CN110112721B - 一种直流配电网系统内部过电压防护系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流配电网系统内部过电压防护方法及依照该防护方法搭建的直流配电网系统内部过电压防护系统。该方法对直流配电网系统内部的避雷器按照如下原则进行配置：1)交流侧过电压由交流侧避雷器限制；2)直流侧过电压由直流侧避雷器限制；3)系统关键设备由紧靠它的避雷器直接保护。依照该防护方法搭建的直流配电网系统内部过电压防护系统包括配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压交流端口、多端口电力电子变压器的中压直流端口、多端口电力电子变压器的低压交流端口、多端口电力电子变压器的低压直流端口、电压源换流器、直流断路器。

Description

一种直流配电网系统内部过电压防护系统与方法
技术领域
本发明涉及直流配电领域，特别涉及一种直流配电网系统内部过电压防护系统与方法。
背景技术
过电压分外过电压和内过电压两大类。外过电压又称雷电过电压、大气过电压，由大气中的雷云对地面放电而引起。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。直击雷过电压是雷闪直接击中电工设备导电部分时所出现的过电压，直击雷过电压幅值可达上百万伏。感应雷过电压是雷闪击中电工设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备(包括二次设备、通信设备)上感应出的过电压。
内过电压又称操作过电压，主要可分为暂态过电压、操作过电压和谐振过电压。暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升高。操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时间较短的过电压。谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电压。
电力系统的操作、截流、谐振及雷击等产生的过电压时刻都在威胁着电气设备的绝缘及电力系统的安全运行，过电压的侵入会破坏电工设施绝缘，引起短路接地故障，甚至容易引起事故扩大而造成电力系统的大面积停电。当前，中压直流配电是配电网发展的热门方向，而目前缺乏对于直流配电系统过电压防护的有效方案，因此对于直流配电网内部过电压的防护进行深入研究，采用有效方法，建立可靠系统进行防护，对于输电配电设备的安全以及供电的稳定会起到积极的作用。
发明内容
针对以上问题，本发明公开了一种直流配电网系统内部过电压防护方法，通过在直流配电网系统内部加设避雷器来防护过电压，避雷器按照以下原则进行配置：1)交流侧过电压由交流侧避雷器限制；2)直流侧过电压由直流侧避雷器限制；3)系统内包括有交直流母线、换流变压器、桥臂、电抗器、直流电平变换单元的关键设备由紧靠它的避雷器直接保护。本方法应用于直流配电网系统内部包括多端口电力电子变压器、电压源换流器、直流断路器的设备。
根据所述配置原则1)、3)，在多端口电力电子变压器中压交流端口对外接口侧靠近换流变压器位置上设置避雷器，同时在桥臂电抗器连接桥臂一侧靠近桥臂电抗器位置上设置避雷器。
根据所述配置原则2)、3)，在多端口电力电子变压器中压直流端口对外接口侧正负极两端分别靠近直流电平变换单元位置上设置避雷器。
根据所述配置原则2)，在多端口电力电子变压器低压直流端口对外接口侧正负极两端分别设置避雷器。
根据所述配置原则1)、3)，在多端口电力电子变压器低压交流端口三相线路上电抗器连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器。
根据所述配置原则1)、2)、3)，在电压源换流器的直流端对外接口侧正负极两端分别设置避雷器，同时在电压源换流器的交流端口三相线路上电抗器连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器。
根据所述配置原则2)、3)，在直流断路器连接线路一侧加装避雷器。
另外，本发明同时公开了一种依照上述防护方法搭建的直流配电网系统内部过电压防护系统，系统包括在交流侧靠近换流变压器及桥臂电抗器位置上配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压交流端口、在直流端口侧配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压直流端口、在交流侧靠近电抗器位置上配置有避雷器的多端口电力电子变压器的低压交流端口、在直流端口侧配置有避雷器的多端口电力电子变压器的低压直流端口、在交流侧靠近电抗器位置上以及直流侧均配置有电压源换流器、在直流线路侧配置有避雷器的直流断路器。
