CN104992014B - 柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，所述筛选方法包括以下步骤：步骤一、确定在未安装避雷器时各避雷器预安装点过电压的故障情况；步骤二、确定适用于电磁暂态仿真的避雷器模型；步骤三、安装避雷器后，确定故障工况下的过电压抑制效果、避雷器的应力和避雷器并联柱数；步骤四、确定该避雷器型号方案综合性能得分；步骤五、比较避雷器厂家提供的所有备选型号的避雷器综合性能得分，确定最佳型号方案。本发明兼顾了避雷器抑制过电压的效果和避雷器的价格成本，考虑了经济成本和避雷器的保护效果，合理评价每一型号避雷器的综合性能，从而确定避雷器型号的最优方案，具有实际工程意义，可广泛应用于电力系统输配电技术领域。

Description

柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法

技术领域

本发明涉及电力系统输配电技术领域，特别是涉及一种柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法。

背景技术

随着能源环境危机的不断加剧，包括大规模新能源在内的新形态电网是电力系统发展的主要趋势。由于柔性直流输电具有输电走廊窄、输送容量大、电压等级高、具有黑启动能力等优势，柔性直流输电工程在世界范围内得到了广泛的实践。柔性直流输电工程换流站的过电压与绝缘配合问题是实际直流工程中亟待解决的难题之一。目前直流换流站的过电压主要依靠避雷器进行抑制，因此避雷器侧配置方案和参数对于设备的绝缘水平和整个工程的造价成本具有很大的影响。

目前工程中，避雷器的布置原则已经明确，即交流侧故障由交流侧避雷器抑制，直流侧故障由直流侧避雷器抑制，关键设备靠紧邻该设备的避雷器进行保护，因此避雷器的布置方案已经较为成熟，主要安装于各个交直流母线、线路和关键设备对地或者两端，但是如何选取符合实际避雷器厂家生产技术要求的、经济性和安全性较好的避雷器参数以保护换流站设备、确定合理的电气设备绝缘水平是工程中亟待解决的难题之一。

目前国家标准仅对交流无间隙金属氧化物避雷器做了相关规定(GB11032-2010)，而对柔性直流输电工程中所用的直流无间隙金属氧化物避雷器参数尚无依据可循，已有的研究中多是凭借经验直接给出了避雷器的参数，避雷器参数是否最优、是否符合工程实际情况不得而知。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，兼顾了避雷器抑制过电压的效果和避雷器的价格成本，考虑了经济成本和避雷器的保护效果，合理评价每一型号避雷器的综合性能，从而确定避雷器型号的最优方案，具有较强的工程实际意义。

本发明提供的一种柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，所述筛选方法包括以下步骤：步骤一、确定在未安装避雷器时各避雷器预安装点过电压的故障情况；步骤二、确定适用于电磁暂态仿真的避雷器模型；步骤三、安装避雷器后，确定故障工况下的过电压抑制效果、避雷器的应力和避雷器并联柱数；步骤四、确定该避雷器型号方案综合性能得分；步骤五、比较避雷器厂家提供的所有备选型号的避雷器综合性能得分，确定最佳型号方案。

在上述技术方案中，所述步骤一包括以下子步骤：1.1建立柔性直流输电工程过电压计算电磁暂态模型；1.2根据已经确定的避雷器布置方案，确定各避雷器预安装位置的电压观测点；1.3进行交直流侧故障扫描，确定各避雷器预安装位置点过电压故障和对应的电压最大值U_max。

在上述技术方案中，所述子步骤1.3中，交直流侧故障扫描包括了换流变一次侧和二次侧的单相接地故障、两相接地故障、两相相间短路故障、三相短路故障、换流阀的桥臂短路故障、桥臂与电抗器之间对地故障、直流母线短路故障、直流极线短路故障和断线故障以及接地极失效故障。

在上述技术方案中，所述步骤二中，适用于电磁暂态仿真的避雷器模型的建模方法包括以下子步骤：2.1根据厂家提供的不同型号避雷器，提取各型号避雷器参考电流、参考电压、最大允许放电电流、最大吸收能量以及各标称放电电流下的残压与价格的参数；2.2采用分段指数拟合方法，根据2.1中的参数拟合各个型号避雷器的伏安特性，得到适用于过电压电磁仿真的避雷器模型。

