高壓教材第四篇課件-第十二直流輸電中的高電壓技術(shù)-第六

二、直流輸電系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)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(guò)電壓波吸收電容器、導(dǎo)線的線間電容和對(duì)地電容等。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或進(jìn)行操作時(shí)，由于系統(tǒng)參數(shù)和工作條件的改變，會(huì)引起電容和電感間的電磁能量轉(zhuǎn)換，造成內(nèi)部過(guò)電壓。由于直流系統(tǒng)通過(guò)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(guò)電壓也會(huì)通過(guò)換流變壓器傳入直流系統(tǒng)，產(chǎn)生傳遞過(guò)電壓。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)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(jìn)一步升高。直流系統(tǒng)的內(nèi)部過(guò)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(dòng)、直流電流間斷等都可以是過(guò)電壓的起因。從出現(xiàn)頻度、幅值（倍數(shù)）、對(duì)絕緣的影響等方面來(lái)考慮，選擇以下幾種內(nèi)部過(guò)電壓作介紹：（一）全電壓起動(dòng)過(guò)電壓這種過(guò)電壓與交流系統(tǒng)中的合空線過(guò)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(guò)程有些相似。當(dāng)直流線路正常投入時(shí)，控制系統(tǒng)中的起動(dòng)裝置會(huì)調(diào)節(jié)觸發(fā)角使直流電壓從零經(jīng)一定的時(shí)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(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓。但是，如果全部整流橋在誤動(dòng)作的情況下，突然作全電壓起動(dòng)，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(dǎo)線的電感對(duì)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(dāng)電壓波從開路末端反射回始端時(shí)，全線的對(duì)地電壓都上升到2Udc，由于整流器不可能讓反向電流通過(guò)，閥電流iα立即間斷（相當(dāng)于圖12-19中的開關(guān)S打開），接下去的過(guò)程就是充電到2Udc的線路電容Cl通過(guò)平波電抗器與部分線路電感合成的等效電感L對(duì)極電容Cp進(jìn)行放電。由于線路上的電壓Ul(=2Udc)，只能通過(guò)沿絕緣子的泄漏和電暈放電慢慢下降，而且Cl>>Cp，所以在過(guò)電壓發(fā)展過(guò)程中，可認(rèn)為Ul一直保持著2Udc的對(duì)地電壓，而在放電振蕩過(guò)程中極電壓Up將超過(guò)Ul。實(shí)際得到的極電壓最大值Up可達(dá)2.2Udc左右，如圖12-20所示。由于這種過(guò)電壓的幅值較大，所以控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)全電壓起動(dòng)的情況。當(dāng)電壓波從開路末端反射回始端時(shí)，全線的對(duì)地電壓都上升到2Udc，由于整流器不可能讓反向電流通過(guò)，閥電流iα立即間斷（相當(dāng)于圖12-19中的開關(guān)S打開），接下去的過(guò)程就是充電到2Udc的線路電容Cl通過(guò)平波電抗器與部分線路電感合成的等效電感L對(duì)極電容Cp進(jìn)行放電。由于線路上的電壓Ul(=2Udc)只能通過(guò)沿絕緣子的泄漏和電暈放電慢慢下降，而且Cl>>Cp，所以在過(guò)電壓發(fā)展過(guò)程中，可認(rèn)為Ul一直保持著2Udc的對(duì)地電壓，而在放電振蕩過(guò)程中極電壓Up將超過(guò)Ul。實(shí)際得到的極電壓最大值Up可達(dá)2.2Udc左右，如圖12-20所示。由于這種過(guò)電壓的幅值較大，所以控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)全電壓起動(dòng)的情況。（二）一極接地在另一健全極上引起的過(guò)電壓在雙極直流線路上，兩極導(dǎo)線間存在電容耦合和電磁耦合，因此當(dāng)一極發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)在另一極（健全極）導(dǎo)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(huì)引起過(guò)電壓。就電容耦合而言，可設(shè)圖12-21中的負(fù)極線上的p點(diǎn)發(fā)生接地故障，這時(shí)在p點(diǎn)突然出現(xiàn)一幅值為+Udc的電壓波，從接地點(diǎn)p向兩側(cè)傳播，所到之處，負(fù)極線的對(duì)地電壓均變?yōu)榱?。這一電壓波通過(guò)電容耦合在正極線上感應(yīng)出來(lái)的電壓波幅值應(yīng)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(zhì)（例如感性終端或容性終端）有關(guān)。如為感性終端或終端開路時(shí)，兩端反射波未到達(dá)

