特高壓直流輸電工程交流濾波器的配置

0交流濾波器暫態(tài)定值的確定中國能源資源主要分布在西部，負荷中心集中在東部。這種不平衡增加了對長距離供電和電網的連接需求。直流輸電工程的建設有效地緩解了我國資源分布的不均衡,±800kV電壓等級直流西電東送工程是我國特高壓直流的標志性輸電工程。直流輸電工程中換流站的交流濾波器用于濾除換流器產生的各次諧波,同時補償換流器工作所需的無功功率。交流濾波器元件的暫態(tài)定值計算包括濾波器電容器、電感、電阻等元件及其絕緣水平的選擇。加裝避雷器可以保證濾波器元件在各種嚴重工況下安全運行。本文針對我國在建±800kV特高壓直流輸電工程,選取最惡劣運行工況下,計算了換流站交流濾波器各元件暫態(tài)定值,確定了±800kV電壓等級下,避雷器配置方案和交流濾波器各元件的暫態(tài)定值及絕緣水平。1放電電流過濾器設計根據直流輸電工程要求,用于交流濾波器暫態(tài)額定值的輸入條件如下:1)交流濾波器的配置和元件參數;2)所選的保護方案(包括每種濾波器的避雷器的個數和位置);3)避雷器的類型以及與8/20μs和30/60μs放電電流波形相對應的最高/最低保護性能;4)避雷器上的穩(wěn)態(tài)和暫時工頻和諧波電壓。為了確定濾波器元件的雷電沖擊耐受能力(LIWL)和操作沖擊耐受能力(SIWL),在雷電沖擊保護水平的基礎上增加20%以上的裕度,在操作沖擊保護水平的基礎上增加15%以上的裕度。在計算中使用了下列經驗數據:1)連線和電容器的單位長度雜散電感按2.0μH/m考慮;2)電抗器用1個電感和電阻串聯來模擬。電阻值根據電抗器品質因數計算得到。仿真計算使用ManitobaHVDC研究中心提供的PSCAD/EMTDCTM4.2.1版進行仿真計算。2兩端濾波器結構±800kV直流輸電工程送端采用的3種濾波器BP11/BP13、HP24/36和HP3,受端站采用雙調諧濾波器HP12/24。兩端換流站濾波器參數如表1所示,濾波器結構如圖1～3所示。圖中,C1、C2為電容器,L1、L2為電抗器,F1、F2為避雷器,R1為電阻器,Lx為暫態(tài)短路電抗,其中Lng、LF12、LF11、LF22、LF12、LF21和LC1為雜散電抗,RL1和RL2為電抗器內電阻。3濾波器放電時的能量直流輸電工程中濾波器避雷器的選取原則有:①連續(xù)和暫時運行電壓的峰值,包括諧波分量;②在正常投切濾波器時計數器不動作;③濾波器放電時的峰值電流;④濾波器放電時的能量。避雷器參數選擇首先要考慮避雷器位置上的連續(xù)和暫時運行電壓,濾波器各元件上的最大連續(xù)運行電壓有效值Uarr及主要諧波電壓Un(n諧波次數)參見表2和表3所示。3.1避雷器最大連續(xù)運行電壓避雷器的最大連續(xù)運行電壓(MCOV)是根據最惡劣的基波電壓和諧波電壓的組合確定的。交流濾波器避雷器的電壓包含多個諧波分量,根據下面的公式可獲得總電壓值Uarr(t)=50∑n=1Uncos(nω0t+φn)。(1)Uarr(t)=∑n=150Uncos(nω0t+φn)。(1)式中:Uarr(t)、n、Un、ω0和φn分別是避雷器的最大連續(xù)運行電壓、諧波次數、諧波電壓、基波角頻率和每個諧波的相角。由于不同運行條件下的相角(φn)不同,保守的算法是令φn=0,即將所有諧波分量直接線性相加得到總電壓值。