸送容量有限、發(fā)生故障時(shí)故障排除時(shí)間長(zhǎng)、維修困難、造價(jià)高等一系列缺點(diǎn)，難以適應(yīng)高電壓和大容量輸電場(chǎng)景。柔性直流輸電系統(tǒng)故障中，絕大部分為架空輸電線路接地故障，故障電流上升極快［4‐6］。

對(duì)直流系統(tǒng)故障特性的分析是保護(hù)、控制及直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。目前的研究主要是針對(duì)直流側(cè)故障的解析，如文獻(xiàn)［7］研究真雙極系統(tǒng)直流側(cè)的故障特性，推導(dǎo)出不同接地電阻下的故障點(diǎn)等效電路。針對(duì)交流側(cè)故障的研究主要聚焦于直流側(cè)對(duì)交流系統(tǒng)短路電流的影響，如文獻(xiàn)［8-9］從電網(wǎng)運(yùn)行的角度分析直流側(cè)提供短路電流的特征及短路電流計(jì)算的原則。換流站閥側(cè)交流接地故障是較少發(fā)生的故障類型，主要由穿墻套管絕緣老化、雷擊閃絡(luò)等引起，如：某年某月某日16 時(shí)44 分，某±800 kV 直流換流站穿墻套管故障引起極Ⅰ高端換流器差動(dòng)保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作、極Ⅰ極差動(dòng)保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作。該故障引起的沖擊電流巨大，導(dǎo)致套管防爆膜完全炸裂脫落，套管內(nèi)部有熏黑痕跡，傘裙存在缺口；某年某月某日19時(shí)38分31秒，某±800 kV直流換流站穿墻套管故障，引起極Ⅱ的3 套極母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，極Ⅱ閉鎖，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)極Ⅱ高端穿墻套管裙邊出現(xiàn)大量裂片并散落在套管下方［10］。由于閥側(cè)故障接地點(diǎn)與直流側(cè)接地點(diǎn)構(gòu)成故障電流的流通通路，換流器閉鎖前的沖擊電流大，甚至比直流線路故障更嚴(yán)重，而該故障位于交流保護(hù)區(qū)，不能通過(guò)直流斷路器切除，極易對(duì)換流站造成損害，同時(shí)由于現(xiàn)有的限流電抗位于直流母線出口，這種情況下不能對(duì)故障電流進(jìn)行抑制。

目前較多文獻(xiàn)針對(duì)抑制直流側(cè)故障電流提出了故障限流方案，考慮抑制閥側(cè)交流接地故障電流的文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)［11］提出采用LR 并聯(lián)接地方式抑制閥側(cè)交流接地故障電流，但該方法不能使接地極提供真實(shí)的接地點(diǎn)，單極故障下該方案會(huì)對(duì)健全極造成長(zhǎng)時(shí)間的電壓振蕩。文獻(xiàn)［12-14］根據(jù)檢測(cè)到的直流電流變化率，在直流側(cè)故障下通過(guò)降低直流電壓指令值減少子模塊的投入數(shù)，從而限制故障電流的上升速率和幅值。這類方案在半橋型模塊化多電平換流器（MMC）或混合型MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下均適用，由于控制系統(tǒng)響應(yīng)速度理論上達(dá)到微秒級(jí)，具有良好的速動(dòng)性，且不需要引入額外的硬件類故障限流設(shè)備即可抑制電流上升率。文獻(xiàn)［15］提出在直流線路出口串入輔助故障限流器，等效為故障下增大平波電抗器電感值。文獻(xiàn)［16］提出在上下橋臂間設(shè)置一條由晶閘管和電阻串聯(lián)構(gòu)成的橋臂旁路，發(fā)生故障時(shí)導(dǎo)通晶閘管可以減小故障電流，但該方法會(huì)導(dǎo)致旁路電阻產(chǎn)生極大的熱量，對(duì)MMC 造成威脅。文獻(xiàn)［17］在直流斷路器中引入故障限流阻抗支路，提出一種具有故障限流功能的直流斷路器。

