直流换流站中性母线避雷器组故障仿真研究

刘志远，于晓军，李秀广，李江涛，郭 洁，何家欣，虞江华

(1.国网宁夏电力有限公司，银川 750000; 2.西安交通大学电气工程学院，西安 710049;3.安徽徽电科技股份有限公司, 合肥 230088)

0 引 言

由于我国的能源分布和负荷中心存在较大差异，决定了我国需要发展远距离、大容量的特高压直流输电系统将能源从西部和北部地区输送到中、东部负荷中心[1-2]。

高压直流避雷器作为特高压直流输电系统过电压保护的关键设备，在绝缘配合中起着决定性的作用。其中中性母线避雷器安装于换流站中性母线，在直流系统正常运行时电压较低，双极大地平衡运行时电压为零，但当线路发生故障或发生某些操作时，中性母线上易产生较大过电压且能量巨大。为保护中性母线区设备不受过电压损伤，该类型避雷器需具备吸收最高40 MJ左右能量的能力。受避雷器制造技术的限制，电阻片尺寸不能过大，中性母线避雷器需采用是大规模多柱并联结构进行分流，保证所有的电阻片不会吸收过多能量[3-4]。以溪洛渡直流输电工程为例，其整流侧牛寨换流站单回中性母线避雷器设计能量耐受能力为33.12 MJ，并联柱数量为92柱，每4柱构成一个避雷器单元筒。

由于结构特殊，且电阻片伏安特性存在分散性，这种大规模并联避雷器组各电阻片耐受能量和特性老化不均匀问题尤为严重。当避雷器组中部分电阻片伏安特性在能量冲击后降低较多，在下次避雷器限制过电压时会吸收更多的能量，使电阻片进一步老化，形成恶性循环。最终部分电阻片吸收能量过多而损坏，导致单柱闪络接地故障。近十及年来，相继投运的直流输电工程中，中性母线避雷器故障相继发生三十余起[5-9]。

国内一些文献针对特高压换流站中性母线多柱并联避雷器组进行了研究。文献[7]提出了±800 kV糯扎渡特高压直流输电工程人工接地试验中中性点避雷器损坏的故障分析。文献[8]分析了昭通±500 kV换流站中性点母线避雷器故障。多柱并联避雷器之间的电流分布与其电流分布系数有关。因此，必须严格控制该系数，以避免一列压敏电阻吸收过多的能量。目前针对多柱并联避雷器的研究多是从电流分布角度进行分析[10-17]。包括电流波形、幅值、电阻片温度、电阻片伏安特性分散规律等因素对电流分布系数的影响。但从系统分析角度分析单柱伏安特性变化对大能量吸收过程中电流及吸收能量分布的影响的研究不够充分。

笔者基于PSCAD建立了中性点避雷器直流输电的详细模型。通过仿真研究了中性点母线避雷器在故障过程中的分布特性。最后对研究结论进行了总结，为多柱并联避雷器组能量分布特性研究提供数据支撑。

1 换流站电磁暂态仿真模型

1.1 系统模型及参数

仿真模型依托±660 kV银川东-青岛直流输电工程实际运行参数，输电容量约4 000 MW，单极运行方式时，额定功率传输能力为2 000 MW。功率反送方式下，青岛换流站输出功率双极运行时不应小于3 600 MW，单极运行时不应小于1 800 MW。每极为单12脉动阀组接线方式，输电距离约1 335 km，直流电压±660 kV，直流电流3 030 A，送端换流器接入330 kV交流电网；受端换流器接入500 kV交流电网，见图1。

图1 ±660 kV银川东-青岛直流输电工程主接线Fig.1 Main connection scheme of ±660 kV Yinchuan-Qingdao UHVDC project

换流变采用单相双绕组变压器，变压器交流侧绕组中性点接地。变压器主要参数见表1。

表1 换流变压器参数Table 1 Parameters of transformers in converter stations

换流站平波电抗器每极极线配置75 mH，中性线侧配置3×75 mH，中性母线电容器总的电容值为40 μF，单极运行时为20 μF。

1.2 避雷器组模型及参数

合理配置避雷器参数可以有效控制换流站内过电压的幅值，从而降低对设备绝缘水平的要求。换流站避雷器配置方案见图2,描述及参数见表2、表3。

表2 换流站避雷器描述Table 2 Definition of arresters in converter stations

图2 避雷器配置方案Fig.2 Sketch of arresters arrangement

表3 银川东站避雷器参数Table 3 Parameters of arresters in converter stations

续表3

仿真中避雷器模型采用非线性电阻元件，根据实际测量电阻片伏安特性数据设置避雷器参数。实际避雷器组中电阻片伏安特性存在一定的分散性，导致在限制过电压过程中，流过每一柱的电流和每一片电阻片吸收的能量不均匀。但在仿真理想条件下，先设置所有电阻片伏安特性相同，电阻片串联组成单柱避雷器伏安特性也相同，然后并联构成避雷组，再针对性地改变局部伏安特性曲线开展研究。以EM避雷器为例，单柱避雷器串联55片电阻片，整组并联64柱可满足能量吸收能力要求。伏安特性曲线见图3。