在上述技术方案中，所述步骤三包括以下子步骤：3.1确定故障条件下的单柱避雷器的配合电流和吸收能量，如果超过了单柱避雷器的最大配合电流应力，则避雷器柱数加1，确定故障条件下增加了避雷器柱数后的单柱避雷器的配合电流和吸收能量，直到达到所述单柱避雷器压力释放能力以下，确定避雷器并联柱数N；3.2确定故障条件下避雷器安装点过电压的下降幅度U。

在上述技术方案中，所述步骤四包括以下子步骤：4.1避雷器抑制过电压效果D为避雷器安装点过电压下降幅度U/U_max，D＝U/U_max——公式1；4.2避雷器价格成本C为避雷器并联柱数N与单柱避雷器价格P的乘积N*P，C＝N×P——公式2；4.3通过抑制过电压效果D与价格成本C的比值确定该型号避雷器的综合性能得分θ，——公式3。

本发明柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，具有以下有益效果：所述筛选方法从避雷器抑制过电压效果和价格成本两个方面评价避雷器的综合性能，所用避雷器参数均来自避雷器厂家实际参数，因而该方法具有很强的工程实际意义，为柔性直流输电换流站的避雷器选择最佳型号方案提供参考建议，适用于已经确定避雷器布置方案但是未确定避雷器型号、并正在选择最优的避雷器型号方案的柔性直流输电换流站。

附图说明

图1为本发明柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法的流程示意图；

图2为本发明步骤一中子步骤1.1适用于电磁暂态仿真的避雷器模型结构示意图；

图3为本发明步骤一中子步骤1.2的避雷器布置方案的结构示意图；

图4为本发明中避雷器DL在故障条件下的过电压波形图；

图5为本发明步骤二中子步骤2.2七种避雷器伏安特性拟合结果的函数示意图；

图6为本发明实施例中的七种型号避雷器的综合性能评价结果的函数示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

参见图1，本发明柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，所述筛选方法包括以下步骤：

步骤一、确定在未安装避雷器时各避雷器预安装点过电压的故障情况，具体过程如下：

1.1建立柔性直流输电工程过电压计算电磁暂态模型；

1.2根据已经确定的避雷器布置方案，确定各避雷器预安装位置的电压观测点；

1.3进行交直流侧故障扫描，确定各避雷器预安装位置点过电压故障和对应的电压最大值U_max，其中，交直流侧故障扫描包括了换流变一次侧和二次侧的单相接地故障、两相接地故障、两相相间短路故障、三相短路故障、换流阀的桥臂短路故障、桥臂与电抗器之间对地故障、直流母线短路故障、直流极线短路故障和断线故障以及接地极失效故障；

步骤二、确定适用于电磁暂态仿真的避雷器模型，具体过程如下：

2.1根据厂家提供的不同型号避雷器，提取各型号避雷器参考电流、参考电压、最大允许放电电流、最大吸收能量以及各标称放电电流下的残压与价格的参数；

2.2采用分段指数拟合方法，根据2.1中的参数拟合各个型号避雷器的伏安特性，得到适用于过电压电磁仿真的避雷器模型；

步骤三、安装避雷器后，确定故障工况下的过电压抑制效果、避雷器的应力和避雷器并联柱数，具体过程如下：

3.1确定故障条件下的单柱避雷器的配合电流和吸收能量，如果超过了单柱避雷器的最大配合电流应力，则避雷器柱数加1，确定故障条件下增加了避雷器柱数后的单柱避雷器的配合电流和吸收能量，直到达到所述单柱避雷器压力释放能力以下，确定避雷器并联柱数N；

3.2确定故障条件下避雷器安装点过电压的下降幅度U；

步骤四、确定该避雷器型号方案综合性能得分，具体过程如下：

4.1避雷器抑制过电压效果D为避雷器安装点过电压下降幅度U/U_max，

D＝U/U_max——公式1；

4.2避雷器价格成本C为避雷器并联柱数N与单柱避雷器价格P的乘积N*P，

C＝N×P——公式2；

4.3通过抑制过电压效果D与价格成本C的比值确定该型号避雷器的综合性能得分θ，

——公式3；

步骤五、比较避雷器厂家提供的所有备选型号的避雷器综合性能得分，确定最佳型号方案。

实施例

此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提出的评价柔性直流输电换流站避雷器综合性能的步骤如图1所示。