系统当中多端口电力电子变压器的中压交流端口为三相结构，每相均通过桥臂电抗器连接有上下对称的两个桥臂，每个桥臂由若干结构相同的功率子模块串联而成；其中，与第一桥臂相连的桥臂电抗器为第一桥臂电抗器，配置于第一桥臂位置的避雷器为第一避雷器，与第二桥臂相连的桥臂电抗器为第二桥臂电抗器，配置于第二桥臂位置的避雷器为第二避雷器，与第三桥臂相连的桥臂电抗器为第三桥臂电抗器，配置于第三桥臂位置的避雷器为第三避雷器，与第四桥臂相连的桥臂电抗器为第一桥臂电抗器，配置于第四桥臂位置的避雷器为第四避雷器，与第五桥臂相连的桥臂电抗器为第五桥臂电抗器，配置于第五桥臂位置的避雷器为第五避雷器，与第六桥臂相连的桥臂电抗器为第六桥臂电抗器，配置于第六桥臂位置的避雷器为第六避雷器；第一、第二桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的A相连接，第三、第四桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的B相连接，第五、第六桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的C相连接；
各桥臂在系统内的连接关系如下：第一桥臂的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，第一桥臂的第二端与第三、第五桥臂的第二端相连，第二桥臂的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，第二桥臂的第二端与第四、第六桥臂的第二端相连，第三桥臂的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，第三桥臂的第二端与第一、第五桥臂的第二端相连，第四桥臂的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，第四桥臂的第二端与第二、第六桥臂的第二端相连，第五桥臂的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，第五桥臂的第二端与第一、第三桥臂的第二端相连，第六桥臂的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，第六桥臂的第二端与第二、第四桥臂的第二端相连；
各避雷器在系统内的连接关系如下：第一避雷器的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，第一避雷器的第二端接地，第二避雷器的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，第二避雷器的第二端接地，第三避雷器的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，第三避雷器的第二端接地，第四避雷器的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，第四避雷器的第二端接地。第五避雷器的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，第五避雷器的第二端接地，第六避雷器的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，第六避雷器的第二端接地，中压交流端口中换流变压器的一次侧为线路侧，连接外部线路；二次侧为系统侧，连接系统内部，第七避雷器的第一端连接在换流变压器线路侧靠近换流变压器位置上，第二端接地。
系统当中多端口电力电子变压器的中压直流端口包含有多个直流电平变换单元，每个直流电平变换单元可以分为低压侧和中压侧两部分，在中压侧，直流电平变换单元的第一输入端连接上一个直流电平变换单元的第二输入端，其中第一个直流电平变换单元的第一输入端连接中压直流端口的一端，最后一个直流电平变换单元的第二输入端连接中压直流端口的另一端，在低压侧，直流电平变换单元的第一输出端接入变压器内部正极母线，直流变换单元的第二输出端接入变压器内部负极母线，在中压直流端口对外接口两端靠近直流电平变换单元位置上分别设置避雷器并接地。
系统当中多端口电力电子变压器的低压直流端口中主要包括有IGBT模块、内部正负极母线、电容、电阻；内部正负极直流母线分别通过两组两两并联的IGBT模块通往输出端，输出端加设电容电阻接地线，在对外接口正负极两端分别设置避雷器并接地。
系统当中多端口电力电子变压器的低压交流端口主要包括有IGBT模块、电抗器、换流变压器；变压器系统内部正负极直流母线分别通过三组两两并联的IGBT模块，分别连接低压交流端口三相电路中电抗器的第一端，三相电路中电抗器的第二端与换流变压器的第一端系统侧相连，换流变压器的第二端线路侧连接外部线路，在低压交流端口三相线路上电抗器第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器并接地。
系统当中电压源换流器主要包括有IGBT模块、电抗器、换流变压器、电容；直流端口与交流端口之间分别通过三组两两并联的IGBT模块，连接电压源换流器三相电路中电抗器的第一端，三相电路中电抗器的第二端与换流变压器的第一端相连，换流变压器的第二端连接外部线路，另外在直流端口两端之间加设电容，在交流端口三相线路上电抗器第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器并接地，另外在低压直流端口对外接口正负极两端分别设置并接地。