图3 避雷器伏安特性曲线Fig.3 Volt-ampere characteristics curve of EM arrester

2 系统故障特性仿真

直流换流站中性母线避雷器包括E、EL、CBN、EM 4个不同位置的避雷器，其参考电压及能量吸收要求也不同。

2.1 阀顶接地故障

在直流侧故障中，阀顶接地故障是较为严重的一种工况，此时中性母线避雷器在限制过电压过程中会吸收大量能量。接地点如图4中K1位置，当换流站内发生阀顶接地故障时，直流极母线差动保护及时采取保护措施，停止换流阀的能量传输，使流过故障点电流迅速减小过零，从而消除故障。判据及定值设置原则：比较阀厅高压母线直流电流IdP和出线侧直流电流IdL，如果两电流的差值大于整定值，保护将跳闸。即|IdP-IdL|>Δ。典型定值：Δ=0.5 pu，T=10 ms。

图4 阀顶接地故障电流回路示意图Fig.4 Schematic diagram of current loop when grounding fault at the top of converter valve

整流站逆变站接地故障对应的保护动作为X闭锁。保护动作顺序：移相闭锁、跳交流断路器、极隔离、起动断路器失灵保护、锁定交流断路器。对于整流站故障，X闭锁通过移相使整流器转换为逆变器工作，使交流侧电能停止向直流侧传递并将直流侧多余电能反送至交流侧，从而达到减小故障电流，及时消除故障的目的。故障后，退出故障极，另一极正常运行。

双极全压下整流侧发生阀顶接地故障时CBN避雷器所承受的过电压与能量见图5。

图5 整流侧阀顶接地故障时EM避雷器波形及故障点电流Fig.5 Grounding current and waveform of EM arrester when grounding fault at the top of rectifier

加装避雷器后，中性母线平波电抗器阀侧电压最大值由-425 kV降至-379 kV，起到了抑制过电压的作用。从图中可以看到，与故障电流相对应，CBN避雷器过电压分为两个阶段，在故障电流上升时，CBN避雷器承受负的过电压；在故障电流下降阶段，CBN避雷器承受正的过电压；避雷器吸收能量也分为两个阶段。故障过程持续约17.5 ms，整个过程中，避雷器吸收了约730 kJ能量。对比避雷器吸收能量曲线与故障电流曲线，可以看出两者相互对应。故障电流陡度较大地变化时避雷器动作并吸收能量。

当故障发生在逆变侧阀顶时，故障电流同样经接地极、中性母线、平抗、换流器以及换流站接地网形成回路。故障电流在中性母线平抗上产生较高的过电压，使得CBNi避雷器动作。CBNi避雷器残压也较低，由-434 kV降为-381 kV，吸收能量峰值为235 kJ。逆变侧阀顶发生接地故障时，故障严重程度较整流侧故障要小得多。其原因主要有两点：一是逆变站电流方向与整流站电流方向相反，发生故障时，故障电流更小。二是逆变侧直流电压较整理侧直流电压低15 kV左右，使得逆变器存储能量较小，发生接地故障后故障电流也就更小。

2.2 故障影响因素分析

系统运行方式、接地点过渡电阻、保护动作时间对故障严重情况影响较明显。系统在单极金属回线运行方式下发生阀顶接地故障时，过电压更严重。其原因是在双极运行方式下，当一极发生故障，另一极基本不受影响，仍正常运行，从而能够提供平衡电流，减小流经避雷器的电流，并且整流站有效连接接地极，也能够提供一部分电流。而单极金属运行方式下，整流站不直接与接地极相连，当整流站阀厅内发生接地故障时，故障电流会通过中性线避雷器形成回路。因此在该运行方式下，将有更多故障电流经避雷器，避雷器残压幅值比双极全压更高，承受更大应力。

在单极金属回线运行方式下，金属回线避雷器EM投入运行，在发生阀顶接地故障时，EM避雷器、E避雷器、CBN避雷器都会动作提供回路电流，但由于EM避雷器设计参考电压比其他避雷器低一点，因此在故障发生时会吸收更多能量。在阀闭锁后金属回线上存储的能量有一个释放过程，故障后应立即闭合NBGS，一般NBGS闭合动作需40 ms左右，此时系统保护已经动作，避雷器吸收能量结束，因此不考虑NBGS的影响。

