高壓教材第四篇課件-第十二直流輸電中的高電壓技術-第六

二、直流輸電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓直流系統(tǒng)中存在著許多電感和電容元件，諸如平波電抗器、濾波裝置、過電壓波吸收電容器、導線的線間電容和對地電容等。當系統(tǒng)發(fā)生故障或進行操作時，由于系統(tǒng)參數(shù)和工作條件的改變，會引起電容和電感間的電磁能量轉換，造成內(nèi)部過電壓。由于直流系統(tǒng)通過換流變壓器和交流系統(tǒng)相連，因此發(fā)生在交流系統(tǒng)中的內(nèi)部過電壓也會通過換流變壓器傳入直流系統(tǒng)，產(chǎn)生傳遞過電壓。嚴重時還會在直流系統(tǒng)電感、電容元件所形成的振蕩回路中引起諧振，使電壓進一步升高。直流系統(tǒng)的內(nèi)部過電壓可以出現(xiàn)在直流線路上，也可出現(xiàn)在換流站內(nèi)。諸如換流器故障或不正常工作、接地故障、全電壓起動、直流電流間斷等都可以是過電壓的起因。從出現(xiàn)頻度、幅值（倍數(shù)）、對絕緣的影響等方面來考慮，選擇以下幾種內(nèi)部過電壓作介紹：（一）全電壓起動過電壓這種過電壓與交流系統(tǒng)中的合空線過電壓及階躍電壓突然加到一串聯(lián)的L-C回路上的暫態(tài)過程有些相似。當直流線路正常投入時，控制系統(tǒng)中的起動裝置會調節(jié)觸發(fā)角使直流電壓從零經(jīng)一定的時間間隔（數(shù)百毫秒或更大）逐漸升到額定值，在這樣的軟起動過程中不會出現(xiàn)過電壓。但是，如果全部整流橋在誤動作的情況下，突然作全電壓起動，而直流線路的末端又處于斷開狀態(tài)，則在平波電抗器和導線的電感對系統(tǒng)中電容所組成的回路中將發(fā)生振蕩。其等效電路如圖12-19所示。當電壓波從開路末端反射回始端時，全線的對地電壓都上升到2Udc，由于整流器不可能讓反向電流通過，閥電流iα立即間斷（相當于圖12-19中的開關S打開），接下去的過程就是充電到2Udc的線路電容Cl通過平波電抗器與部分線路電感合成的等效電感L對極電容Cp進行放電。由于線路上的電壓Ul(=2Udc)，只能通過沿絕緣子的泄漏和電暈放電慢慢下降，而且Cl>>Cp，所以在過電壓發(fā)展過程中，可認為Ul一直保持著2Udc的對地電壓，而在放電振蕩過程中極電壓Up將超過Ul。實際得到的極電壓最大值Up可達2.2Udc左右，如圖12-20所示。由于這種過電壓的幅值較大，所以控制調節(jié)系統(tǒng)應盡可能避免出現(xiàn)全電壓起動的情況。當電壓波從開路末端反射回始端時，全線的對地電壓都上升到2Udc，由于整流器不可能讓反向電流通過，閥電流iα立即間斷（相當于圖12-19中的開關S打開），接下去的過程就是充電到2Udc的線路電容Cl通過平波電抗器與部分線路電感合成的等效電感L對極電容Cp進行放電。由于線路上的電壓Ul(=2Udc)只能通過沿絕緣子的泄漏和電暈放電慢慢下降，而且Cl>>Cp，所以在過電壓發(fā)展過程中，可認為Ul一直保持著2Udc的對地電壓，而在放電振蕩過程中極電壓Up將超過Ul。實際得到的極電壓最大值Up可達2.2Udc左右，如圖12-20所示。由于這種過電壓的幅值較大，所以控制調節(jié)系統(tǒng)應盡可能避免出現(xiàn)全電壓起動的情況。（二）一極接地在另一健全極上引起的過電壓在雙極直流線路上，兩極導線間存在電容耦合和電磁耦合，因此當一極發(fā)生接地故障時，會在另一極（健全極）導線上引起電壓的突變，它疊加在該極的正常工作電壓上就會引起過電壓。就電容耦合而言，可設圖12-21中的負極線上的p點發(fā)生接地故障，這時在p點突然出現(xiàn)一幅值為+Udc的電壓波，從接地點p向兩側傳播，所到之處，負極線的對地電壓均變?yōu)榱?。這一電壓波通過電容耦合在正極線上感應出來的電壓波幅值應為kUdc（k為耦合系數(shù)）。這一電壓波將在線路終端發(fā)生反射，反射波的幅值大小與線路終端的性質（例如感性終端或容性終端）有關。如為感性終端或終端開路時，兩端反射波未到達