系统当中直流断路器可分为三类拓扑结构：机械式结构、固态式结构和混合式结构；机械式结构直流断路器主要由开关、谐振电路LC、能量吸收单元MOV和电抗器构成，其中电抗器的第一端连接换流器侧电路，开关电路、谐振电路LC、与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧；固态式结构直流断路器主要由电力电子器件PE、能量吸收单元MOV和电抗器构成，其中电抗器的第一端连接换流器侧电路，电力电子器件PE与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧；混合式结构直流断路器主要由开关、电力电子器件PE、能量吸收单元MOV和电抗器构成，其中电抗器的第一端连接换流器侧电路，开关电路、电力电子器件PE与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧；在上述三种直流断路器连接线路一侧加装避雷器并接地。
本发明公开的方法对直流配电网系统内部设备进行了更有效的保护，提高了系统运行可靠性，降低了设备的成本，在技术性和经济性上达到最优。本发明公开的直流配电网系统内部过电压防护系统对于直流配电网内部各个设备实现了完善且全面的保护。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为配置有避雷器的多端口电力电子变压器中压交流端口示意图。
图2为配置有避雷器的多端口电力电子变压器中压直流端口示意图。
图3为配置有避雷器的多端口电力电子变压器低压直流端口示意图。
图4为配置有避雷器的多端口电力电子变压器低压交流端口示意图。
图5为配置有避雷器的直流断路器的示意图电压源换流器示意图。
图6为配置有避雷器的机械式结构直流断路器示意图。
图7为配置有避雷器的固态式结构直流断路器示意图。
图8为配置有避雷器的混合式结构直流断路器示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
本发明公开了一种直流配电网系统内部过电压防护系统和方法，通过在直流配电网系统内部加设避雷器来防护过电压，所述系统包括配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压交流端口、多端口电力电子变压器的中压直流端口、多端口电力电子变压器的低压交流端口、多端口电力电子变压器的低压直流端口、电压源换流器、直流断路器。系统当中避雷器按照以下原则进行配置：交流侧过电压由交流侧避雷器限制；直流侧过电压由直流侧避雷器限制；系统内包括有交直流母线、换流变压器、桥臂、电抗器、直流电平变换单元的关键设备由紧靠它的避雷器直接保护；
作为一种具体实施方案，下文将以直流配电网中包括多端口电子电力变压器、电压源换流器和直流断路器的设备为例来对本发明中的内容做具体介绍。
多端口电力电子变压器采用模块化结构，变压器内部主要可划分为包括有中压交流至低压直流变换单元模块、中压直流至低压直流变换单元模块、低压直流至低压交流变换单元模块，低压直流对外输出单元模块的四个单元模块。变压器对外连接端口可划分为包括有中压直流端口、中压交流端口，低压交流端口，低压直流端口的四个对外连接端口。对于变压器换流区域中需要考虑的关键设备包括有交直流母线、换流变压器、桥臂、桥臂电抗器、功率子模块、直流电平变换单元等设备。
图1为配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压交流端口的示意图。如图1所示，多端口电力电子变压器10kV交流端口主要由换流变压器、桥臂电抗器以及多个桥臂组成。中压交流端口为三相结构，每相均通过桥臂电抗器连接有上下对称的两个桥臂，每个桥臂由若干结构相同的功率子模块串联而成。其中，与第一桥臂相连的桥臂电抗器为第一桥臂电抗器，配置于第一桥臂位置的避雷器为第一避雷器，而后以此类推。第一、第二桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的A相连接，第三、第四桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的B相连接，第五、第六桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的C相连接。
各桥臂在系统内的连接关系如下：第一桥臂的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，第一桥臂的第二端与第三、第五桥臂的第二端相连。第二桥臂的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，第二桥臂的第二端与第四、第六桥臂的第二端相连。第三桥臂的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，第三桥臂的第二端与第一、第五桥臂的第二端相连。第四桥臂的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，第四桥臂的第二端与第二、第六桥臂的第二端相连。第五桥臂的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，第五桥臂的第二端与第一、第三桥臂的第二端相连。第六桥臂的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，第六桥臂的第二端与第二、第四桥臂的第二端相连。