本文在分析換流站閥側(cè)交流接地故障特性的基礎(chǔ)上，得出接地極在正常運(yùn)行時(shí)基本沒(méi)有電流流過(guò)，并在高概率的架空線路單極故障和換流站閥側(cè)交流接地故障中參與了故障回路。因此，接地極引入故障限流裝置不僅對(duì)于系統(tǒng)的正常運(yùn)行沒(méi)有影響，還能有效抑制閥側(cè)交流接地故障電流，同時(shí)能抑制高概率的單極接地故障電流。著眼于以上特點(diǎn)，本文對(duì)故障限流裝置安裝于不同位置的效果進(jìn)行了詳細(xì)的討論，進(jìn)而提出了分散組合式安裝方法和一種新型故障限流技術(shù)，并分析了故障限流裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和故障限流原理。最后在PSCAD／EMTDC 搭建仿真模型，驗(yàn)證了閥側(cè)交流接地故障電流理論推導(dǎo)的正確性和故障限流方案的有效性。

1 換流站閥側(cè)交流接地故障電流解析

對(duì)于偽雙極直流輸電系統(tǒng)，其接地方式不同于真雙極，在單極接地或閥側(cè)交流接地故障下，故障回路阻尼極大，因此故障電流小。對(duì)于大容量、高電壓的柔性直流輸電系統(tǒng)，通常采用真雙極的輸電形式，在上述2 類故障下的故障電流大，易損壞換流器等一次設(shè)備。2 類輸電方式的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中：Ldc為平波電抗器的電感值；DCCB 為直流斷路器；Lp、Ln分別為正、負(fù)極架空線路；Rg為接地極等效電阻；Rs為接地大電阻。

圖1 不同柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of different flexible DC transmission systems

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在由于穿墻套管絕緣老化、雷擊閃絡(luò)等引起的閥側(cè)交流接地故障，某±800 kV 變壓器穿墻套管如附錄A 圖A1 所示。故障引起的巨大沖擊電流導(dǎo)致套管防爆膜完全炸裂脫落，套管內(nèi)部有熏黑痕跡，傘裙存在缺口，如附錄A圖A2所示。

從近端換流站看，故障點(diǎn)與下橋臂、接地極構(gòu)成電容放電回路，并通過(guò)“上橋臂→直流線路→遠(yuǎn)端換流站→遠(yuǎn)端換流站接地極→故障點(diǎn)”構(gòu)成故障回路［18］，分別如圖2和圖3所示。圖中，IDL和IDEE分別為極線母線出口和接地極線路母線出口的電流測(cè)點(diǎn)。

圖2 △側(cè)接地故障下故障點(diǎn)、下橋臂和接地極構(gòu)成的電容放電回路Fig.2 Capacitor discharge circuit composed of fault point，lower bridge arm and grounding electrode under grounding fault at △side

圖3 △側(cè)接地故障下故障點(diǎn)、上橋臂、直流線路與對(duì)端換流站的電流流通通路Fig.3 Current flow path of fault point，upper bridge arm，DC transmission line and opposite converter station under grounding fault at △side

考慮到下橋臂子模塊投切與控制系統(tǒng)密切相關(guān)，精確求取下橋臂故障電流較為復(fù)雜，而由于MMC閉鎖前電容放電過(guò)程極短，約為1～2 ms，因此本文忽略控制投切的影響，以故障臨界時(shí)刻的橋臂電壓、電流為初始條件，求解閉鎖前換流站提供的故障電流。為簡(jiǎn)化分析，以圖1（b）中整流側(cè)換流站閥側(cè)交流發(fā)生三相接地故障為例進(jìn)行分析，將圖2所示的電容放電回路轉(zhuǎn)換成運(yùn)算電路模型，如附錄A 圖A3 所示。

假設(shè)交流調(diào)制比為1，由于上下橋臂同一交流分量差180°，可知j相閥側(cè)交流電壓uvj(t)和下橋臂電流inj(t)分別為［19］：

式中：Usmj為j相交流側(cè)線電壓幅值；Ismj為j相交流電流幅值；Udc(0)為輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下的直流電壓；idc(0)為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下線路上的直流電流；φj為j相交流電壓初相角；φ′為交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的負(fù)載阻抗角；ω為交流側(cè)角頻率。

對(duì)下橋臂組成的故障回路列寫基爾霍夫電壓定律（KVL）方程，如式（2）所示。

式中：L0為橋臂電感；unj(t)為t時(shí)刻j相下橋臂等效電容電壓。

由此可知，故障時(shí)刻j相下橋臂投入的子模塊總個(gè)數(shù)Nnj=unj(0)/uc(0)，其中uc(0)為子模塊平均電容電壓，可根據(jù)Udc(0)和穩(wěn)態(tài)時(shí)上下橋臂投入的子模塊個(gè)數(shù)之和N獲取。

