特高压直流输电线路全启动过电压仿真分析

段 昊，蔡丽霞

（1.国家电网公司直流建设分公司，北京 100052；2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021）

特高压直流（UHVDC）输电有许多优势，在世界各国普遍受到重视［1－3］：特高压直流输电的输送容量大，输电距离长，一条±800kV 直流线路可输送的功率可达到6GW；特高压直流线路造价低，可充分利用线路走廊资源，损耗小，用于远距离输电具有良好的经济性；跨接两个不同频率的电网，输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制，特别适合于两个不同频率电网的联网，可提高与直流线路并列运行的交流输电系统的稳定性；特高压直流线路故障检修时，可以暂时用大地或者海水当回路，或者当双极运行时有一个极发生故障，可利用另外一个健全极和大地回路输送原来一半的功率，灵活性好。我国在直流输电建设方面取得了长足进步，已完全具备独立建设大规模直流工程能力。直流输电将成为我国今后实现“全国联网、西电东送、南北互供”的重要输电途径，在我国有广阔的应用前景。

本文针对特高压直流输电系统全电压启动过电压特性［4－7］，通过对输电回路的集中参数简化模型的分析，推导出特高压换流站直流侧在全电压启动方式下的表达公式，得到此时换流站直流侧可能出现的最大过电压水平；以电磁暂态仿真程序EMTDC为计算工具，建立了较完整的±800kV 特高压换流站仿真模型，在大量仿真计算的基础上，结合换流站直流侧全启动过电压计算结果，得出换流站关键位置的最大全电压启动过电压以及相应避雷器的负载，针对换流站直流侧可能出现较严重全电压启动过电压情况提出了相应的抑制措施。

1 UHVDC 输电线路全电压启动过电压机理

为降低启动过程的过电压及减小启动时对两端交流系统的冲击，直流输电的正常启动应严格按照一定的顺序进行［8－15］。在回路完好、交直流开关设备全部投入且交流滤波器投入适量等条件满足后（触发延迟角α≥90°），先解锁逆变器，后解锁整流器，按照逆变侧定电压调节或定息弧角调节规律的要求，由调节器逐步升高直流电压至额定值，即所谓的“软启动”。

当逆变侧线路开路或逆变站各阀失去触发脉冲时，整流侧又由于启动控制装置发生故障，直流电压不能从零逐渐上升到额定值而是突然把电压升到最大，相当于在整流站的直流母线上施加了一个幅值为额定值的阶跃电压，这个电压将会在输电线上来回反射。由于输电线路的末端处于开路或近似开路状态，线路端部的电压将会大幅度上升，当线路首端电压高于整流站直流母线电压时，流经阀的电流将逐渐减小到零，使阀开断。整流站直流母线的电压将从阀开断前的额定值变成为开断后的线路首端电压，电压的跃变引起高频振荡，从而对阀构成威胁。

针对±800kV UHVDC输电系统，全电压启动过电压是其中最严重和最重要的一种，其幅值最大，造成的危害最大，在选择直流设备绝缘水平和制定过电压保护方案时往往以此为条件。全电压启动过电压的计算模型见图1a。

其中：E为直流电压源；D为单向导电的二极管，以模拟整流站和逆变站；R1、C1为整流站、逆变站内的等值阻抗；L为平波电抗器；C2为冲击吸收电容器；F为直流滤波器；R、L、C为线路单位长度的电阻、电感和电容；CN为中性母线侧过电压吸收电容。

由于全电压启动时整流侧全部导通，而逆变侧都截止，两侧的电容滤波器都可以忽略，电源E为恒压源，上述电路可化简为图1b。

直流输电线路控制系统故障后，整流桥的全部电压施加到线路上。当线路充电后，线路上出现的过电压在直流线路发生折反射。当线路末端开路时，直流线路端部的电压会大幅度上升，不仅如此，当线路整流侧阀极顶处电压高于换流阀正向导通电压时，流经换流阀的电流会逐渐减小，最后到零，使阀闭锁，此时可用开关的断开来模拟。这样，整流站直流母线电压将从阀开断前的额定值变成为开断后的线路首端电压，电压的跃变引起高频振荡，从而对阀构成了威胁，因此可以将来自直流线路操作过电压的发展过程分为两个阶段：第一个阶段从开关K闭合到第一次开断为止，为“充电阶段”；第二个阶段是开关K 开断后的一个短时间内直流母线上的高频振荡，为“振荡阶段”。