各避雷器在系统内的连接关系如下：第一避雷器的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，第一避雷器的第二端接地。第二避雷器的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，第二避雷器的第二端接地。第三避雷器的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，第三避雷器的第二端接地。第四避雷器的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，第四避雷器的第二端接地。第五避雷器的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，第五避雷器的第二端接地。第六避雷器的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，第六避雷器的第二端接地。端口中换流变压器的一次侧为线路侧，连接外部线路；二次侧为系统侧，连接系统内部。第七避雷器(图1中A10k)的第一端连接在换流变压器线路侧靠近换流变压器位置上，第二端接地。中压交流电通过桥臂后被转换为直流电，并接入变压器内部直流母线。
图1中A10k(第七避雷器)、A210k(第一至第六避雷器)均为配置于10kV交流线路上的避雷器。作为一种过电压防护实施方式，当换流变压器对外接口侧受到过电压的侵害时，避雷器A10k可直接将过电压限制隔离并引入地下，避免过电压侵入系统内部。当换流变压器发生操作过电压或换流变压器内部换流阀由功能及结构故障产生过电压时，避雷器A210k可直接将过电压限制隔离并引入地下，避免了过电压对于桥臂及其相关设备的侵害。
图2为配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压直流端口的示意图。如图2所示，在多端口电力电子变压器10kV直流端口包含有多个直流电平变换单元，将输入的中压直流电转换为低压直流电。每个直流电平变换单元可以分为低压侧和中压侧两部分。图中右侧为中压直流电的输入端，即中压侧，作为对外接口。左侧为低压侧，连接内部系统。在中压侧，直流电平变换单元的第一输入端连接上一个直流电平变换单元的第二输入端，其中第一个直流电平变换单元的第一输入端连接中压直流端口的一端，最后一个直流电平变换单元的第二输入端连接中压直流端口的另一端；在低压侧，直流电平变换单元的第一输出端接入变压器内部正极母线，直流变换单元的第二输出端接入变压器内部负极母线。
图2中DB10k为配置于10kV直流线路上的避雷器。作为一种过电压防护实施方式，在中压直流端口对外接口两端靠近直流电平变换单元位置上分别设置避雷器DB10k并接地，当过电压从外界传递入中压直流端口时，避雷器DB10k可直接将过电压限制隔离并引入地下，避免了过电压对于变压器直流母线及其相关设备的侵害。
图3为配置有避雷器的多端口电力电子变压器的低压直流端口的示意图。端口中主要包括有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)反并联二极管模块、内部正负极母线、电容、电阻。如图3所示，多端口电力电子变压器低压直流端口中内部正负极直流母线分别通过两组两两并联的IGBT反并联二极管模块通往输出端，在输出端再加设电容电阻接地线实现进一步稳压，对外实现750V直流电压的稳定输出。
图3中DB375为配置于750V直流线路上的避雷器。作为一种过电压防护实施方式，在低压直流端口对外接口正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，当外界过电压传递入低压直流端口时，避雷器DB375可直接将过电压限制隔离并引入地下，避免了过电压对于变压器系统内部低压直流母线及其相关设备的侵害。
图4为配置有避雷器的多端口电力电子变压器的低压交流端口的示意图。端口中主要包括有IGBT模块、电抗器、换流变压器。如图4所示，变压器系统内部正负极直流母线分别通过三组两两并联的IGBT模块，分别连接三相电路中电抗器的第一端；三相电路中电抗器的第二端与换流变压器的第一端系统侧相连，换流变压器的第二端线路侧连接外部线路。电抗器主要用于滤波，同时限制短路电流，维持三相380V交流电压稳定。
图4中A2380为配置于380V交流线路上的避雷器。作为一种过电压防护实施方式，在低压交流端口三相线路上电抗器第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A2380并接地，当端口系统内部产生过电压时，避雷器A2380可直接将过电压限制隔离并引入地下，避免了过电压对于输出端口电抗器及换流变压器的侵害。
图5为配置有避雷器的电压源换流器直流及交流端口的示意图。电压源换流器中主要包括有IGBT模块、电抗器、换流变压器、电容。如图5所示，图左侧为750V直流端口，图右侧为三相380V交流端口。直流端口与交流端口之间分别通过三组两两并联的IGBT模块，连接三相电路中电抗器的第一端；三相电路中电抗器的第二端与换流变压器的第一端相连，换流变压器的第二端连接外部线路。电抗器主要用于滤波，同时限制短路电流，维持三相380V交流电压稳定。另外在直流端口两端之间加设电容进行稳压。