根據(jù)圖A3 可得a 相下橋臂提供的故障電流Idcg，a(s)為：

式中：una(0)為故障時(shí)刻a 相下橋臂等效電容電壓；ina(0)為故障時(shí)刻a 相下橋臂瞬時(shí)電流；R0為橋臂等效電阻；C0為子模塊電容值。

由式（3）可以得到Idcg，a(s)的時(shí)域表達(dá)式為：

同理可得到b、c 相下橋臂提供的故障電流的表達(dá)式，則換流站下橋臂提供的電流之和idcg，∑(t)為：

將圖3所示的故障回路轉(zhuǎn)換為運(yùn)算電路模型，如附錄A 圖A4 所示。由疊加定理，將對(duì)端MMC 與近故障點(diǎn)的MMC各上橋臂視為兩部分激勵(lì)，因此令：

求取Idc1(s)的時(shí)域形式，可以得到：

idc1(t)=∑(K1ep1jt+K2ep2jt)j=a，b，c （9）

求取Idc2(s)的時(shí)域形式，可以得到：

由此可得上橋臂提供的故障電流Idc(s)為：

式（15）的時(shí)域表達(dá)式為：

目前對(duì)于換流器閥側(cè)的研究較少，根據(jù)上述分析可知，換流站閥側(cè)交流接地故障下，對(duì)于圖3 所示故障回路，由于近故障點(diǎn)換流器上橋臂電容初始電壓與故障電流方向相反，且故障回路存在平波電抗器等故障限流器件，故直流線路故障電流較小，但由于閥側(cè)交流出口處電位被箝制為0，因此上橋臂的子模塊電容將產(chǎn)生極大的過(guò)電壓，導(dǎo)致子模塊電容擊穿，通過(guò)斷開(kāi)近端直流斷路器可有效解決該問(wèn)題。而對(duì)于圖2 所示電容放電回路，下橋臂流過(guò)的故障電流迅速增大，且無(wú)法通過(guò)斷路器切斷換流站與故障點(diǎn)的聯(lián)系，因此采取可靠的故障限流措施能有效避免閥側(cè)交流接地故障對(duì)換流站等一次設(shè)備造成嚴(yán)重傷害，并降低對(duì)此類故障的保護(hù)要求。

2 換流站閥側(cè)及直流線路故障電流限制方案分析

故障限流器對(duì)輸電系統(tǒng)造成的影響與其安裝位置有著不可分割的關(guān)系，在保證直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障限流器能有效地起到故障限流作用的前提下，要滿足對(duì)輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行造成的影響最小或者不造成影響。以圖1（b）所示的雙極MMC-HVDC系統(tǒng)故障為例，故障限流器安裝位置可以分為直流母線出口處、中性線路和接地極母線出口處，如圖4所示。圖中：iGND為接地極電流，定義電流由母線流向線路為正。本節(jié)將從各個(gè)方面詳細(xì)分析這3 處安裝位置的利弊，并給出最優(yōu)安裝方案。

圖4 故障限流器安裝位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of installation position of fault current limiter

2.1 故障限流器安裝于直流線路出口與中性線路處

故障限流器安裝于直流母線出口與中性線路上，這2 處的故障限流器處于同一輸電回路中，因此對(duì)直流輸電系統(tǒng)的影響無(wú)較大差別，傳統(tǒng)的直流輸電工程也是在這2處配置平波電抗器。

當(dāng)圖4 中f1、f2處發(fā)生短路故障時(shí)，由于兩極參數(shù)對(duì)稱，與單相接地故障相比，在忽略接地電阻的情況下，雙極短路故障電流大小與單極接地故障下基本相同，可知當(dāng)故障限流器安裝在直流線路出口和中性線路時(shí)，對(duì)于單極接地故障和雙極短路故障都能起到抑制故障電流的效果。當(dāng)圖4 中f3處，即換流站閥側(cè)發(fā)生交流接地故障時(shí)，不同于安裝在中性線路處的故障限流裝置，直流母線出口處的故障限流器不參與故障回路，無(wú)法抑制故障電流?？紤]到在上述安裝位置下，故障限流器與一次系統(tǒng)直接相連，將給輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行帶來(lái)額外的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低供電的可靠性。另一方面，類似平波電抗器這類直接串入輸電線路的故障限流裝置，若其電感取值過(guò)大，則將導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，甚至直流系統(tǒng)失穩(wěn)，故其取值不能過(guò)大，故障限流效果受限。