步骤一：1.1本发明的应用场景：在PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer AidedDesign/Electromagnetic Transients including DC，PSCAD/EMTDC是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件，EMTDC是其仿真计算核心)中搭建了某柔性直流输电工程的过电压电磁暂态模型，如图2所示。该直流输电工程连接两个230kV的交流电网，直流侧额定电压为±320kV，采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，直流侧接线方式为双极接线，采用金属回流线。工程的主要参数如表1所示。

表1工程主要参数

1.2该柔性直流输电工程的避雷器布置方案如图3所示。避雷器根据安装位置主要包括：

联结变网侧交流避雷器A，安装在换流站交流母线和联结变压器交流网侧，主要用于限制交流侧由于各种原因产生的暂时过电压和操作过电压，也能限制由交流侧产生再经联结变压器传递到直流侧的过电压；

联结变阀侧交流避雷器AV，安装在联结变压器阀侧，对联结变压器阀侧绕组提供直接保护，限制换流变阀侧绕组过电压；

阀底避雷器LV，安装与桥臂电抗器与阀之间，保护桥臂电抗和子模块级联阀，限制阀底过电压；

直流母线避雷器DB，安装在直流平波电抗器阀侧直流母线，主要用于直接保护该处的直流母线、穿墙套管等相关设备；

直流极线避雷器DL，安装于直流电抗器线路侧，用于限制换流站直流线路由于故障和操作等引起的过电压，也可限制直流侧的雷电过电压；

金属回线避雷器CBN，安装于金属回线上，保护金属回线。

各避雷器的安装位置已定，但是各避雷器的参数未定。针对每一种避雷器，避雷器厂家提供了若干组避雷器型号可供选择，接下来阐述本发明用于确定最佳避雷器型号的步骤。

现以直流极线避雷器DL为例，具体阐述避雷器DL综合性能评价流程，确定DL避雷器的最优型号的方法。

1.3对于该避雷器DL安装点，通过对过电压电磁暂态模型进行故障扫描，扫描的故障包括交直流侧各类故障，即交流母线金属性接地故障、换流变阀侧母线金属性接地故障(单相接地、两相接地、两相相间短路和三相接地)、半桥臂短路故障、阀底与电抗器之间对地短路故障、直流母线单双极短路故障、直流极线中点处双极短路故障、直流极线断线故障以及一侧换流站失去接地故障。对于交流母线故障，设置故障持续时间为100ms，交流断路器不断开，换流器不闭锁；对于阀侧故障，设置故障为永久性故障，故障2ms后换流器闭锁，故障100ms后交流断路器断开。对于各类故障下该安装点处过电压大小进行排序，确定该点过电压最严重的最严苛故障为换流站换流阀阀底与电抗器之间对地短路故障，相应的过电压波形如图4所示，确定该安装点过电压最大值U_max为896.14kV。

步骤二：2.1避雷器厂家提供的7种避雷器参数如表2所示，参数表包括了避雷器的额定电压、伏安特性、最大吸收能量、最大允许放电电流、价格等参数。

表2避雷器DL备选型号参数表

2.2根据表2所示的避雷器的额定电压和伏安特性，采用分段指数拟合方法，拟合各避雷器残压标幺值与通过避雷器电流的关系，对7种型号的避雷器伏安特性拟合如图5所示。将该伏安特性曲线作为PSCAD/EMTDC软件中避雷器模型的伏安特性参数输入，确定了该避雷适用于过电压电磁暂态仿真的模型。其中，对于各避雷器伏安特性的主非线性段拟合结果为：

步骤三：在过电压电磁暂态模型中分别应用步骤(二)中的避雷器型号的电磁暂态模型，再次仿真换流站换流阀阀底与电抗器之间对地短路故障，确定该最严苛故障工况下各型号避雷器的过电压抑制效果，各型号避雷器的应力(最大配合电流和最大吸收能量)和最小的并联柱数，如表3所示。