P’點之前,Up’應為由此就不難理解以下幾種現(xiàn)象：（1）此種過電壓的幅值與波形隨故障點位置的不同而有相當大的差別，最嚴重的條件是接地故障發(fā)生在線路中點M處，這時過電壓的幅值最大，并將出現(xiàn)在健全極導線的中點M’處。（2）如果接地故障發(fā)生在圖12-22中的p點處，最大過電壓將出現(xiàn)在健全極導線的q’點處（q’點為p’點的鏡象），這可以解釋為：電壓波從p’點向兩端傳播并在終端反射后，兩反射波正好在q’點迎面相逢，形成最大過電壓。這種過電壓還有另一個分量，即電磁耦合分量。不難判斷，這一分量與上述電容耦合分量是同極性的，也會抬高健全極p’點上的過電壓。關于合成后的過電壓最大幅值，不同研究者所提供的數(shù)據(jù)差異較大，處于1.7~2.2倍的范圍內(nèi)。這種過電壓的波形大致為：在直流運行電壓上疊加一個同極性的沖擊電壓波。這個沖擊電壓波的波前時間T1處于零（故障點）到數(shù)千μs（離故障點數(shù)公里處）的范圍內(nèi)。換言之，必然會在離故障點某一距離lc的地方出現(xiàn)T1=100~300μs的最不利操作波形（如圖12-11所示）。（三）換流站內(nèi)接地故障所引起的過電壓（站內(nèi)接地過電壓）換流站內(nèi)發(fā)生接地故障的可能性雖然不大，但還是有可能的，特別是在絕緣子或套管被嚴重污染時。例如在每極二橋串聯(lián)的換流站內(nèi)，當平波電抗器L的閥側套管發(fā)生對地污閃時，換流站內(nèi)各點的對地電壓將發(fā)生變化：出現(xiàn)故障的導線的對地電壓u4發(fā)生了振蕩式截斷，由原先的

U4急劇下降，而且會產(chǎn)生振蕩，如圖12-23

中的u4曲線所示。由于電感的阻隔，其他計算點的電位在最初的數(shù)微秒內(nèi)還來不及作相應的改變，例如變壓器閥側繞組出線端的電壓（u3）就是如此，它的變化要比u4

慢得多。這時接在3、4兩點之間的設備（例如換流閥V12）就會受到?jīng)_擊電壓u3-4(=u3-u4)

的作用。這種過電壓具有很陡的波前（波前時間T≈0.3~3.0μs）和很短的半峰值時間，所以不像標準雷電波（1.2/50μs），可能用1/5μs沖擊短波來模擬更為合適。由于換流閥的絕緣對陡波的作用特別敏感，所以這種過電壓將是換流閥最危險的運行條件。這種過電壓的存在，是可控硅閥的高壓試驗項目中必須包括雷電沖擊高壓試驗和陡波試驗的主要理由。有不少已建直流工程的可控硅閥就曾采用波前陡度為1200kV/μs的短波進行試驗。（四）直流輸電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓小結（1）HVDC系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的產(chǎn)生與其工況密切相關，其起因可以是：線路故障、突然起停、換流器本身故障、在異常工況（逆弧、柵極閉鎖或解鎖的失靈、潮流突然反轉等）下出現(xiàn)共振現(xiàn)象。（2）HVDC系統(tǒng)的內(nèi)部過電壓幅值大都小于運行電壓的2倍，由于采用了控制極的閉鎖與導通來消除故障，操作過電壓可進一步減小，所以通常在絕緣設計和作絕緣配合時選用的計算倍數(shù)為1.7~2.0倍。（3）內(nèi)部過電壓的試驗波形：各種內(nèi)部過電壓的實際波形是多種多樣的，但絕大多數(shù)是在一個相當大的直流電壓分量上疊加一個單極性沖擊波、或疊加一個衰減振蕩波、或疊加一個包含高次諧波的工頻交流電壓分量而組成：單極性沖擊波