图5中DB375为配置于750V直流线路上的避雷器，A2380为配置于380V交流线路上的避雷器。作为一种过电压防护实施方式，在交流端口三相线路上电抗器第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A2380并接地，当系统内部产生过电压并传递入低压交流端口时，避雷器A2380可直接将过电压限制隔离并引入地下，避免了过电压对于电抗器及换流变压器的侵害。在低压直流端口对外接口正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，当过电压传入低压直流端口时，低压直流端口处的避雷器DB375可直接将过电压限制隔离并引入地下，避免了过电压对于电压源换流器中内部设备的侵害。
图6～8分别为配置有避雷器的直流断路器的示意图。直流断路器可分为三类拓扑结构：机械式结构、固态式结构和混合式结构，图6为机械式结构示图，该类型直流断路器主要由开关、谐振电路LC、能量吸收单元MOV和电抗器构成。其中电抗器的第一端连接换流器侧电路；开关电路、谐振电路LC、与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧。图7为固态式结构示图，该类型直流断路器主要由电力电子器件PE、能量吸收单元MOV和电抗器构成。其中电抗器的第一端连接换流器侧电路；电力电子器件PE与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧。图8为混合式结构示图，该类型直流断路器主要由开关、电力电子器件PE、能量吸收单元MOV和电抗器构成。其中电抗器的第一端连接换流器侧电路；开关电路、电力电子器件PE与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧。
图6～8中DL为配置于直流断路器线路上的避雷器。作为一种过电压防护实施方式，在直流断路器连接线路一侧加装避雷器DL并接地，可直接将来自外部线路侧的过电压限制隔离并引入地下，避免了过电压对于LC、MOV、PE和电抗器的侵害。
避雷器的参数确定与选取：
避雷器的雷电冲击和操作冲击保护水平及相应的配合电流需要通过雷电和操作数字仿真研究来确定，并考虑避雷器的通流容量和并联柱数。数字仿真计算一般采用避雷器8/20μs和30/60μs的雷电和操作冲击下的伏安特性。对于串联连接的避雷器，要考虑它们之间电压分配的不均匀性，尤其是雷电和陡波过电压。当计算串联连接的避雷器最大保护水平时，应采用避雷器最大偏差特性；而决定特定位置的避雷器最大能量要求时，该避雷器应该采用最小的偏差特性，与其相并联的其它避雷器应采用最大的偏差特性，避免分流。也可按照GB/T 311.3的9.1条，在规定避雷器能量时，研究计算避雷器能量值应考虑一个安全系数。这个安全系数的范围为0％～20％，该系数依赖于输入数据和所用模型的容差，以及出现高于研究工况能量的关键故障工况的概率。典型的电站用避雷器参数如表1所示：
表1
Figure BDA0002070361630000111
最终确定的避雷器配合电流和能量应高于仿真计算出的电流和能量。设备的雷电冲击和操作冲击耐受电压与相应的避雷器保护水平应满足配合系数要求。
直流避雷器荷电率定义为持续运行电压峰值PCOV与参考电压Uref的比值；交流避雷器荷电率定义为最大持续运行电压MCOV的峰值与参考电压Uref的比值。荷电率的选择必须考虑避雷器的稳定性和泄漏电流的大小，持续运行电压波形峰值、直流电压分量、安装位置(户内或户外)、温度对伏安特性的影响，以及污秽对避雷器瓷或硅橡胶外套点位分布的影响等因素。对于交流避雷器，荷电率一般可以取0.7～0.8。对于直流避雷器，根据避雷器承受电压波形和安装位置的不同，可以取0.8～1.0。
对于750V直流系统，根据下表避雷器技术参数，残压限值取1.2kV。具体如表所示：
表2
参数 参数指标
额定电压 700V
持续运行电压 700V
直流6mA参考电压 1kV
0.75倍Un下的泄露电流 ≥50×3μA
标称放电电流(40/100us) 10kA
标称放电电流下残压 1.2kV
能量吸收能力 ＞500kJ
对于380V交流系统，在本实施例中，作为一种具体实施方式，避雷器型号选用HY1.5W-0.5/2.6，作为低压型避雷器一般用在低压配电柜、开关柜及控制柜中，保护柜中的电气设备免受过电压的危害。冲击电流下残压值取1.3kV，具体如表所示：
表3
Figure BDA0002070361630000121
直流配电系统为提高供电可靠性，考虑在单极接地故障情况下仍能够持续运行一段时间，避雷器在单极接地故障下不应动作。因此，在考虑避雷器的持续运行电压时，需要综合考虑系统正常运行和单极接地故障下系统关键位置的电压值，选取这两种情况下较大的值作为避雷器的持续运行电压。因此，在本实施例中，作为一种具体实施方式，依据上述选取原则，确定本项目中配置的各种类型避雷器参数选取如表4所示，A10k、A210k、DB10k避雷器型号选取为YH5WZ-17-45kV；DB375避雷器型号选取为DB375；A2380避雷器型号选取为HY1.5W-0.5/2.6。
表4
Figure BDA0002070361630000131
以上描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种直流配电网系统内部过电压防护方法，其特征在于：通过在直流配电网系统内部加设避雷器来防护过电压，避雷器按照以下一种或多种原则进行配置：
1)交流侧过电压由交流侧避雷器限制；
2)直流侧过电压由直流侧避雷器限制；
