CN107370134A - 一种用于降低特高压直流输电线路直流滤波器过电压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于降低特高压直流输电线路直流滤波器过电压的方法，属于电力系统继电保护技术领域。当特高压直流输电线路交流侧或直流极线发生接地故障时，提取直流滤波器上产生的过电压，将提取出的过电压进行分析比较，并利用故障时不同因素造成过电压的差异来确定避雷器参数配置及安装位置。本发明提高了避雷器的可靠性，降低了直流滤波器承受较高过电压的几率，从而降低了直流滤波器的投入成本。

Description

一种用于降低特高压直流输电线路直流滤波器过电压的方法

技术领域

本发明涉及一种用于降低特高压直流输电线路直流滤波器过电压的方法，属于电力系统 继电保护技术领域。

背景技术

目前国内已投入了多条高压、特高压直流输电线路，对于线路上内过电压的保护主要集 中于交流母线、换流站阀厅以及直流极线上，因此避雷器的参数配置主要考虑上述三种过电 压出现的情况。因而对于较小的设备诸如直流滤波器则考虑的较少且不够细致，造成其过电 压保护的灵敏度不足以及可靠性不够高等缺点。从而当交流侧接地故障或直流极线一极接地 故障时，容易造成直流滤波器过电压较大而导致其不正常工作甚至损坏。为了防止过电压对 直流滤波器的损坏，对直流滤波器的可靠性提出了较高要求，从而间接提升了成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于降低特高压直流输电线路直流滤波器过电压的 方法，利用该方法实现的避雷器配置方案具有较高的可靠性和精确性，有效地解决高压直流 线路上直流滤波器过电压保护精确度不高的问题。减小了直流避雷器承受过电压的水平，降 低了直流避雷器出现较大过电压的风险，减少了直流避雷器设备的投入成本。

本发明的技术方案是：一种用于降低特高压直流输电线路直流滤波器过电压的方法，当 特高压直流输电线路交流侧或直流极线发生接地故障时，提取直流滤波器上产生的过电压， 将提取出的过电压进行分析比较，并利用故障时不同因素(接地故障地点、接地电阻)造成 过电压的差异来确定避雷器参数配置及安装位置。

具体步骤如下：

(1)当特高压直流输电线路交流侧或直流极线发生接地故障时，提取直流滤波器上 产生的过电压，分析过电压特点判别故障类别；

(2)若提取过电压中，检测出直流滤波器上只有C₁上有过电压，则判断为交流侧接地 故障，在C₁端安装避雷器；

(3)若提取过电压中，检测出直流极线健全极一侧的直流滤波器C₁上有较大过电压， 而故障极一侧L₁上有过电压产生，则判断为直流极线接地故障，分别在健全极与故障极产生 过电压处安装避雷器；