P’點(diǎn)之前,Up’應(yīng)為由此就不難理解以下幾種現(xiàn)象：（1）此種過(guò)電壓的幅值與波形隨故障點(diǎn)位置的不同而有相當(dāng)大的差別，最嚴(yán)重的條件是接地故障發(fā)生在線路中點(diǎn)M處，這時(shí)過(guò)電壓的幅值最大，并將出現(xiàn)在健全極導(dǎo)線的中點(diǎn)M’處。（2）如果接地故障發(fā)生在圖12-22中的p點(diǎn)處，最大過(guò)電壓將出現(xiàn)在健全極導(dǎo)線的q’點(diǎn)處（q’點(diǎn)為p’點(diǎn)的鏡象），這可以解釋為：電壓波從p’點(diǎn)向兩端傳播并在終端反射后，兩反射波正好在q’點(diǎn)迎面相逢，形成最大過(guò)電壓。這種過(guò)電壓還有另一個(gè)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(huì)抬高健全極p’點(diǎn)上的過(guò)電壓。關(guān)于合成后的過(guò)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(guò)電壓的波形大致為：在直流運(yùn)行電壓上疊加一個(gè)同極性的沖擊電壓波。這個(gè)沖擊電壓波的波前時(shí)間T1處于零（故障點(diǎn)）到數(shù)千μs（離故障點(diǎn)數(shù)公里處）的范圍內(nèi)。換言之，必然會(huì)在離故障點(diǎn)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(guò)電壓（站內(nèi)接地過(guò)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(yán)重污染時(shí)。例如在每極二橋串聯(lián)的換流站內(nèi)，當(dāng)平波電抗器L的閥側(cè)套管發(fā)生對(duì)地污閃時(shí)，換流站內(nèi)各點(diǎn)的對(duì)地電壓將發(fā)生變化：出現(xiàn)故障的導(dǎo)線的對(duì)地電壓u4發(fā)生了振蕩式截?cái)?，由原先?/p>

U4急劇下降，而且會(huì)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(jì)算點(diǎn)的電位在最初的數(shù)微秒內(nèi)還來(lái)不及作相應(yīng)的改變，例如變壓器閥側(cè)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(shí)接在3、4兩點(diǎn)之間的設(shè)備（例如換流閥V12）就會(huì)受到?jīng)_擊電壓u3-4(=u3-u4)

的作用。這種過(guò)電壓具有很陡的波前（波前時(shí)間T≈0.3~3.0μs）和很短的半峰值時(shí)間，所以不像標(biāo)準(zhǔn)雷電波（1.2/50μs），可能用1/5μs沖擊短波來(lái)模擬更為合適。由于換流閥的絕緣對(duì)陡波的作用特別敏感，所以這種過(guò)電壓將是換流閥最危險(xiǎn)的運(yùn)行條件。這種過(guò)電壓的存在，是可控硅閥的高壓試驗(yàn)項(xiàng)目中必須包括雷電沖擊高壓試驗(yàn)和陡波試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)。（四）直流輸電系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓小結(jié)（1）HVDC系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓的產(chǎn)生與其工況密切相關(guān)，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(zhuǎn)等）下出現(xiàn)共振現(xiàn)象。（2）HVDC系統(tǒng)的內(nèi)部過(guò)電壓幅值大都小于運(yùn)行電壓的2倍，由于采用了控制極的閉鎖與導(dǎo)通來(lái)消除故障，操作過(guò)電壓可進(jìn)一步減小，所以通常在絕緣設(shè)計(jì)和作絕緣配合時(shí)選用的計(jì)算倍數(shù)為1.7~2.0倍。（3）內(nèi)部過(guò)電壓的試驗(yàn)波形：各種內(nèi)部過(guò)電壓的實(shí)際波形是多種多樣的，但絕大多數(shù)是在一個(gè)相當(dāng)大的直流電壓分量上疊加一個(gè)單極性沖擊波、或疊加一個(gè)衰減振蕩波、或疊加一個(gè)包含高次諧波的工頻交流電壓分量而組成：?jiǎn)螛O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(shí)用目的，總得規(guī)定出一種簡(jiǎn)單而又具有代表性的典型試驗(yàn)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(yàn)波形（例如250/2500μs）作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)電壓波形（即不考慮直流分量的有利影響），則條件過(guò)于苛刻。比較恰當(dāng)?shù)倪€是采用前面圖12-11所示的直流電壓分量與長(zhǎng)波前沖擊波相疊加的合成波形，不過(guò)此時(shí)后一分量的波前時(shí)間T1仍應(yīng)取對(duì)空氣絕緣最不利的數(shù)值（100~300μs），這種波形在高壓實(shí)驗(yàn)室里不難產(chǎn)生。三、過(guò)電壓防護(hù)措施（一）概述降低絕緣水平，特別是降低主要設(shè)備（例如可控硅閥、高壓直流電纜等）的絕緣水平，對(duì)于節(jié)約直流輸電系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用具有重要的意義。要想降低設(shè)備的絕緣水平，就得先設(shè)法降低或限制作用在絕緣上的過(guò)電壓幅值。