3)系统内包括有交直流母线、换流变压器、桥臂、电抗器、直流电平变换单元的关键设备由紧靠它的避雷器直接保护；
所述方法应用于直流配电网系统内部包括多端口电力电子变压器、电压源换流器、直流断路器的设备，
其中，所述多端口电力电子变压器包括中压交流端口、中压直流端口、低压交流端口、低压直流端口，
所述中压交流端口包括换流变压器、桥臂电抗器以及六个桥臂；所述中压交流端口为三相结构，每相均通过所述桥臂电抗器连接有上下对称的两个所述桥臂，每个所述桥臂由结构相同的功率子模块串联而成；其中，第一桥臂相连的所述桥臂电抗器为第一桥臂电抗器，配置于第一桥臂位置的所述避雷器为第一避雷器，而后以此类推；第一、第二桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的A相连接，第三、第四桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的B相连接，第五、第六桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的C相连接；所述第一桥臂的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，所述第一桥臂的第二端与第三、第五桥臂的第二端相连，第二桥臂的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，所述第二桥臂的第二端与第四、第六桥臂的第二端相连，第三桥臂的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，所述第三桥臂的第二端与第一、第五桥臂的第二端相连，所述第四桥臂的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，所述第四桥臂的第二端与第二、第六桥臂的第二端相连，所述第五桥臂的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，所述第五桥臂的第二端与第一、第三桥臂的第二端相连，所述第六桥臂的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，所述第六桥臂的第二端与第二、第四桥臂的第二端相连；
所述中压直流端口包括多于1个的直流电平变换单元，每个所述直流电平变换单元，在中压侧，每个所述直流电平变换单元的第一输入端连接上一个直流电平变换单元的第二输入端，其中，第一个直流电平变换单元的第一输入端连接所述中压直流端口的一端，最后一个直流电平变换单元的第二输入端连接所述中压直流端口的另一端；在低压侧，每个所述直流电平变换单元的第一输出端接入变压器内部正极母线，每个所述直流电平变换单元的第二输出端接入所述多端口电力电子变压器内部负极母线；
所述低压直流端口包括有绝缘栅双极型晶体管反并联二极管模块、内部正负极直流母线、电容、电阻，其中，所述内部正负极直流母线分别通过两组两两并联的所述绝缘栅双极型晶体管反并联二极管模块通往输出端，在所述输出端再加设电容电阻接地线；
所述低压交流端口包括有绝缘栅双极型晶体管模块、第一三相电路中电抗器、第二换流变压器，其中，变压器系统内部正负极直流母线分别通过三组两两并联的所述绝缘栅双极型晶体管模块，分别连接所述第一三相电路中电抗器的第一端，所述第一三相电路中电抗器的第二端与第二换流变压器的第一端系统侧相连，所述第二换流变压器的第二端线路侧连接外部线路，
所述电压源换流器包括有第二绝缘栅双极型晶体管模块、第二三相电路中电抗器、第三换流变压器、第二电容，其中，所述电压源换流器的直流端口与交流端口之间分别通过三组两两并联的所述第二绝缘栅双极型晶体管模块，连接所述第二三相电路中电抗器的第一端，所述第二三相电路中电抗器的第二端与第三换流变压器的第一端相连，所述第三换流变压器的第二端连接外部线路，另外在直流端口两端之间加设所述第二电容，在所述第二三相电路中电抗器的第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器并接地，另外在低压直流端口对外接口正负极两端分别设置避雷器并接地；
所述直流断路器分为三类拓扑结构：机械式结构、固态式结构和混合式结构；所述机械式结构包括第一开关、第一谐振电路、第一能量吸收单元和第一电抗器，其中，所述第一电抗器的第一端连接换流器侧电路，所述第一开关、第一谐振电路与第一能量吸收单元相互并联为第一并联电路，所述第一并联电路的一端连接所述第一电抗器的第二端，所述第一并联电路的另一端连接线路侧；所述固态式结构包括第一电力电子器件、第二能量吸收单元和第二电抗器，其中，所述第二电抗器的第一端连接所述换流器侧电路，所述第一电力电子器件与第二能量吸收单元相互并联为第二并联电路，所述第二并联电路的一端连接所述第二电抗器的第二端，所述第二并联电路的另一端连接所述线路侧；所述混合式结构包括第二开关、第二电力电子器件、第三能量吸收单元和第三电抗器，其中，所述第三电抗器的第一端连接所述换流器侧电路，所述第二开关、第二电力电子器件与第三能量吸收单元相互并联为第三并联电路，所述第三并联电路的一端连接所述第三电抗器的第二端，所述第三并联电路的另一端连接所述线路侧，