(4)通过仿真实验，设置直流极线故障时接地地点不同，安装避雷器地点按以下条件筛 选：

以极线中点故障时产生过电压为标准，若某一点高于此过电压则选择安装避雷器，若低 于此过电压则不安装避雷器。

本发明的有益效果是：

1、对直流输电线路一极接地故障时，故障级与非故障级直流滤波器上不同元件过电压进 行比较，依据此进行避雷器配置。提高了避雷器保护的精确度。

2、综合考虑两种故障进行避雷器配置方式的选取，能够提高避雷器保护的可靠性，有效 降低直流滤波器上的过电压。

3、由于提高了避雷器的可靠性，降低了直流滤波器承受较高过电压的几率，从而降低了 直流滤波器的投入成本。

附图说明

图1是本发明云广±800kV直流输电系统结构图；

图2(a)是本发明12/24(12/36)双调谐直流滤波器的示意图，图(b)为加装避雷器时直流滤波器的示意图；

图3是本发明双极直流输电系统的正序、零序分解图；

图4是本发明直流极线接地故障地点对过电压影响的示意图；

图5是本发明交流侧单相接地故障时复合序网图；

图6是本发明交流侧单相接地故障时健全相的电压升高与X₀/X₁的关系曲线图；

图7是本发明电磁传导等效电路模型图；

图8是本发明线圈间耦合电路模型图；

图9是本发明直流输电线路接地故障接地点位置示意图；

图10是本发明直流极线负极不同接地点位置发生接地故障时，正极线路过电压的情况示 意图；

图11是本发明接地电阻对过电压的影响情况示意图；

图12是本发明交流侧接地故障时，直流滤波器C₁两端与L₁对地电压情况图；其中(a) 为C₁两端整流侧与逆变侧的过电压情况图，(b)为L₁对地电压情况图；

图13是本发明直流极线负极接地故障时，非故障极12/36滤波器C₁两端整流侧与逆变 侧过电压情况图；其中(a)为a点故障图，(b)为b点故障图；

图14是本发明直流极线负极接地故障时，负极接地故障时故障极12/24与12/26直流 滤波器L₁对地电压图，其中图(a)、(b)、(c)、(d)依次为a、b、c、d处接地故障示意图；

图15是本发明四种避雷器方案，直流滤波器上C₁两端过电压情况图；其中方案一为不 加避雷器情况；方案二为避雷器参数只考虑直流极线接地故障时；方案三为为避雷器参数只 考虑交流侧接地故障时；方案四是避雷器参数综合考虑方案而与方案三时。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种用于降低特高压直流输电线路直流滤波器过电压的方法，当特高压直流输电线路交 流侧或直流极线发生接地故障时，提取直流滤波器上产生的过电压，将提取出的过电压进行 分析比较，并利用故障时不同因素(接地故障地点、接地电阻)造成过电压的差异来确定避 雷器参数配置及安装位置。

具体步骤如下：

(1)当特高压直流输电线路交流侧或直流极线发生接地故障时，提取直流滤波器上 产生的过电压，分析过电压特点判别故障类别；

(2)若提取过电压中，检测出直流滤波器上只有C₁上有过电压，则判断为交流侧接地 故障，在C₁端安装避雷器；

(3)若提取过电压中，检测出直流极线健全极一侧的直流滤波器C₁上有较大过电压， 而故障极一侧L₁上有过电压产生，则判断为直流极线接地故障，分别在健全极与故障极产生 过电压处安装避雷器；

(4)通过仿真实验，设置直流极线故障时接地地点不同，安装避雷器地点按以下条件筛 选：

以极线中点故障时产生过电压为标准，若某一点高于此过电压则选择安装避雷器，若低 于此过电压则不安装避雷器。

(5)通过仿真实验，在需安装避雷器的位置及需要避雷器的数量上，按以下条件筛选： 以安装避雷器后过电压下降程度及经济成本最优化为标准。

1、直流输电线路一极接地故障

故障后相当于在直流系统的逆变侧施加了一个外部电源E如图3，正电压E串联施加在 零序和正序网络中，这个电压的大小在故障初始阶段到反射波返回后这段时间内正比于施加 点的阻抗，因此它的大小为：

式中Z₀、Z₁为直流输电线路的零序和正序波阻抗，V₀、V₁分别为零序和正序电压初始值。

相应的电压变化为：

ΔV_a＝V₀+V₁＝E

式中：ΔV_a为正极电压变化情况，ΔV_b为负极电压变化情况。

由稳态条件可以得出故障后初始时刻总的极线对地电压为：

V_a＝E+ΔV_a＝E+E＝0

式中：V_a为正极电压，V_b为负极电压。

因此，可得出高压直流输电系统处于双极运行方式下时，由于两极直流线路之间存在着 互感、耦合电容等电磁联系，因此当一极线路发生接地故障时，会在另一极(健全极)线路上 产生电压突变，叠加在该极正常电压上面，从而形成过电压。而从式也可看出健全极过电压 产生于C₁两端，而故障极产生于L₁上。

