劉雨佳，何柏娜，榮 博，邊晨曦，戴雪婷

(1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000；2.山東計保電氣有限公司，山東 淄博 255000)

中國能源與用電負荷呈逆向分布，特高壓直流輸電(ultra high voltage direct current，UHVDC)在解決資源供需關系失衡中起主導作用，是目前大容量、遠距離輸電的最優(yōu)技術方案[1-3]。換流站承擔UHVDC系統(tǒng)交直流轉換的作用，是建設UHVDC工程的核心。換流站運行時，極易發(fā)生操作過電壓[4-6]，擊穿設備絕緣，嚴重威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

換流站操作故障具有不確定性，且不同類型、不同位置的故障電壓暫態(tài)特性多種多樣，無法采用單一措施抑制過電壓。為滿足實際工程的應用需求，劉士利等[7]采用平波電抗器分置布局，減小關鍵位置處最高運行電壓與換流變閥側繞組電壓的振幅，降低電壓失穩(wěn)度；王贊等[8]提出極線單端接地運行、金屬回線接地極與換流站共用接地網(wǎng)的方式，保障接地網(wǎng)電位升高時設備運行安全和人身安全；岳涵[9]等結合調相機輸出容性無功的特點，減少濾波器投入量，降低濾波器滯后切除引起的過電壓。也有學者從提高系統(tǒng)絕緣配合方面展開研究，陳晴[10]、劉羿辰[11]等分別基于柔性直流系統(tǒng)和±1100 kV系統(tǒng)換流站的過電壓特性，優(yōu)化換流站避雷器配置方案，提高換流站絕緣水平和系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

本文在研究換流站操作過電壓問題上，充分考慮外部電磁環(huán)境對換流站操作過電壓的影響。外部電磁環(huán)境的重要影響因素是導線表面電場[12-13]，線路電磁耦合、分裂間距、氣候條件等因素均會影響導線表面場強分布[14-16]，增強直流導線間電磁感應，加重電壓失穩(wěn)。因此，導線表面電場對換流站操作過電壓的影響不容忽視。

本文搭建800 kV六分裂直流導線模型，模擬3種典型換流站操作故障，分析分裂間距、導線表面電場與操作過電壓的關系，研究直流線路表面電場對換流站電壓穩(wěn)定性的影響。

1 換流站模型

本文搭建±800 kV換流站仿真模型，模型以向家壩—上海UHVDC工程為基礎，整流逆變側均采用雙十二脈動閥組串聯(lián)的接線方式，換流站正負極線各裝設2臺0.075 H的平波電抗器，布局采用平抗分置。換流變壓器為三相單繞組，主要參數(shù)見表1。站內交直流濾波器結構見圖1、參數(shù)見表2。輸電線路全長2000 km，布置及參數(shù)見表3。

表1 換流變壓器模型參數(shù)

圖1 交直流濾波器結構

表2 交直流濾波器元件參數(shù)

表3 直流輸電導線模型參數(shù)

基于上述設計參數(shù)，搭建如圖2所示的換流站仿真模型。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時正負直流極線電壓如圖3所示。由圖3可知，換流站穩(wěn)態(tài)運行時正負極線電壓為±800 kV，滿足設計參數(shù)及換流站模型設計條件。

圖2 換流站整體布局

圖3 向家壩—上海UHVDC工程直流極線電壓波形

2 換流站直流線路表面電場

2.1 表面電場產(chǎn)生機理

直流輸電導線電壓極性不變，被電離出的同極性離子因電荷斥力運動至導線外部，形成包圍層，改變了導線空間電場分布。被電離的正負離子引發(fā)導線雙極間直流電暈放電現(xiàn)象，如圖4所示。其中，D0為連接中心對稱的兩子導線圓心距；d0為子導線直徑；Dm為單根六分裂直流導線直徑。