根据配置原则1)、3)，在多端口电力电子变压器中压交流端口对外接口侧靠近换流变压器位置上设置避雷器，同时在桥臂电抗器连接桥臂一侧靠近桥臂电抗器位置上设置避雷器，其中，将所述第一避雷器的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，将所述第一避雷器的第二端接地；将第二避雷器的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，将所述第二避雷器的第二端接地；将第三避雷器的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，将所述第三避雷器的第二端接地；将第四避雷器的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，将所述第四避雷器的第二端接地；将第五避雷器的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，将所述第五避雷器的第二端接地；将第六避雷器的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，将所述第六避雷器的第二端接地；将第七避雷器的第一端连接在所述换流变压器线路侧靠近换流变压器位置上，将所述第七避雷器的第二端接地，
多端口电力电子变压器中压交流端口对外接口侧靠近换流变压器位置的避雷器和在桥臂电抗器连接桥臂一侧靠近桥臂电抗器位置的避雷器的型号为YH5WZ-17-45kV，其中，选取所述第一避雷器至第七避雷器型号为YH5WZ-17-45kV，当换流变压器对外接口侧受到过电压的侵害时，所述第七避雷器直接将过电压限制隔离并引入地下，当换流变压器发生操作过电压或换流变压器内部换流阀由功能及结构故障产生过电压时，所述第一至第六避雷器直接将过电压限制隔离并引入地下；
根据所述配置原则2)、3)，在多端口电力电子变压器中压直流端口对外接口侧正负极两端靠近直流电平变换单元位置上分别设置避雷器DB10k并接地，当过电压从外界传递入所述中压直流端口时，所述避雷器DB10k直接将过电压限制隔离并引入地下；
根据所述配置原则2)，在多端口电力电子变压器低压直流端口对外接口侧正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，当外界过电压传递入所述低压直流端口时，所述避雷器DB375直接将过电压限制隔离并引入地下；
根据所述配置原则1)、3)，在多端口电力电子变压器低压交流端口三相线路上电抗器连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A2380并接地，当所述低压交流端口系统内部产生过电压时，所述避雷器A2380直接将过电压限制隔离并引入地下；
根据所述配置原则1)、2)、3)，在电压源换流器的交流端口三相线路上电抗器连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A2380并接地，当系统内部产生过电压并传递入低压交流端口时，所述避雷器A2380直接将过电压限制隔离并引入地下；在低压直流端口对外接口正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，当过电压传入所述低压直流端口时，所述避雷器DB375直接将过电压限制隔离并引入地下，
所述避雷器DB10k的避雷器的型号为YH5WZ-17-45kV，所述避雷器DB375的避雷器的型号为DB375，所述避雷器A2380的避雷器的型号为HY1.5W-0.5/2.6，
根据所述配置原则2)、3)，在直流断路器连接线路一侧加装避雷器并接地，直接将来自外部线路侧的过电压限制隔离并引入地下。
2.一种直流配电网系统内部过电压防护系统，其特征在于：系统包括在交流侧靠近换流变压器及桥臂电抗器位置上配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压交流端口、在直流端口侧配置有避雷器的多端口电力电子变压器的中压直流端口、在交流侧靠近电抗器位置上配置有避雷器的多端口电力电子变压器的低压交流端口、在直流端口侧配置有避雷器的多端口电力电子变压器的低压直流端口、在交流侧靠近电抗器位置上以及直流侧均配置有避雷器的电压源换流器、在直流线路侧配置有避雷器的直流断路器；
其中多端口电力电子变压器的中压交流端口为三相结构，每相均通过桥臂电抗器连接有上下对称的两个桥臂，每个桥臂由若干结构相同的功率子模块串联而成；其中，与第一桥臂相连的桥臂电抗器为第一桥臂电抗器，配置于第一桥臂位置的避雷器为第一避雷器，与第二桥臂相连的桥臂电抗器为第二桥臂电抗器，配置于第二桥臂位置的避雷器为第二避雷器，与第三桥臂相连的桥臂电抗器为第三桥臂电抗器，配置于第三桥臂位置的避雷器为第三避雷器，与第四桥臂相连的桥臂电抗器为第一桥臂电抗器，配置于第四桥臂位置的避雷器为第四避雷器，与第五桥臂相连的桥臂电抗器为第五桥臂电抗器，配置于第五桥臂位置的避雷器为第五避雷器，与第六桥臂相连的桥臂电抗器为第六桥臂电抗器，配置于第六桥臂位置的避雷器为第六避雷器；第一、第二桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的A相连接，第三、第四桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的B相连接，第五、第六桥臂电抗器的第一端与所述换流变压器的C相连接；