2、直流输电线路接地地点对过电压的影响

双极线路a极接地故障后，b极线电压故障分量可以分解为向整流侧和逆变侧传播的正 序和零序分量，其中整流侧流向逆变侧为正方向，如图4所示，虚线箭头表示反向行波经过 整流侧折反射之后到达M点的路径，实线箭头表示正向行波经过逆变侧折反射之后到达M 点的路径。根据行波传播原理，当正向行波分量和反向行波分量在线路上同时到达某点，会 在该点会产生过电压最大值，当正向行波和反向行波分量会同时到达M点，这时M点的 过电压情况最严重，所以对于理想双极直流线路，线路沿线故障时各故障点的最大过电压会 出现在线路对称点处。

且经过故障点反射之后会产生新的正序分量和零序分量，由于零序电压波速低于正序电 压波速，首先到达的正序电压波成为影响健全极过电压的主要影响因素。而对于线路中点而 言，由于是边界情况，可认为正向行波和反向行波在未经过故障点折反射时就已经同时到达， 非线路中点故障时，经过故障点反射后的模量幅值会减小，最后叠加产生的过电压幅值也会 减小，因而在线路中点故障时健全极中点过电压幅值最高。

为了研究线路其他点故障时健全极的过电压情况，以靠近整流侧为例，当l₁越小时，V_r1和V_r0的幅值差距越小，两者到达故障点的时间相差也越小，经过故障点反射之后，V_r0-1(V_r0的反射电压)的幅值也越大，而且距离V_r1-1(V_r1的反射电压)越小，由于V_r0-1对V_m1(M点 反射)的幅值会起到衰减的作用，因而导致健全极的过电压幅值减小。由线路对称性可知， 越靠近线路两侧故障，健全极产生的过电压幅值越小。由图10可看出，接地故障地点对过电 压的影响情况。

图13与图14分别为健全极与故障极直流滤波器过电压情况，可看出需要区分故障极与 非故障极过电压产生的部位不同，因此避雷器配置也需要进行相应的设计。

3、直流输电线路交流侧接地故障

假设在某一时刻系统A相发生了接地故障，根据其边界条件:U_A＝0、I_B＝I_C＝0。可以 得出复合时序图4。

式中：I₁、I₂、I₃分别为正序、负序和零序电流。Z₁、Z₂、Z₃分别为正序、负序和零 序阻抗。

U₁＝E_ΑI₁Z₁,U₂＝I₂,U₀＝I₀Z₀ (8)

式中：U₁、U₂、U₃为正序、负序和零序电压。

非故障相的电压为：

其中，

将(8)带入(9)中，可得

对于高压直流输电系统，其电源容量较大，可以将Z₁与Z₂看做相等并且忽略阻抗分量. 则(10)公式可改写成：

式中：x₀、x₁为零序、正序电抗，U_B、U_C为非故障B、C相电压。

用模量表达式可写为：

其中的K即为接地系数，表示单相接地的时候，非故障相的最高对地工频电压有效值与 无故障时对地电压有效值之比。而其值决定与接地方式，因此被称为接地系数如图5。

4、交流侧经换流变传递到直流侧的过电压

高压直流输电系统交流侧产生的过电压会经由换流变传递到直流侧，传递方式主要有换 流变内部电磁和静电感应的作用。先考虑电磁感应如图6，图中各元件分别表示L₁、L₂线圈 的漏电感；r₁、r₂为线圈的漏电阻；L_m为换流变的励磁电感。

假定换流变直流侧空载，换流变交流侧过电压U₁(t)经换流变折到直流侧为U₁(t)/k。则 可推导出电磁传导到直流侧的过电压：

再考虑静电感应传递，假设电容参数沿着线圈绕组均匀分布，局部线圈电容在换流变交、 直流侧的耦合等效电路图如图7。

图中各元件C₁和C₂为换流变压器线圈的对地电容值；C₁₂为交直流侧线圈间耦合电容。 分析图可得静电感应在换流变直流变耦合产生的过电压为：

叠加两者的电压最后可得交流侧传递到直流侧的过电压：

交流侧传递到直流侧从而能造成直流滤波器上过电压的产生。由图12(a)可见，交流 侧引起的直流滤波器过电压主要集中于C₁两端。由图12(b)可见，电感对地过电压在允许 波动范围内。因此交流侧接地故障避雷器主要配置于C₁两端，过电压幅值水平程度较高，参 数选取上依照可靠性原则。