基波

高次諧波

交流電壓分量直流電壓分量

衰減振蕩波為了實用目的，總得規(guī)定出一種簡單而又具有代表性的典型試驗電壓波形。如果像交流系統(tǒng)那樣，采用常規(guī)的操作沖擊試驗波形（例如250/2500μs）作為標準試驗電壓波形（即不考慮直流分量的有利影響），則條件過于苛刻。比較恰當?shù)倪€是采用前面圖12-11所示的直流電壓分量與長波前沖擊波相疊加的合成波形，不過此時后一分量的波前時間T1仍應取對空氣絕緣最不利的數(shù)值（100~300μs），這種波形在高壓實驗室里不難產(chǎn)生。三、過電壓防護措施（一）概述降低絕緣水平，特別是降低主要設備（例如可控硅閥、高壓直流電纜等）的絕緣水平，對于節(jié)約直流輸電系統(tǒng)的建設費用具有重要的意義。要想降低設備的絕緣水平，就得先設法降低或限制作用在絕緣上的過電壓幅值。與交流變電站比較，直流輸電系統(tǒng)過電壓防護的特點為：（1）保護的重點對象不同：交流變電站為主變壓器，換流站為可控硅閥；（2）保護措施的多樣化：（3）直流避雷器與交流避雷器在運行條件、性能要求等方面均有很大的差別；（4）避雷器的安裝原則、接線方式亦有很大的不同。（二）降壓減陡措施（1）妥善設計控制調節(jié)系統(tǒng)。例如要求控調系統(tǒng)能防止全電壓起動、防止電流間斷、針對不同類型的故障選用移相、閉鎖、投旁通對等措施。（2）采用阻尼裝置。在直流系統(tǒng)中，各種阻尼裝置也有助于降低過電壓。例如換流器換相結束時的關斷振蕩就可以通過選擇適當?shù)淖枘峄芈芳右砸种?。?）利用平波電抗器降低過電壓。它能減小從直流線路入侵的過電壓波的幅值和陡度。（4）加裝沖擊波吸收電容器，它對過電壓的作用與平波電抗器相似。（三）限壓裝置HVDC系統(tǒng)的限壓裝置曾經(jīng)歷三個發(fā)展階段：·直流避雷器問世之前（1966年以前，主要采用保護間隙）；·直流SiC避雷器研制成功之后（1966年以后）；·金屬氧化物避雷器（MOA）問世后（1973年以后）。●直流避雷器運行條件的特點直流避雷器的運行條件和工作原理與交流避雷器有很大的差別，這主要是交流避雷器有電流經(jīng)過自然零值的時機可利用來切斷續(xù)流，而直流避雷器沒有這樣的時機可資利用，只能依靠磁吹使火花間隙中的電弧拉長、冷卻，以提高其電弧電阻與電弧電壓，采取強制形成電流零值的滅弧方式。由于直流系統(tǒng)中電流不過零，電壓中含有高次諧波，再加上直流輸電線路很長或接有較長的電纜段，所以直流避雷器的負擔是很重的?！駥χ绷鞅芾灼鞯募夹g要求（1）它的火花間隙具有穩(wěn)定的擊穿電壓值。如前所述，在換流站的各個部位可能出現(xiàn)的過電壓波形及其延續(xù)時間的變化范圍很大，直流避雷器對于各種波形的過電壓都應可靠地發(fā)揮限壓作用。（2）直流避雷器要具有足夠大的泄放電荷的能力（即通流能力或泄能容量）。避雷器動作后，應能容許直流系統(tǒng)中儲存的巨大能量通過避雷器耗散。（3）要具有很強的自滅弧能力。在直流電壓或含有很大直流分量的電壓下，應能可靠地切斷續(xù)流。（4）避雷器動作時，對系統(tǒng)的擾動不應太大，在切斷直流續(xù)流時也不應在電感元件上引起過高的截流過電壓。（5）在過電壓作用下動作時，避雷器的殘壓不應超過特定值。（6）在直流系統(tǒng)通過避雷器泄放電荷的過程中，避雷器上的總壓降不能超過特定值。上述各方面的要求有些是互相制約甚至是直接矛盾的。一一解決或處理好這些矛盾是避雷器設計者的任務。4.直流SiC避雷器為了在直流電壓下滅弧，要求直流避雷器的火花間隙能實現(xiàn)很高的滅弧電壓，所以一般均需采用帶磁吹的限流間隙，但當時所用的閥片均為SiC閥片。在很長的直流線路（特別是電纜線路）通過避雷器放電的情況下，放電電流可高達1500~2500A，延續(xù)時間可長達10ms以上，這已大大超出一般直流避雷器的泄能容量。為獲得很大的通流能力而又不損害其直流滅弧能力，曾研制和生產(chǎn)了“雙循環(huán)避雷器”、“多柱式避雷器”等多種型式直流避雷器。5.直流ZnO避雷器對保護直流系統(tǒng)的避雷器所提出的要求是：非線性好、滅弧能力強、通流能力（耗能容量）大、結構簡單、體積?。欢@些正好是氧化鋅避雷器的突出優(yōu)點。具體地說，在直流輸電系統(tǒng)中應用時，ZnO無間隙避雷器的主要優(yōu)點是：（1）非線性好、不需要火花間隙，因而也不存在間隙擊穿電壓的散度帶，伏秒特性平坦、保護水平低，從而使換流站設備的絕緣水平得以降低。（2）耗能容量大。ZnO閥片的熱容量遠大于SiC閥片，再加上ZnO閥片在中壓范圍內(nèi)具有正的電阻溫度系數(shù)，雖數(shù)值很小，但有利于多柱并聯(lián)使用，以增大泄能容量。這是由于通過某個柱的電流較大時，其電阻將增大，因此這個柱的電流將有所減小，從而使各柱電流的分配將能自動調節(jié)，趨于均勻。所以ZnO避雷器的能量耗散能力遠遠大于SiC避雷器，設計時可取其泄能容量為150~200J/cm3。這意味著ZnO避雷器的體