2.2 故障限流器安裝于接地極母線出口處

接地極是真雙極直流輸電系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，接地極線路一般為同塔架設(shè)的架空線路，在直流系統(tǒng)雙極平衡運(yùn)行時(shí)，接地極起箝制換流器中性點(diǎn)電位的作用。在雙極不對(duì)稱和單極大地回線運(yùn)行方式下，接地極不但起箝制換流器中性點(diǎn)電位的作用，還為直流電流提供通路，接地極線路如附錄A圖A5所示。

當(dāng)圖4 中f1處發(fā)生接地故障時(shí)，可知接地極與故障點(diǎn)和換流站組成放電回路。當(dāng)圖4 中f2處發(fā)生雙極故障時(shí)，故障電流并不流經(jīng)接地極線路，故障限流器在雙極故障下失去作用。而考慮到直流系統(tǒng)雙極平衡運(yùn)行時(shí)，理論上流過(guò)接地極的電流值為0，可知引入接地極的故障限流器對(duì)直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行基本沒(méi)有影響，其抑制故障電流上升率的電感取值可更大，對(duì)于單極接地故障的故障限流效果更好。另一方面，對(duì)于直流架空輸電線路而言，發(fā)生接地故障的概率比極間短路故障高得多，加之正、負(fù)兩極輸電線路相隔甚遠(yuǎn)，實(shí)際工程中可達(dá)到幾十米，進(jìn)一步降低了雙極故障的可能性［20-21］。若發(fā)生極間短路故障，換流站一般閉鎖停運(yùn)并斷開(kāi)與交流系統(tǒng)的聯(lián)系，中斷功率輸送。當(dāng)圖4中f3處發(fā)生故障時(shí)，由第2節(jié)的分析可知，下橋臂流過(guò)的故障電流上升快、幅值大，而接地極參與構(gòu)成故障回路，安裝于接地極的故障限流器能有效抑制該故障下的故障電流。由上述分析可知，接地極線路引入限流器對(duì)大概率的單極故障和換流站閥側(cè)交流接地故障具有更好的限流效果，且基本不對(duì)正常運(yùn)行時(shí)的直流輸電系統(tǒng)造成影響。

根據(jù)上述分析，故障限流設(shè)備集中安裝在接地極，安裝成本少、對(duì)絕大部分故障都有較好的限流效果，但故障限流器的安裝方式不能忽略故障概率低的故障類型，其應(yīng)滿足所有類型故障下對(duì)電流上升率抑制的要求，因此本文推薦分散組合式安裝方式，即在正、負(fù)極母線出口和接地極線路均引入故障限流設(shè)備。設(shè)接地極母線出口限流設(shè)備的容量為a，直流母線出口限流設(shè)備容量為b，根據(jù)圖4 所示的故障回路可知：a應(yīng)滿足閥側(cè)交流接地故障、換流器內(nèi)部接地故障對(duì)電流上升率的要求，以防止過(guò)沖電流損壞換流站等一次設(shè)備；a+b應(yīng)滿足單極故障對(duì)電流上升率的要求；b應(yīng)滿足雙極故障對(duì)電流上升率的要求。雖然這種安裝方式增加了故障限流設(shè)備的安裝成本，提高了故障限流設(shè)備控制的協(xié)同性要求，但能滿足輸電系統(tǒng)對(duì)閥側(cè)交流接地故障和直流側(cè)故障電流上升率的要求。

3 新型故障限流器拓?fù)浼捌湎蘖髟?/h2>

理想的故障限流裝置應(yīng)在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行下，具有電流雙向流動(dòng)、通態(tài)損耗低等特點(diǎn)，而直流側(cè)故障下，為了保證速動(dòng)性，故障限流裝置一般完全由電力電子器件控制。由第2 節(jié)的分析可知，安裝于接地極處的故障限流裝置能兼顧抑制正、負(fù)單極故障下的電流上升率，有較好的經(jīng)濟(jì)性，且對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行影響小，但在單極故障下不可避免地會(huì)使中性點(diǎn)電壓偏移，造成健全極過(guò)電壓。鑒于上述分析，本文提出一種適用于一次回路及接地極線路的新型故障限流器，使健全極承受的過(guò)電壓在工程合理范圍內(nèi)。新型故障限流器的拓?fù)淙鐖D5所示，其主要由2條支路組成：支路1 為由n個(gè)IGBT 與二極管反并聯(lián)的電力電子器件組成的通流支路，LCS 表示電流轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)；支路2 由1 對(duì)反并聯(lián)的晶閘管Ta和Tb、限流電感Lf及由k個(gè)電容器組串聯(lián)等效的電容Ceq和避雷器（MOV）組成。