实施例1：仿真模型如图1所示,本发明利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件构建了特高压直流输电线路电磁暂态仿真模型，其中直流滤波器采用12/36、与12/24双调谐 两种型号，仿真时间长度为1ms。

(1)高压直流输电系统直流线路负极接地故障时，根据公式

式中：Z₀、Z₁为直流输电线路的零序和正序波阻抗；V_b为负极电压；

在直流极线负极接地故障时，故障极直流滤波器上主要为C₁两端经受过电压，所以选择 在C₁侧加装避雷器。而当接地故障地点变化时，过电压最大与最小值相差约为186kV，避雷 器参数选取满足灵敏度原则。具体仿真数据见下表1。表1为直流线路负级接地故障时非故 障极直流滤波器过电压。

表1直流线路负级接地故障时非故障极直流滤波器过电压

而非故障极过电压主要集中与L₁上，则对于非故障极避雷器主要安装于L₁侧，选取原则 满足可靠性。具体仿真数据见下表2，表2为直流线路负级接地故障时故障极直流滤波器过 电压。

表2直流线路负级接地故障时故障极直流滤波器过电压

(2)高压直流输电线路交流侧接地故障时，有公式

式中：U_B、U_C为非故障B、C相电压，X₀、X₁为零序与正序电抗。

可知，在非故障极将会产生过电压。且由公式

可知，非故障极过电压将会传递到直流侧从而影响直流滤波器。交流侧单相接地故 障正极直流滤波器上过电压见下表3，表3为交流侧单相接地故障直流滤波器过电压。依据此表参数，避雷器安装位置集中在C₁侧。

表3为交流侧单相接地故障直流滤波器过电压

(3)将高压直流输电线路负极接地故障与交流侧接地故障时，所造成的直流滤波器上过 电压差异进行比较。例如直流极线不同地点接地故障时过电压水平有差值，则选取原则上优 先考虑可靠性。而两种不同故障发生时，直流滤波器上C₁与L₁上所产生的过电压特点不同， 依据其不同特点选择满足灵敏度来配置避雷器。

根据实验具体效果入下表：为直流极线接地故障时，正极整流侧直流滤波器过电压情况。 其中方案一为不加避雷器情况；方案二为避雷器参数只考虑直流极线接地故障时；方案三为 为避雷器参数只考虑交流侧接地故障时；方案四是避雷器参数综合考虑方案而与方案三时。 由下表4及图14可见本发明能够有效降低直流滤波器上过电压水平，提高避雷器的可靠性与 灵敏性。

表4不同方案过电压降低水平

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方 式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出 各种变化。

Claims (2)

1.一种用于降低特高压直流输电线路直流滤波器过电压的方法，其特征在于：当特高压直流输电线路交流侧或直流极线发生接地故障时，提取直流滤波器上产生的过电压，将提取出的过电压进行分析比较，并利用故障时不同因素造成过电压的差异来确定避雷器参数配置及安装位置。

2.根据权利要求1所述的用于降低特高压直流输电线路直流滤波器过电压的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)当特高压直流输电线路交流侧或直流极线发生接地故障时，提取直流滤波器上产生的过电压，分析过电压特点判别故障类别；

(2)若提取过电压中，检测出直流滤波器上只有C₁上有过电压，则判断为交流侧接地故障，在C₁端安装避雷器；

(3)若提取过电压中，检测出直流极线健全极一侧的直流滤波器C₁上有较大过电压，而故障极一侧L₁上有过电压产生，则判断为直流极线接地故障，分别在健全极与故障极产生过电压处安装避雷器；

(4)通过仿真实验，设置直流极线故障时接地地点不同，安装避雷器地点按以下条件筛选：

以极线中点故障时产生过电压为标准，若某一点高于此过电压则选择安装避雷器，若低于此过电压则不安装避雷器。