CN111614116B - 一种柔性直流系统的接地方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请中公开了一种柔性直流系统的接地方法和装置，该接地方法在柔性直流系统执行，包括步骤：设置至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组为Yn接线；在所述至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组中性点的接地回路中设置中性点电阻和中性点电抗器串联接地，以限制入地回路中的三次谐波的电流值。采用本申请提供的接地方法，仅需要经一台中性点电抗器和一台中性点电阻器接地，设备简单，绝缘要求低，解决了对称单极结构的柔直工程中使用三次谐波注入调制方法时的接地难题。

Description

一种柔性直流系统的接地方法和装置

技术领域

本申请涉及柔直系统设计技术领域，尤其涉及一种柔性直流系统的接地方法和装置。

背景技术

接地方式的选择是柔直系统设计中的关键问题，接地的作用为在稳态时对电压起到钳位作用，在接地故障时提供零序通路，并配合提供检测信号，而接地点一般设置在柔性直流系统直流侧或柔直变压器阀侧。

在不设置柔直变压器阀侧接地点的情况下，直流极对地电压受直流极线对地电阻或电容控制。如果阀侧和直流侧都不设置接地点(直流侧不设单独的接地电阻或接地电容)，两极直流对地电压实际受直流母线对地杂散参数控制。如两极对地杂散参数对称性不够好，两极对地电压就不能平衡。因此阀侧和直流侧都不接地是不可靠的。

现有的接地方式通常可以包括柔直系统变压器阀侧或直流侧，而设置在柔直系统直流侧的接地方式主要有以下几种：

参见图3所示的接地方式一(联接变YnD+直流接地电阻)，直流侧通过直流接地电阻接地，会造成长期有功损耗，存在散热问题；需要综合考虑稳态损耗和接地效果。直流接地电阻不够大将造成较大的稳态有功损耗，阻值太大时近似不接地，无法保证接地效果。且接地故障时对保护可靠性有影响。直流侧接地故障时无零序通路，故障检测量单一(仅电压信号)，保护不好配置。

参见图4所示的接地方式二(联接变YnD+直流接地电容)，直流侧通过直流电容接地，无长期稳态有功损耗，高压电容器造价占地将较高。直流侧接地故障时无零序通路，故障检测量单一(仅电压信号)，保护不好配置。

而对于上述两种直流侧接地方式一和二，电阻值和电容值的选取必须考虑到杂散参数的影响，且两极对地电阻或电容误差小，才能保证两极电压具有较好的平衡性。并且直流侧接地故障时无零序通路，保护不好配置，目前工程中一般采用设置在柔直系统变压器阀侧的接地方式。

设置在柔直系统变压器阀侧的接地方式主要有以下几种：

采用附图5中的接地方式三(联接变YnD+阀侧母线星形电抗+中性点接地电阻)，在直流接地故障时可以提供通路，在星形电抗中性点处串联一个电阻，可以有效地抑制零序分量电流。为了降低在运行中的无功损耗，要求电抗器电感值尽量大。采用该接地方式，需要增设设备较多，电抗器电压等级和绝缘水平较高，影响造价，且占地面积较大。

采用附图6中所示的接地方式四(联接变DYn+阀侧中性点接地电阻)，在运行过程中稳态损耗相对较低，造价难度低，同时可以限制短路电流。对于网侧高电压等级的换流站，采用D接线将大大提高绕组的绝缘水平，提高联接变制造难度和造价难度，运输尺寸可能不能满足运输界限的要求。并且有载分接开关配置复杂，变压器结构复杂而且经济性差。

因此对于网侧高电压等级的换流站，可采用附图7中所示的接地方式五(联接变YnYn+阀侧中性点接地电阻)，在网侧和阀侧均采用Yn绕组，网侧中性点直接接地，阀侧采用中性点经高阻接地。因此换流变网侧低电压等级的对称单极柔直适用于这种接地方式四(联接变DYn+阀侧中性点接地电阻)，换流变网侧高电压等级的对称单极柔直适用于接地方式五(联接变YnYn+阀侧中性点接地电阻)。