與交流變電站比較，直流輸電系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)的特點(diǎn)為：（1）保護(hù)的重點(diǎn)對(duì)象不同：交流變電站為主變壓器，換流站為可控硅閥；（2）保護(hù)措施的多樣化：（3）直流避雷器與交流避雷器在運(yùn)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(shè)計(jì)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如要求控調(diào)系統(tǒng)能防止全電壓起動(dòng)、防止電流間斷、針對(duì)不同類型的故障選用移相、閉鎖、投旁通對(duì)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(guò)電壓。例如換流器換相結(jié)束時(shí)的關(guān)斷振蕩就可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)淖枘峄芈芳右砸种啤＃?）利用平波電抗器降低過(guò)電壓。它能減小從直流線路入侵的過(guò)電壓波的幅值和陡度。（4）加裝沖擊波吸收電容器，它對(duì)過(guò)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(gè)發(fā)展階段：·直流避雷器問(wèn)世之前（1966年以前，主要采用保護(hù)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(wèn)世后（1973年以后）?！裰绷鞅芾灼鬟\(yùn)行條件的特點(diǎn)直流避雷器的運(yùn)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(guò)自然零值的時(shí)機(jī)可利用來(lái)切斷續(xù)流，而直流避雷器沒有這樣的時(shí)機(jī)可資利用，只能依靠磁吹使火花間隙中的電弧拉長(zhǎng)、冷卻，以提高其電弧電阻與電弧電壓，采取強(qiáng)制形成電流零值的滅弧方式。由于直流系統(tǒng)中電流不過(guò)零，電壓中含有高次諧波，再加上直流輸電線路很長(zhǎng)或接有較長(zhǎng)的電纜段，所以直流避雷器的負(fù)擔(dān)是很重的?！駥?duì)直流避雷器的技術(shù)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(gè)部位可能出現(xiàn)的過(guò)電壓波形及其延續(xù)時(shí)間的變化范圍很大，直流避雷器對(duì)于各種波形的過(guò)電壓都應(yīng)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(dòng)作后，應(yīng)能容許直流系統(tǒng)中儲(chǔ)存的巨大能量通過(guò)避雷器耗散。（3）要具有很強(qiáng)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(yīng)能可靠地切斷續(xù)流。（4）避雷器動(dòng)作時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)不應(yīng)太大，在切斷直流續(xù)流時(shí)也不應(yīng)在電感元件上引起過(guò)高的截流過(guò)電壓。（5）在過(guò)電壓作用下動(dòng)作時(shí)，避雷器的殘壓不應(yīng)超過(guò)特定值。（6）在直流系統(tǒng)通過(guò)避雷器泄放電荷的過(guò)程中，避雷器上的總壓降不能超過(guò)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(shè)計(jì)者的任務(wù)。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(shí)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(dāng)時(shí)所用的閥片均為SiC閥片。在很長(zhǎng)的直流線路（特別是電纜線路）通過(guò)避雷器放電的情況下，放電電流可高達(dá)1500~2500A，延續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)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(duì)保護(hù)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(qiáng)、通流能力（耗能容量）大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小；而這些正好是氧化鋅避雷器的突出優(yōu)點(diǎn)。具體地說(shuō)，在直流輸電系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，ZnO無(wú)間隙避雷器的主要優(yōu)點(diǎn)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(hù)水平低，從而使換流站設(shè)備的絕緣水平得以降低。（2）耗能容量大。ZnO閥片的熱容量遠(yuǎn)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(guò)某個(gè)柱的電流較大時(shí)，其電阻將增大，因此這個(gè)柱的電流將有所減小，從而使各柱電流的分配將能自動(dòng)調(diào)節(jié)，趨于均勻。所以ZnO避雷器的能量耗散能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SiC避雷器，設(shè)計(jì)時(shí)可取其泄能容量為150~200J/cm3。這意味著ZnO避雷器的體