圖5 新型故障限流器拓?fù)涫疽鈭DFig.5 Schematic diagram of novel fault current limiter topology

3.1 故障限流原理

大量文獻(xiàn)已針對(duì)故障限流器安裝于直流母線出口處進(jìn)行了分析。因此本文結(jié)合第2 節(jié)的分析，將新型故障限流器安裝于接地極母線出口處，對(duì)其故障限流原理進(jìn)行討論和分析。

新型故障限流器的工作模式分為正常模式、故障模式、解鎖模式，如表1所示。表中開(kāi)關(guān)狀態(tài)1、0分別表示器件導(dǎo)通、關(guān)斷。

表1 新型故障限流器在不同運(yùn)行模式下的開(kāi)關(guān)狀態(tài)Table1 Switch status of novel fault current limiter under different operation modes

將圖5 所示的新型故障限流器安裝于接地極母線出口處，其在3 種運(yùn)行模式下的示意圖如圖6 所示。圖中：ib、if分別為不平衡電流、故障電流。

圖6 新型故障限流器的3種運(yùn)行模式示意圖Fig.6 Schematic diagram of novel fault current limiter under three operation modes

正常運(yùn)行時(shí)，故障限流器處于正常模式，LCS 不動(dòng)作，ib流過(guò)通流支路1，如圖6（a）所示。發(fā)生正極接地短路故障后，當(dāng)流過(guò)LCS 的不平衡電流ib的幅值超過(guò)其臨界值時(shí)，故障限流器轉(zhuǎn)為故障模式，LCS閉鎖，與此同時(shí)，給Tb施加導(dǎo)通信號(hào)，Tb承受正向電壓將立即導(dǎo)通，電流轉(zhuǎn)移到故障限流支路上，如圖6（b）所示，限流電感Lf能有效抑制故障電流if的上升率，同時(shí)電容器組Ceq吸收直流回路中的能量，使得箝制點(diǎn)電位發(fā)生偏移，換流站出口對(duì)地電壓迅速減小，從而降低故障電流。當(dāng)故障限流支路上的電壓增大到一定程度時(shí)，MOV 將導(dǎo)通以耗散故障回路的能量，避免故障限流支路過(guò)電壓。斷路器切除故障后，流過(guò)故障限流支路的電流將降為0，故障限流器轉(zhuǎn)為解鎖模式，如圖6（c）所示，LCS 解鎖恢復(fù)導(dǎo)通，將中性點(diǎn)電位箝制為0，以免造成健全極長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電壓。此時(shí)Tb因承受反向電壓而關(guān)斷，電容器組儲(chǔ)存的故障能量繼續(xù)通過(guò)MOV 損耗。由上述分析可知，故障限流支路能有效抑制回路故障電流的大小和上升率，降低斷路器兩端的電壓，減小斷路器吸收的能量，從而降低了對(duì)斷路器的要求，有利于斷路器的迅速動(dòng)作。

3.2 帶故障限流器的閥側(cè)交流接地故障電流特性分析

為分析帶限流器的換流站閥側(cè)交流故障電流，以圖4 中f3處發(fā)生三相接地故障為例，帶故障限流器的簡(jiǎn)化運(yùn)算電路如附錄A 圖A6 所示。由于IGBT承受過(guò)流的能力有限，為了保證IGBT 不被燒毀，一般在故障電流大于IGBT 額定電流的2 倍時(shí)閉鎖。LCS 閉鎖電流Iblim的取值一般大于正常負(fù)荷電流的最大值，并保證有一定的裕度，可見(jiàn)Iblim不會(huì)太大，為了簡(jiǎn)化分析，近似認(rèn)為每相下橋臂的等效激勵(lì)與故障時(shí)刻相同。由圖A6 可得到a 相下橋臂為故障點(diǎn)提供的故障電流I′dcg，a(s)為：