但是在使用三次谐波注入调制方式时，柔直变压器阀侧交流相电压中包含三次谐波，柔直变压器阀侧接地回路也将流过三次谐波电流。若采用接地方式四和接地方式五，三次谐波电流在中性点接地电阻上会带来明显的持续有功损耗，因此相关接地方式并不适用。接地方式三(联接变YnD+阀侧星形电抗+中性点接地电阻)可用，但是其存在设备数量多、技术参数要求高等特点。

发明内容

本申请提供了一种柔性直流系统的接地方法和装置，仅需要经一台中性点电抗器和一台中性点电阻器接地，设备简单，对绝缘要求低，解决了对称单极结构的柔直工程中使用三次谐波注入调制方法时的接地难题。

本申请第一方面提供了一种柔性直流系统的接地方法，该接地方法在柔性直流系统执行，包括步骤：

设置至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组为Yn接线；

在所述至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组中性点的接地回路中设置中性点电阻和中性点电抗器串联接地，以限制入地回路中的三次谐波的电流值。

可选地，所述在所述至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组中性点的接地回路中设置中性点电阻和中性点电抗器串联接地，以限制入地回路中的三次谐波的电流值还包括：

设置所述中性点电抗器的参数以限制柔性直流系统入地回路的三次谐波电流值至预设量级；所述预设量级包括毫安级。

本申请第二方面提供了一种柔性直流系统的接地装置，包括：

所述至少一端的换流站变压器阀侧绕组为Yn接线，包括串联接地的中性点电阻和中性点电抗器，所述中性点电抗器用于柔直工程中使用三次谐波注入调制方法时限制入地回路中的三次谐波的电流值。

可选地，所述中性点电抗器用于限制柔性直流系统的三次谐波电流值至预设量级；所述预设量级包括毫安级。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了一种柔性直流系统的接地方法，其特征在于，该接地方法在柔性直流系统执行，包括步骤：

设置至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组为Yn接线；

在所述至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组中性点的接地回路中设置中性点电阻和中性点电抗器串联接地，以限制入地回路中的三次谐波的电流值。

本申请提供的一种柔性直流系统的接地方法，在未采用三次谐波注入调制方式时，正常运行时两极线直流电压对称，变压器中性点为地电位，中性点回路无电流流过。当两极线直流电压存在不对称偏差时，将通过变压器中性点的接地回路接地钳位；当发生直流极对地接地故障时，变压器阀侧中性点将存在直流偏置电压，接地回路电流由变压器中性点的电阻限制，使得直流偏置电压短时加在中性点的大电阻上，直到保护动作跳开交流断路器；当柔直系统采用三次谐波注入调制方式时，正常运行时，中性点三次谐波电压主要加在中性点的大电抗上，三次谐波的电流通过电抗器限制为毫安级别，则中性点电阻上基本无有功损耗，中性点电抗器上的无功损耗也很小。在柔直系统启动时，回路中将流过三次谐波电流，三次谐波电流流入变压器阀侧的中性点，三次谐波的电压主要加在中性点的大电抗上，三次谐波的电流通过电抗器限制为毫安级别，则中性点电阻上基本无损耗。并且，采用本申请提供的接地方法，一组柔直变压器仅需要经一台中性点电抗器和一台中性点电阻器接地，设备简单，对绝缘要求低，解决了对称单极结构的柔直系统中使用三次谐波注入调制方法时的接地难题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种柔性直流系统的接地方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种柔性直流系统的接地装置的结构示意图；