表3最严苛故障下各型号避雷器抑制过电压幅度、应力水平和并联柱数

步骤四：4.1根据公式1，计算七种型号避雷器的抑制过电压效果D，如表4所示。

4.2根据公式2，计算七种型号避雷器的价格成本C。由于单柱避雷器的配合电流均在避雷器耐流能力以下，因此单柱避雷器即满足要求。计算出来的价格成本结果如表4所示。

4.3根据公式3，计算七种型号避雷器的综合性能得分θ，如表4所示。

表4七种避雷器的抑制过电压效果、价格成本和综合性能

型号	抑制过电压效果D	价格成本C	综合性能θ
				a	20.18％	2.6700	0.0756
b	20.62％	2.8200	0.0731
				c	18.97％	3.2400	0.0585
d	19.09％	3.3500	0.0570
				e	19.17％	3.6100	0.0531
f	17.40％	4.2200	0.0412
				g	17.45％	4.4300	0.0394

步骤五：七种避雷器的抑制过电压效果、价格成本和综合性能如表4和图6所示，图6中的点在三个坐标轴上的投影对应的数值分别表示抑制过电压效果、价格成本和综合性能。可以看到，a型号避雷器的综合性能得分最高，因此对于该柔性直流输电工程直流极线避雷器DL，在避雷器厂家提供的备选避雷器型号中，a型号避雷器的综合性能最优，该型号避雷器为最佳避雷器方案。该最优方案考虑到了避雷器对于该安装点潜在最恶劣过电压的抑制效果、避雷器的价格成本等因素，考虑了技术性和经济性两个方面。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，其特征在于：所述筛选方法包括以下步骤：

步骤一、确定在未安装避雷器时各避雷器预安装点过电压的故障情况；

步骤二、确定适用于电磁暂态仿真的避雷器模型；

步骤三、安装避雷器后，确定故障工况下的过电压抑制效果、避雷器的应力和避雷器并联柱数；

步骤四、确定该避雷器型号方案综合性能得分；

步骤五、比较避雷器厂家提供的所有备选型号的避雷器综合性能得分，确定最佳型号方案。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，其特征在于：所述步骤一包括以下子步骤：

1.1建立柔性直流输电工程过电压计算电磁暂态模型；

1.2根据已经确定的避雷器布置方案，确定各避雷器预安装位置的电压观测点；

1.3进行交直流侧故障扫描，确定各避雷器预安装位置点过电压故障和对应的电压最大值U_max。

3.根据权利要求2所述的柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，其特征在于：所述子步骤1.3中，交直流侧故障扫描包括了换流变一次侧和二次侧的单相接地故障、两相接地故障、两相相间短路故障、三相短路故障、换流阀的桥臂短路故障、桥臂与电抗器之间对地故障、直流母线短路故障、直流极线短路故障和断线故障以及接地极失效故障。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，其特征在于：所述步骤二中，适用于电磁暂态仿真的避雷器模型的建模方法包括以下子步骤：

2.1根据厂家提供的不同型号避雷器，提取各型号避雷器参考电流、参考电压、最大允许放电电流、最大吸收能量以及各标称放电电流下的残压与价格的参数；

2.2采用分段指数拟合方法，根据2.1中的参数拟合各个型号避雷器的伏安特性，得到适用于过电压电磁仿真的避雷器模型。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，其特征在于：所述步骤三包括以下子步骤：

3.1确定故障条件下的单柱避雷器的配合电流和吸收能量，如果超过了单柱避雷器的最大配合电流应力，则避雷器柱数加1，确定故障条件下增加了避雷器柱数后的单柱避雷器的配合电流和吸收能量，直到达到所述单柱避雷器压力释放能力以下，确定避雷器并联柱数N；

3.2确定故障条件下避雷器安装点过电压的下降幅度U。

6.根据权利要求5所述的柔性直流输电换流站避雷器型号的筛选方法，其特征在于：所述步骤四包括以下子步骤：

4.1避雷器抑制过电压效果D为避雷器安装点过电压下降幅度U/U_max，

D＝U/U_max——公式1；

4.2避雷器价格成本C为避雷器并联柱数N与单柱避雷器价格P的乘积N*P，

C＝N×P——公式2；

4.3通过抑制过电压效果D与价格成本C的比值确定该型号避雷器的综合性能得分θ，

<mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mfrac> </mrow> ——公式3。 2