圖4 直流導線離子分布

本文基于模擬電荷法計算直流分裂導線表面電場，分析導線表面場強的影響因素。搭建800 kV六分裂直流輸電導線模型，模擬不同分裂間距下分裂導線及其子導線表面電場分布。

模擬電荷法是在分裂導線內部選取1組模擬電荷，等效為導線表面自由電荷，并在子導線表面設置校驗點，進行電壓差值校驗。若校驗點與實際電壓差值在誤差允許范圍內，則認為該模擬電荷可代替實際電荷。子導線總電荷數(shù)由式(1)求出。

U=p·q

(1)

式中：U為分裂導線電壓矩陣式；p為分裂導線電位系數(shù)矩陣式；q為分裂導線總電荷矩陣式。

自電位系數(shù)paa和互電位系數(shù)pab共同組成電位系數(shù)矩陣p，如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

(4)

式中：ε0為空氣介電常數(shù)；Ha為等效導線a的對地高度；lab為第a、b2根等效導線的相對距離；lAB為第a、b2根等效導線的鏡像投影距離。

設(Xa,Ya)為模擬電荷a的坐標，(xa,ya)為導線表面任一點的坐標，分裂間距等效為點(Xa,Ya)與點(xa,ya)的相對距離d，則導線X軸、Y軸表面場強分量的表達式如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

式中：qa為第a個模擬電荷量；E0為初始場強；Ex、Ey為所求點的軸向場強分量。

由式(5)、式(6)可知，Ex、Ey與相對距離d密切相關。不考慮測量誤差、正負極線間電磁耦合及空氣濕度等外界環(huán)境因素，理想條件下導線總合成場強E表達式如式(7)所示。

(7)

綜合分析式(5)—(7)可知，分裂間距是導線表面場強的重要影響因素之一，選擇合適的分裂間距，可優(yōu)化直流導線表面電場分布，改善輸電線路電磁環(huán)境。

2.2 仿真分析

本文建立800 kV直流分裂導線模型，分析導線表面電場分布，不同分裂間距仿真結果如圖5、圖6所示，直流導線最大表面場強見表4。

(a)分裂間距為0.3 m

圖6 不同分裂間距下分裂子導線表面電場分布

表4 不同分裂間距下直流導線最大表面場強

由圖5、圖6可知，子導線內外表面電場整體分布不均，局部高強度場強集中分布于子導線外表面，內表面場強較弱。子導線表面最大場強Em隨分裂間距增大先減后增，呈U型變化趨勢，d=0.4 m時表面場強最小。仿真結果表明，分裂間距改變導線表面場強及電場空間分布，影響線路電磁環(huán)境和輸電電壓穩(wěn)定性。

3 換流站操作過電壓

HVDC換流站直流導線表面場強過高會引發(fā)嚴重電暈，影響線路電壓穩(wěn)定性，加重換流站操作過電壓。本文模擬典型換流站故障，分析分裂間距、表面場強對換流站直流線路過電壓的影響。

3.1 單極直流輸電線路接地故障

設定t=1.0 s時正極直流極線接地短路，分裂間距d為0.3～0.5 m時負極線路極線電壓如圖7所示。由圖7可知，1.0 s故障發(fā)生后，正極極線以故障點為中心，向線路兩端輸送反向故障電壓行波，負極電路感應到突變的反向脈沖電流，導致電壓迅速升高。1.01 s時極線電壓達到反向過電壓峰值，隨后大幅回落，故障后0.07 s逐步恢復穩(wěn)定，1.2 s左右重新達到穩(wěn)態(tài)值。

圖7 0.3～0.5 m分裂間距下負極極線電壓

仿真結果表明，分裂間距d=0.5 m時，極線反向過電壓最高，故障電壓恢復速度最慢；d=0.3 m時，Em最大，如表4所示，表面電場對故障后極線電壓干擾最強，雖然故障電壓能快速恢復穩(wěn)態(tài)運行，但穩(wěn)態(tài)值明顯高于故障前極線電壓值；d為0.35～0.45 m時，過電壓幅值較小、電壓恢復速度較快，且故障后電壓穩(wěn)態(tài)值與故障前基本一致。