图3为现有技术一的接地方式的连接示意图；

图4为现有技术二的接地方式的连接示意图；

图5为现有技术三的接地方式的连接示意图；

图6为现有技术四的接地方式的连接示意图；

图7为现有技术五的接地方式的连接示意图；

图8为注入三次谐波调制方式下柔直变压器网侧和阀侧对地电压波形图；

图9为使用本申请实施例提供的一种柔性直流系统的接地装置的情况下系统稳态运行时柔直变压器中性点对地电压和电流波形以及接地电阻和电抗的两端电压波形图；

图10为接地装置仅电阻接地方式下柔性直流系统稳态运行时柔直变压器中性点对地电压和电流波形以及接地电阻的两端电压波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了柔性直流系统的接地方法和装置，一组变压器仅需要一台中性点电抗器和一台中性点电阻器，设备简单，对绝缘要求低，解决了对称单极结构的柔直工程中使用三次谐波注入调制方法时的接地难题。

参见图1和图2，图1为本申请提供的一种柔性直流系统的接地方法的一个实施例的流程示意图，图2为本申请实施例提供的一种柔性直流系统的接地装置的结构示意图。

本申请实施例第一方面提供了一种柔性直流系统的接地方法，该接地方法在柔性直流系统执行，包括步骤：

100，设置至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组为Yn接线；

200，在至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组中性点的接地回路中设置中性点电阻和中性点电抗器串联接地，以限制入地回路中的三次谐波的电流值。

需要说明的是，本申请实施例提供的一种适用于三次谐波的接地方式，基于对称单极结构的柔直工程执行，在联接变阀侧设置中性点接地电阻，中性点电阻在系统正常的情况下端电压基本为零，仅有很小的直流不平衡的电流存在。中性点的电阻主要用于限制系统短路时的零序电流。暂态故障下承受交流相电压或单极直流电压。中性点电阻的阻值越高，限制短路电流的能力越强，稳态损耗也越低。但阻值太高，也将提高设备体积和制造难度，并影响接地效果。

为保证中性点电阻在三次谐波注入调制方式下正常运行时无明显的损耗，需要限制中性点入地回路中的三次谐波电流。对于高压直流输电系统，电压等级一般为几百千伏，三次谐波电压达几十千伏，中性点电阻仅千欧级，仅靠中性点电阻限流，中性点接地回路上三次谐波电流将为安级，电阻上将存在明显的运行损耗。

以中性点电阻5kΩ、三次谐波电流5A为例，电阻稳态损耗为：

P＝I²R＝5A×5A×5000Ω＝125kW。

中性点电抗主要用于限制系统正常工作时采用三次谐波注入调制方法时经变压器中性点入地的三次谐波电流。根据三次谐波注入调制方法在变压器阀侧和中性点产生的对地三次谐波电压大小，选取合适的电感值，限制变压器中性点接地回路三次谐波电流通流，即可保证中性点电阻上不存在明显的持续运行损耗。

由于存在以下关系：

U₃为变压器中性点对地三次谐波电压，该电压可根据三次谐波注入调制要求求得。

I₃为流经变压器中性点的三次谐波电流，该电流最大值可根据电阻损耗要求求得。

由以上参数可求出电抗器最小电感值：

以三次谐波电压为30kV，最大三次谐波电流为10mA为例，计算得L_min＝3000H。

(若中性点电阻阻值为5kΩ，此时三次谐波电阻损耗P＝I²R＝0.5W，可忽略，不会在系统运行时产生明显的损耗。)

以三次谐波电压为30kV，最大三次谐波电流为30mA为例，计算得L_min＝1000H。

(若中性点电阻阻值为5kΩ，此时三次谐波电阻损耗P＝I²R＝4.5W，亦可忽略，不会在系统运行时产生明显的损耗。)

进一步地，在至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组中性点的接地回路中设置中性点电阻和中性点电抗器串联接地，以限制入地回路中的三次谐波的电流值还包括：