另外，在单极大地回线运行方式下，由于整流站中性母线直接与接地接连接，大部分故障电流经中性线和接地极形成回路，从而流经避雷器的电流比单极金属回线小得多，因而CBN避雷器节点过电压峰值和避雷器吸收能量都较小。3种运行方式下残压与吸收能量对比见表4。

表4 系统运行方式对故障的影响Table 4 Influence of system operation mode on fault

在单极金属运行方式下，保护动作时间设置为10 ms时，接地电阻对故障点电流以及EM避雷器吸收能量的影响见表5。

表5 接地电阻对故障的影响Table 5 Influence of grounding resistance on fault

接地电阻越大时，故障电流越小，故障程度就越轻，避雷器吸收能量少。同样，保护动作时间对故障点电流以及EM避雷器吸收能量的影响很大，保护动作时间越长，避雷器吸收能量越多。在本文中以典型值10 ms计算，接地电阻选为2 Ω。其中EM避雷器吸收能量21 MJ。1 s时刻发生阀顶接地故障，波形见图6。

图6 单极阀顶接地故障时EM避雷器波形Fig.6 Waveform of EM arrester when grounding fault at top of converter under mono-polar metallic return

同双极运行方式时的故障波形类似，避雷器过电压分为正负两个部分。此时在理想状态下，避雷器组中每一柱流过电流相同，电阻片吸收能量相同。波形与图中相同，能量及电流波形幅值为整组避雷器的1/64。

3 避雷器组局部故障

上述EM避雷器包含3 000多片电阻片，必然存在伏安特性分散、电流、吸收能量分布不均匀，老化程度不一致的问题，部分避雷器柱的电阻片伏安特性下降较快，在避雷器在限制过电压吸收能量的过程中，吸收能量更多。通过仿真对此过程进行模拟。

假设其中一柱避雷器老化严重，伏安特性曲线整体下降10%，其他柱保持理想状态不变，在相同的单极阀顶接地工况下，波形见图7。电流幅值和吸收能量变化见表6。

图7 伏安特性降低后单柱波形变化Fig.7 Change of waveform of single column after the decrease of volt-ampere characteristic

表6 电流幅值和吸收能量变化Table 6 Change of current and energy absorbed

从图7中可以看出，在单一避雷器柱伏安特性的降低10%时，避雷器组耐受能量冲击时该柱流过电流及吸收能量远超其他理想状态柱，且吸收能量超出其耐受限值。单柱电流幅值及吸收能量随伏安特性变化见图8。

图8 伏安特性对单柱电流幅值及吸收能量的影响Fig.8 Influence of volt-ampere characteristic on current amplitude and energy absorbed of single column

可以看出单柱避雷器伏安特性的略微降低会导致电流快速集中，这种现象在中性母线避雷器这种并联规模大的结构中更为明显。当单柱避雷器吸收能量达到一定程度，由于电阻片热老化加速形成热崩溃，会导致电阻片侧面发生局部闪络，进而快速发展为整体闪络接地故障。

在仿真模型中添加闪络电弧指数电阻模型模拟单柱避雷器发生闪络接地故障，弧道电阻Ra通过式(1)确定。

Ra(t)=Ra+R0e-t/τ

(1)

式中τ为时间常数，Ra为静态电弧电阻，R0为弧前电阻。假设图 中1.01 s时刻该问题柱发生闪络接地，弧道电阻从弧前电阻呈指数降低至静态电弧电阻，波形见图9。

图9 伏安特性对单柱电流幅值及吸收能量的影响Fig.9 Influence of volt-ampere characteristic on current amplitude and energy absorbed of single column

图9中可以看出电流迅速集中在电弧通道，仿真中电流在几十微秒内达到上百千安。同时中性母线电压迅速降低，在150 μs左右到零，瞬时大电流集中导致避雷器会出现爆炸等危险事故。

4 结论

1)中性母线避雷器由于运行工况特殊，系统正常运行时不承担工作电压，故障时需要耐受大量能量，因此采用大规模多柱并联结构。

2)在发生直流侧接地故障时，中性母线避雷器在限制过电压过程中需要耐受大量能量，发生单极阀顶接地故障时EM避雷器吸收能量21 MJ。

3)由于并联柱数多，某一单柱避雷器由于老化导致伏安特性参数降低时，会引起电流集中通过，吸收能量快速增加。

4)单柱避雷器吸收能量达到电阻片热容量限值时，电阻片损坏引起避雷器内绝缘闪络，发展形成接地故障。