3.2效值uref是否足夠需要驗證根據上述MCOV選擇的避雷器參考電壓值有效值Uref是否足夠高,以免在正常投切濾波器時計數器動作。當通過避雷器的電流足夠大時,會導致計數器動作。避雷器的計數器動作電流應在600～700A。3.3過高的放電電流和能量驗證所選的參考電壓Uref是否會導致過高的放電電流和放電能量。如果存在這種情況,那么應該提高參考電壓,防止放電時產生過高的電流和能量。4高壓避雷器參數在計算高壓避雷器負載時,模擬交流母線接地故障電感Lx一般取最低值,包括故障點和故障點附近的連線的電感。此時計算出的避雷器能量也最大。計算低壓避雷器的負載時,Lx的取值應使放電電流和能量達到最大值。如果將從交流系統入侵的操作沖擊水平限制在交流母線避雷器的操作沖擊保護水平USIPL,波前時間取250μs,高壓避雷器的配合電流可采取下式近似計算Ι=C1du/dt=C1USΙΡL/250。(2)式中:C1為濾波器高壓電容;du/dt為電壓變化速率。±800kV直流輸電工程中整流站BP11/BP13濾波器配合電流Icoord≈4.1kA,HP24/36和HP3濾波器配合電流Icoord≈8.1kA;逆變站HP12/24濾波器配合電流Icoord≈11kA。高壓避雷器F1的最大能量和電流出現在近區(qū)故障中,Lx取20H,采用8/20μs的電流波形和最低避雷器保護特性,來確定F1避雷器的參數。低壓避雷器F2的Lx取值應使避雷器負載達到最大,采用最大配合電流計算避雷器的最大保護水平。整流站和逆變站交流濾波器避雷器參數如表4和表5所示。其中ULIPL為雷電沖擊保護水平;Icoord為避雷器配合電流。5計算結果和分析5.1暫態(tài)負載的計算仿真計算了交流濾波器電抗器和電阻器上可能出現的暫態(tài)沖擊電流和能量的最大值,是電阻器和電抗器的制造的重要設計依據。表6和表7給出了交流濾波器電抗器和電阻器暫態(tài)負載計算值,可以用來確定設備耐受沖擊電流的能力。對于干式電抗器,沖擊耐受強度和匝間應力由最大暫態(tài)沖擊電流決定。5.2交流濾波器的跨接緣形根據避雷器的參數ULIPL確定與其相連的元件的絕緣水平。高壓電抗器雷電耐受水平ULIWL和操作耐受水平USIWL分別為F1和F2的ULIPL和USIPL的總和加上絕緣裕度。雷電沖擊絕緣水平最小裕度取20%,操作沖擊絕緣水平最小裕度取15%?！?00kV直流輸電工程整流站和逆變站交流濾波器各元件高壓端(HV)、低壓端(LV)和跨接的絕緣水平見表8和表9所示。如表8和表9中所示,HV端子絕緣水平用以選擇電容器組高壓端母線的支撐絕緣子;LV端子絕緣水平用以選擇電容器組底部的支撐絕緣子;跨接絕緣水平用以選擇電容器組內電容器單元出線套管和層間支撐絕緣子,并決定電容器單元的極間絕緣水平和短路試驗電壓。高壓電容器的跨接水平是由交流母線避雷器保護水平和電容器低壓端避雷器F1保護水平共同決定的。對于交流濾波器電抗器而言,跨接絕緣水平用以確定電抗器本體的高度和外絕緣情況,跨接絕緣水平與電抗器的設計高度成正比。交流濾波器電阻器的跨接絕緣水平決定了電阻器箱體的引線套管的長度。本文所選的交流濾波器避雷器配置方案能夠滿足系統安全運行要求,同時將交流濾波器設備的絕緣水平、暫態(tài)負載控制在合理的水平,降低設備制造難度,減少設備運行風險。6交流濾波器內避雷器參數及約束本文基于我國在建±800kV直流輸電工程系統條件,采用最惡劣的運行條件,得到主要結論有:1)根據±800kV