各桥臂在系统内的连接关系如下：第一桥臂的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，第一桥臂的第二端与第三、第五桥臂的第二端相连，第二桥臂的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，第二桥臂的第二端与第四、第六桥臂的第二端相连，第三桥臂的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，第三桥臂的第二端与第一、第五桥臂的第二端相连，第四桥臂的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，第四桥臂的第二端与第二、第六桥臂的第二端相连，第五桥臂的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，第五桥臂的第二端与第一、第三桥臂的第二端相连，第六桥臂的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，第六桥臂的第二端与第二、第四桥臂的第二端相连；
各避雷器在系统内的连接关系如下：第一避雷器的第一端与第一桥臂电抗器的第二端相连，第一避雷器的第二端接地，第二避雷器的第一端与第二桥臂电抗器的第二端相连，第二避雷器的第二端接地，第三避雷器的第一端与第三桥臂电抗器的第二端相连，第三避雷器的第二端接地，第四避雷器的第一端与第四桥臂电抗器的第二端相连，第四避雷器的第二端接地；第五避雷器的第一端与第五桥臂电抗器的第二端相连，第五避雷器的第二端接地，第六避雷器的第一端与第六桥臂电抗器的第二端相连，第六避雷器的第二端接地，中压交流端口中换流变压器的一次侧为线路侧，连接外部线路；二次侧为系统侧，连接系统内部，第七避雷器的第一端连接在换流变压器线路侧靠近换流变压器位置上，第二端接地；
多端口电力电子变压器中压交流端口对外接口侧靠近换流变压器位置的避雷器和在桥臂电抗器连接桥臂一侧靠近桥臂电抗器位置的避雷器的型号为YH5WZ-17-45kV,其中，第一避雷器至第七避雷器型号为YH5WZ-17-45kV；
多端口电力电子变压器的中压直流端口包含有多个直流电平变换单元，每个直流电平变换单元可以分为低压侧和中压侧两部分，在中压侧，直流电平变换单元的第一输入端连接上一个直流电平变换单元的第二输入端，其中第一个直流电平变换单元的第一输入端连接中压直流端口的一端，最后一个直流电平变换单元的第二输入端连接中压直流端口的另一端，在低压侧，直流电平变换单元的第一输出端接入变压器内部正极母线，直流变换单元的第二输出端接入变压器内部负极母线，在中压直流端口对外接口两端靠近直流电平变换单元位置上分别设置避雷器DB10k并接地，
多端口电力电子变压器的低压直流端口中主要包括有IGBT反并联二极管模块、内部正负极母线、电容、电阻；内部正负极直流母线分别通过两组两两并联的IGBT反并联二极管模块通往输出端，输出端加设电容电阻接地线，在对外接口正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，
多端口电力电子变压器的低压交流端口主要包括有IGBT模块、电抗器、换流变压器；变压器系统内部正负极直流母线分别通过三组两两并联的IGBT模块，分别连接低压交流端口三相电路中电抗器的第一端，三相电路中电抗器的第二端与换流变压器的第一端系统侧相连，换流变压器的第二端线路侧连接外部线路，在低压交流端口三相线路上电抗器第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A2380并接地，
电压源换流器主要包括有IGBT模块、电抗器、换流变压器、电容；直流端口与交流端口之间分别通过三组两两并联的IGBT模块，连接电压源换流器三相电路中电抗器的第一端，三相电路中电抗器的第二端与换流变压器的第一端相连，换流变压器的第二端连接外部线路，另外在直流端口两端之间加设电容，在交流端口三相线路上电抗器第一端连接系统一侧靠近电抗器位置分别设置避雷器A2380并接地，另外在低压直流端口对外接口正负极两端分别设置避雷器DB375并接地，
所述避雷器DB10k的避雷器的型号为YH5WZ-17-45kV，所述避雷器DB375的避雷器的型号为DB375，所述避雷器A2380的避雷器的型号为HY1.5W-0.5/2.6；
其中直流断路器可分为三类拓扑结构：机械式结构、固态式结构和混合式结构；机械式结构直流断路器主要由开关、谐振电路LC、能量吸收单元MOV和电抗器构成，其中电抗器的第一端连接换流器侧电路，开关电路、谐振电路LC、与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧；固态式结构直流断路器主要由电力电子器件PE、能量吸收单元MOV和电抗器构成，其中电抗器的第一端连接换流器侧电路，电力电子器件PE与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧；混合式结构直流断路器主要由开关、电力电子器件PE、能量吸收单元MOV和电抗器构成，其中电抗器的第一端连接换流器侧电路，开关电路、电力电子器件PE与能量吸收单元MOV相互并联，并联后电路的一端连接电抗器的第二端，另一端连接线路侧；在上述三种直流断路器连接线路一侧加装避雷器并接地。
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