綜合表4分析可得，d為0.35～0.45 m時，導線表面場強較小，故障后極線電壓可控性較高，輸電環(huán)境較穩(wěn)定。

3.2 逆變側交流電網(wǎng)單相接地故障

在換流站逆變側交流電網(wǎng)處設置A相接地故障，t=1.0 s發(fā)生故障，故障持續(xù)時間0.05 s，分裂間距d為0.3～0.5 m時正極直流輸電線路電壓如圖8所示。

圖8 0.3～0.5 m分裂間距下正極直流極線電壓1

由圖8可知，1.0 s交流逆變側A相接地故障發(fā)生后，操作沖擊電壓波以全幅值通過換流變內部，靜電電磁感應加速行波傳遞至閉鎖的換流閥側，正極極線產(chǎn)生反向過電壓，d=0.3 m和d=0.5 m時，反向過電壓峰值較大，約為-750 kV。1.05 s故障清除后，電壓持續(xù)波動，隨分裂間距的增大，電壓波動范圍ΔU遞減，1.45 s后逐漸趨于穩(wěn)定。仿真結果表明，隨分裂間距的增大，電壓波動范圍ΔU遞減，與d=0.3 m相比，d=0.5 m時ΔU縮短約30%，極線電壓暫態(tài)穩(wěn)定性更高。

結合表4分析可得，d=0.4 m和d=0.45 m時，Em、反向過電壓峰值及ΔU均較小，故障后極線電壓穩(wěn)定性較高。

3.3 逆變側失去交流電源故障

設定t=1.0 s時換流站發(fā)生逆變側失去交流電源故障，分裂間距d為0.3～0.5 m時，故障正極極線電壓如圖9所示。

圖9 0.3～0.5 m分裂間距下正極直流極線電壓2

由圖9可知，發(fā)生故障后，由于交流側故障能量的持續(xù)注入及無功補償設備投切不及時，導致電壓失穩(wěn)，極線電壓先減后增，1.15 s后穩(wěn)定于900 kV左右，呈周期性振蕩。仿真結果表明，同一振蕩周期內，分裂間距d=0.3 m和d=0.5 m時的電壓波動范圍較大，電壓穩(wěn)定性較差。結合表4分析可得，d=0.3 m時導線Em最大，線路電磁環(huán)境不穩(wěn)定，加劇故障時電磁振蕩現(xiàn)象。

綜上，d為0.35～0.45 m時，直流導線表面場強較小，故障后極線電壓振蕩程度較小，電壓穩(wěn)定性較高，系統(tǒng)過電壓危害大幅降低。

3.4 操作過電壓與表面電場

分裂間距d為0.3～0.5 m時，導線最大表面場強與上述3種換流站操作過電壓的變化關系如圖10所示。由圖10可知，d=0.3 m時，表面場強最大，線路電磁環(huán)境最差；0.3 m≤d<0.4 m時，表面場強遞減；d=0.4 m時場強最??；0.4 m

圖10 不同分裂間距導線最大表面場強與操作過電壓變化關系

分析表明，直流輸電導線選擇分裂間距d為0.35～0.45 m，表面場強和故障過電壓均較小，有利于維持故障后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，降低操作過電壓對系統(tǒng)產(chǎn)生的危害。

4 結論

a.直流分裂導線表面場強集中于子導線外表面，隨分裂間距增大，場強先減后增，d=0.4 m時場強最小，總體呈U型變化趨勢。

b.不同分裂間距下，導線表面場強與換流站操作過電壓呈正相關變化，d為0.3～0.45 m時，故障后電壓暫態(tài)穩(wěn)定性和可控性較高，是設計線路的優(yōu)先選擇方案。研究結果可為實際工程建設中±800 kV換流站直流輸電線路結構設計提供參考。