2 UHVDC 输电线路全电压启动过电压模型

某UHVDC输电系统交流母线额定电压为525 kV，使用金属氧化物避雷器模型，每极换流单元由2个12脉动换流器串联组成。该系统采用双极输送功率7 200 MW，电压等级为±800kV，直流线路长度约2 090km，导线截面为6×630 mm2。本文采用PSCAD／EMTDC，建立了该±800kV UHVDC输电系统过电压仿真模型（见图2）。

3 UHVDC 输电线路全启动过电压计算结果

3.1 理论分析结果

正常运行时，正极直流电压为［2］：

式 中：E为交流线电压有效值；Id为直流电流；Ra为整流侧等值换相电阻。

当避雷器不投入时发生全电压误启动，Id很小，所以：

图1 全电压启动过电压计算模型及简化电路模型

当该系统整流侧以小角度（5°）解锁，逆变侧阀全部闭锁时，由式（2）计算得直流正极电压最大值为2.1p.u。

3.2 仿真计算结果

3.2.1 无避雷器时全电压启动过电压

该±800kV UHVDC 输电系统整流侧以小角度解锁，逆变侧阀全部闭锁。全电压启动时整流侧正负极母线电压波形见图3（UP为正极电压，UN为负极电压）。

图3 无避雷器全电压启动时整流侧电压

从图3可以看出，正极电压最大瞬时值超过了2.17p.u.，稳态时过电压也保持在一个很高的数值。整流侧阀桥顶端、逆变侧阀桥顶端、逆变侧线路末端和上下12组脉动换流单元之间的连接母线都会产生很大的过电压。这是由于逆变侧闭锁后系统无功需求发生改变，整流侧交流母线电压大幅升高造成直流侧产生严重过电压，仿真结果与计算结果一致。在这种情况下UHVDC 输电系统在没有避雷器保护时接近线性系统，此时全电压启动过程中所有响应都随触发角α的余弦变化而变化。

3.2.2 有避雷器时全电压启动过电压

3.2.2.1 逆变侧闭锁时全电压启动过电压

当逆变侧闭锁，整流侧以小角度触发时直流侧会产生较为严重的过电压。逆变侧闭锁全电压启动时系统过电压情况见表1。

比较图3和表1可以看出，由于避雷器的限压作用，直流线路上的过电压标幺值大大降低，由原来的2.17p.u.降低到1.73p.u.。对相同触发角的情况，双极闭锁的过电压比单极闭锁时严重，这是因为双极闭锁时直流系统没有输送功率，整流侧交流母线上侧无功全部过剩，而单极闭锁时系统还有很大的无功需求。能量要求最大的避雷器是整流侧阀顶的直流避雷器，吸收的能量为4.88 MJ。单极闭锁时逆变侧直流避雷器吸收能量最大，这是因为线路的储能作用使逆变侧直流母线电压高于整流侧。双极闭锁时，由于整流侧交流母线上大量的功率要通过就近的避雷器释放，所以最大的避雷器通流出现在整流侧阀顶避雷器。触发角的大小对过电压幅值影响不大，但是对整流侧避雷器吸收的能量有很大影响。双极闭锁时，整流侧避雷器吸收的能量随触发角增大而减少。

表1 逆变侧闭锁全电压启动时系统过电压

3.2.2.2 直流线路断线时全电压启动过电压

当直流线路断线，整流侧以小角度触发时直流侧同样会产生严重的过电压。全电压启动时整流侧各个主要位置的最大过电压情况见表2。

表2 直流线路断线全电压启动时整流侧过电压

由表2可知，最大过电压出现在直流线路的末端，这是由于在断线位置电压波发生全反射，反射波叠加到原来的前行波上使过电压幅值增大。整流侧直流母线、阀桥顶端和上下12组脉动换流单元连接母线的最大过电压值都比双极闭锁时大；同时整流侧避雷器吸收的最大能量也比双极闭锁时大，这是因为断线时逆变侧避雷器不起作用，全部能量由整流侧避雷器释放。双极断线比单极断线的过电压情况严重得多，双极断线时对避雷器的通流能力提出了很高要求，避雷器最大需要释放能量为7.54 MJ。双极断线时，直流母线断线位置越接近整流侧，整流侧避雷器吸收的能量越大。安装避雷器后，直流线路断线全电压启动时整流侧电压典型波形见图4。

图4 装避雷器直流线路断线全电压启动时整流侧电压

4 结论

UHVDC输电线路全电压启动时会产生严重的过电压。若不考虑避雷器的限幅效果，整流侧阀桥顶端、逆变侧阀桥顶端、逆变侧线路末端和上下12组脉动换流单元之间的连接母线过电压值都将超过2.0p.u.。避雷器对UHVDC输电线路过电压有较好的抑制效果，在有避雷器保护的情况下，上述过电压幅值均下降到1.73p.u.。

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