同理可得b、c 相下橋臂為故障點(diǎn)提供的短路電流。

從式（17）、（18）中可看出，Lf值越大，Ceq值越小，對(duì)于故障電流的抑制效果越好，然而，一方面，過(guò)大的電感值或過(guò)小的電容值會(huì)導(dǎo)致過(guò)電壓的問(wèn)題，從而危及支路上的半導(dǎo)體器件，也會(huì)給系統(tǒng)造成安全隱患；另一方面，冗余的設(shè)計(jì)造成了不必要的浪費(fèi)，降低了經(jīng)濟(jì)性。工程中對(duì)平波電抗器電感值的選取是通過(guò)逐步優(yōu)化性能價(jià)格來(lái)確定最優(yōu)參數(shù)的過(guò)程，平波電抗器的選取原則一般為：在滿足主要性能要求的前提下，希望平波電抗器電感越小越好。限流阻抗參數(shù)受直流電壓等級(jí)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度、經(jīng)濟(jì)效益等多方面約束，選取原則不盡相同。綜合上述分析，本文從抑制閥側(cè)交流接地故障與直流側(cè)故障下的電流上升率方面考慮，提出如下選取原則：在將故障電流上升率抑制到滿足直流斷路器切斷容量的條件下，Lf值盡量小、Ceq值盡量大。

4 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD／EMTDC 搭建如圖1（b）所示的±320 kV 雙端直流輸電系統(tǒng)仿真模型，其中MMC1、MMC2為定直流電壓和定交流電壓控制，MMC3、MMC4為定有功功率和定交流電壓控制。換流器采用半橋子模塊且參數(shù)一致，單個(gè)換流站主回路參數(shù)如附錄A 表A1 所示。直流故障電流上升快、幅值大，考慮故障限流器時(shí)，保護(hù)需要在1～3 ms 內(nèi)出口動(dòng)作［2］，目前性能較好的混合式DCCB的動(dòng)作時(shí)間約為3～5 ms，可認(rèn)為清除故障電流的極限時(shí)間為8 ms，因此要保證該時(shí)間段內(nèi)故障電流小于換流站閉鎖值。結(jié)合模型參數(shù)，取直流線路電流iblk=12 kA 為換流站閉鎖電流。

4.1 換流站閥側(cè)交流接地故障特性分析

為驗(yàn)證前文理論分析的正確性，取Lf=100 mH，Ceq=0.4 mF，對(duì)5 ms時(shí)刻發(fā)生MMC1閥側(cè)交流三相接地故障進(jìn)行仿真，結(jié)果如附錄A 圖A7所示。由圖可見(jiàn)，僅依靠平波電抗器抑制故障電流時(shí)，MMC1下橋臂放電提供的閥側(cè)故障電流idcg上升速率快、幅值大，在接地極母線出口處引入限流器后，電流峰值為6 kA 左右，能有效地抑制換流站閥側(cè)交流接地故障所產(chǎn)生的沖擊電流，并有利于加快換流站閉鎖后故障電流衰減，縮短換流站重啟時(shí)間；故障電流的計(jì)算曲線與仿真曲線基本吻合，驗(yàn)證了本文理論分析的正確性。

4.2 故障限流器不同安裝位置處的故障限流效果對(duì)比

1）故障限流器安裝于直流線路出口。

為了驗(yàn)證本文故障限流器的效果，設(shè)故障發(fā)生在直流母線出口處，根據(jù)正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流設(shè)置Iblim=4 kA，MOV 動(dòng)作電壓設(shè)置為100 kV。結(jié)合第4節(jié)的分析，分別選取2組參數(shù)進(jìn)行對(duì)比：