设置中性点电抗器的参数以限制柔性直流系统入地回路的三次谐波电流值至预设量级；预设量级包括毫安级。

需要说明的是，采用三次谐波注入调制方法时，正常运行时变压器阀侧交流线电压中不包含三次谐波，但交流相电压中包含三次谐波，中性点回路将流过三次谐波电流。通过在中性点接地回路中设置一台高电感值电抗(不饱和/饱和时可达百亨-千亨等量级)，将谐波电流限制至毫安级(三次谐波电压加在中性点电抗上)。此时三次谐波电压电流不会传递至网侧，网侧电压电流均为正弦波。

综上，采用本申请实施例提供的接线方式，正常运行时柔直变压器阀侧中性点无直流电压，三次谐波注入调制产生的三次谐波电压经中性点大电抗后电流限制为毫安级，对网侧和直流侧均无影响。启动工况下，不控整流产生的三次谐波电压主要由中性点电抗承担。正常运行时以及启动时，中性点电阻上基本均无损耗(电抗阻抗远大于电阻，三次谐波电压均主要由电抗承担)。直流单极故障工况下，流经变压器中性点的直流故障电流由中性点电阻限制。

图8给出了注入三次谐波调制方式下柔直变压器网侧和阀侧对地电压波形，网侧无谐波电压，阀侧对地存在三次谐波电压。

图9给出了本专利方案接地方式下，稳态运行时柔直变压器中性点对地电压和电流波形，以及接地电阻和电抗的两端电压。柔直变压器中性点仅对地三次谐波电压，流过接地装置的电流为毫安级三次谐波电流，三次谐波电压加在接地电抗上，接地电阻上电压极低，基本无稳态损耗。

为比较不同接地方式的差异，图10给出了仅电阻接地方式下，稳态运行时柔直变压器中性点对地电压和电流波形，以及接地电阻的两端电压。此时变压器中性点入地电流为安级三次谐波电流，三次谐波电压均加在接地电阻上，存在明显损耗。

为了便于理解，请参见图2，为本申请提供的一种柔性直流系统的接地装置的结构示意图；

本申请实施例第二方面提供了一种柔性直流系统的接地装置，包括：

至少一端的换流站变压器阀侧绕组为Yn接线，包括串联接地的中性点电阻和中性点电抗器，中性点电抗器用于限制入地回路中的三次谐波的电流值。

需要说明的是，本申请实施例第二方面提供了一种柔性直流系统的接地装置，包括：至少一端的换流站变压器阀侧绕组为Yn接线，包括串联接地的中性点电阻和中性点电抗器，中性点电抗器用于限制入地回路中的三次谐波的电流值。

进一步地，中性点电抗器用于限制柔性直流系统的三次谐波电流值至预设量级；预设量级包括毫安级。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种柔性直流系统的接地方法，其特征在于，该接地方法在柔性直流系统执行，包括步骤：

设置至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组为Yn接线；

在所述至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组中性点的接地回路中设置中性点电阻和中性点电抗器串联接地，以限制入地回路中的三次谐波的电流值；

所述在所述至少一端的换流站柔直变压器阀侧绕组中性点的接地回路中设置中性点电阻和中性点电抗器串联接地，以限制入地回路中的三次谐波的电流值包括：

设置所述中性点电抗器的参数以限制柔性直流系统入地回路的三次谐波电流值至预设量级；所述预设量级包括毫安级；

所述中性点电抗器的最小电感值L_min为：

其中，U₃为变压器中性点对地三次谐波电压，I₃为流经变压器中性点的三次谐波电流。

2.一种柔性直流系统的接地装置，其特征在于，包括：

至少一端的换流站变压器阀侧绕组为Yn接线，包括串联接地的中性点电阻和中性点电抗器，所述中性点电抗器用于柔直工程中使用三次谐波注入调制方法时限制入地回路中的三次谐波的电流值；

所述中性点电抗器用于限制柔性直流系统的三次谐波电流值至预设量级；所述预设量级包括毫安级；

所述中性点电抗器的最小电感值L_min为：

其中，U₃为变压器中性点对地三次谐波电压，I₃为流经变压器中性点的三次谐波电流。

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