1）Ceq=0.4 mF，Lf分別取為50、100、150 mH；

2）Lf=100 mH，Ceq分別取為0.2、0.4、0.6 mF。

將本文故障限流器安裝于直流母線出口處時(shí)，上述2 組參數(shù)下idc的仿真結(jié)果如附錄A 圖A8 所示。圖中，故障電流超過(guò)閉鎖值的部分用虛線表示。由圖可見(jiàn)，僅依靠平波電抗器抑制故障電流時(shí)，故障極電流在4 ms 時(shí)就達(dá)到了閉鎖值。由此可知，僅依靠平波電抗器來(lái)限制故障電流的上升率達(dá)不到理想的效果，尤其對(duì)于高電壓、大容量的輸電系統(tǒng)，其短路故障也更加嚴(yán)重，在直流斷路器技術(shù)受限的情況下，有必要采取有效可行的限流方法與斷路器相配合。當(dāng)極線電流達(dá)到Iblim時(shí)，LCS 中的IGBT 閉鎖，故障電流轉(zhuǎn)移到限流支路上，隨著限流電感Lf的增大，故障電流的上升率越來(lái)越??；Ceq值越小，故障電流的峰值越小，其到達(dá)閉鎖值的時(shí)間越長(zhǎng)。可見(jiàn)本文的故障限流裝置能有效延長(zhǎng)閉鎖時(shí)間，降低了對(duì)斷路器動(dòng)作時(shí)間的要求。

2）故障限流器安裝于接地極母線出口。

正常運(yùn)行時(shí)，通流支路電流近似為0，這說(shuō)明Iblim設(shè)定值可以更小，設(shè)安裝于接地極母線出口處的故障限流器的Iblim=2 kA，有利于故障限流器的快速動(dòng)作。將本文故障限流器安裝于直流母線出口處時(shí)，上述2組參數(shù)下idc的仿真結(jié)果如附錄A圖A9所示。比較圖A8、A9 可知，在故障限流器參數(shù)相同的情況下，2種安裝位置的故障限流仿真效果基本相同，這是因?yàn)樵趩螛O接地故障下，2 種安裝位置的故障限流器作用于相同的電流通路。考慮到單極接地故障切除后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O運(yùn)行模式，相應(yīng)地，此時(shí)接地極線路將流過(guò)單極運(yùn)行模式下的負(fù)荷電流，此時(shí)安裝于接地極線路上的故障限流器與安裝在直流線路上的故障限流器的LCS閉鎖值應(yīng)一致，即Iblim=4 kA。

在發(fā)生單極接地故障時(shí)，引入接地極線路上的故障限流器將導(dǎo)致中性點(diǎn)箝制電位偏移，不可避免地對(duì)健全極造成過(guò)電壓，但并不改變換流站出口與中性點(diǎn)的電壓差，即不改變橋臂電容電壓，而短時(shí)間的暫態(tài)過(guò)電壓并不會(huì)對(duì)健全極及其他一次設(shè)備造成危害。接地極母線出口處不同參數(shù)的故障限流器的暫態(tài)過(guò)電壓比較如附錄A 圖A10 所示。若確認(rèn)故障切除后，故障限流器由故障模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻怄i模式，考慮斷路器的極限切除時(shí)間，假設(shè)該過(guò)程不超過(guò)20 ms，則從故障發(fā)生到恢復(fù)供電過(guò)程所造成的暫態(tài)過(guò)電壓不超過(guò)20 ms。從圖中可以看出，Ceq值越小，限流兩端電壓越高，對(duì)中性點(diǎn)箝制電位產(chǎn)生的偏移越大，因此故障極換流站出口對(duì)地電壓越低，可有效降低故障電流的峰值，并能有效維持故障極線路電壓，降低斷路器兩端的電壓，保護(hù)了斷路器中的電力電子器件，降低了斷路器對(duì)MOV設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。

5 結(jié)論

本文分析了換流站閥側(cè)交流接地故障下，換流站側(cè)提供的故障電流分量，從供電可靠性和限流效果等方面，提出了一種換流站閥側(cè)交流接地故障電流快速抑制方案，通過(guò)分析和仿真得到如下結(jié)論：

1）接地極在高概率的架空線路單極故障和換流站閥側(cè)交流接地故障中參與了故障回路，且在正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，故提出將故障限流裝置安裝于接地極母線出口，從而有效抑制單極線路故障和閥側(cè)交流接地故障電流，降低對(duì)直流線路保護(hù)及換流站保護(hù)的要求；

2）提出了在正、負(fù)極母線出口和接地極母線出口均引入故障限流器的分散組合式安裝方式，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)各種短路故障及閥側(cè)交流接地故障下的最優(yōu)限流效果；

3）在發(fā)生單極接地故障時(shí)，引入接地極線路上的限流器，會(huì)造成中性母線電壓和健全極存在短時(shí)過(guò)電壓，但不會(huì)造成電力電子器件過(guò)電壓，因此，針對(duì)此情況只需提高靠近換流站端線路的絕緣水平即可。

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