3.8直流极线接地故障 .......................................................... 21 3.9本章小结 .................................................................. 22 4. 柔性直流输电系统的绝缘配合 .................................................. 22 4.1柔性直流输电系统的操作过电压统计 .......................................... 23 4.2柔性直流输电系统的避雷器配置 .............................................. 24 4.2.1换流站交流母线避雷器A1 ............................................................................................ 24 4.2.2换流变压器与换流阀连接母线避雷器A2 ..................................................................... 25 4.2.3 IGBT并联避雳器V ...................................................................................................... 25 4.2.4直流极线避雷器DL ....................................................................................................... 25 4.3本章小结 .................................................................. 26 5. 结论 ......................................................................... 26
1.研究背景和内容
柔性直流输电技术，即基于电压源型换流站的直流输电技术，是一种新型的 直流输电技术，它使用可控的具有自关断能力的电力电子器件（如IGBT, GTO 等）代替了传统直流输电技中的晶闸管作为换流器件，解决了传统直流输电系统 无法向无源系统供电的缺陷。同时，山于脉宽调制
（PWM）等技术的使用，使 柔性直流输电系统具有可实现无源逆变、滤波及无功补偿设备简单、
换流站建设 成本低和潮流控制灵活等优势，在向偏远孤立负荷供电、联接分散的小型电场以 及构建多端城市电网等方面具有广阔的应用前景。
山于柔性直流输电系统在换流阀的工作特性、电路拓扑结构以及VSC换流 站控制系统等方面不同于传统的直流输电系统，因此系统中发生故障时系统中各 节点的过电压特性也不同于传统的直流输电系统，对电力设备的绝缘设汁提出了 新的要求；同时，避雷器作为系统中过电压防护的重要设备，在柔性直流输电系 统的过电压特性下，对避雷器的参数选择及配置方案也提出了新的要求。因此， 通过建立柔性直流输电系统的PSCAD仿真模型研究故障下系统中的过电圧特 性，可以为柔性直流输电系统中的避雷器配置和绝缘配合提供相应的参考。
综上所述，主要报告的研究内容如下：
（1） （2） （3）
建立两端的柔性直流输电系统仿真模型。
计算各种常见故障下柔性直流输电系统中各节点的预期过电压。 根据（2）中预期过电压的计算结果，提出相应的避雷器配置建议。
2-两端柔性直流输电系统仿真模型的建立
本项LI中以两端柔性直流输电系统（如图2-1）为例进行分析，建立了相应 的PSCAD仿真模型。本章将对模型中的各模块进行阐述。
2.1柔性直流输电系统参数
2.1.1换流站电路拓扑
模型中换流站采用传统的三相两电平结构，如图2-2所示。
2.1.2交流系统等效模型
在模型中，将换流站的交流侧系统等效为交流电源和阻抗的串联，设定交流 系统的额定电压为115RV,整流侧交流系统为强交流系统而逆变侧交流系统为弱 交流系统，等效的电源参数如表2-1所示，两端交流系统的等效模型如图2-3所 示。设定交流电源的零序阻抗等于正序阻抗的3倍，以准确计算交流系统发生故 障时系统中的过电压幅值。
5
二
n
二
Ph
o =•
f
—I~RL]
电源电圧/kV 整流侧 逆变侧 _|i*
阻抗角/° 表2-1交流系统等效参数 正序阻抗/Q 115 115 （a）整流侧
0.37557 26.45 （b）逆变侧
80 80 图2-3交流系统电源模型
2.1.3换流变压器参数
换流变压器为三相双绕组变压器，变压器绕组为Y/△接法，其中交流侧绕组 采用Y接法，中性
点接地。变压器变比为115kV/62.5kV,绕组漏电抗为O.lp.u.o
2.1.4交流滤波器与直流电容器
对于柔性直流输电系统，利用PWM技术和控制系统可以简化滤波和无功补 偿设备，因此在模型中仅有简单的交流滤波器，并且都为低通滤波器（图2-4）。 其中，整流侧滤波器电容
C|=139.0pF,电阻/?!=0.5Q；逆变侧滤波器电容 C2=2.0pFo
==a
=L Q
<
:R
、
(b)逆变侧
图2-4交流滤波器模型
(a)整流侧
换流站每极出口并联有直流电容器，起到缓冲换流阀开断过程中的冲击电流 以及减少直流电压的谐波的作用。直流电容值为1000卩F。
2.1.5直流输电线路
为了减少输电线路的故障概率，直流输电线路采用电缆，线路长度为10km。 沿线的土壤电阻率为lOOQm,电缆参数如表2-2所示。
表2-2电缆参数* 电缆深度/m 导线间距离/m 导体半径/mm 导体宜流电阻率/Q・m 绝缘层1厚度/mm 外壳厚度/mm 绝缘层2厚度/mm 左电缆结构如图
1.0 0.4 10.4 2.82e-8 5.6 1.5 1.0 2-5所示
2.2 VSC换流站控制系统
模型中VSC换流站采用基于VSC稳态模型的控制方式，换流阀则采用
SPWM (正弦脉宽调制)技术。本节中将对控制系统进行简要的叙述。
2.2.1 SPWM控制原理
正弦脉宽调制(SPWM)的基本原理如图2-6所示，通过三角载波与正弦调 制波的比较产生一系列触发脉冲控制IGBT的通断，每一相上下桥臂交替导通， 则VSC换流站的输出电压在+%和
之间切换，基频分量即为工频正弦电压。
2 2
同时，VSC输出电压％与直流电压Hdc满足关系式：
遥
其中，M为SPWM的调制度。
图2-6 SPWM原理图
图2・7两个交流系统通过电抗器相连
将VSC换流站和交流系统等效为交流电源，两者通过一个电抗器相连，如 图2・7所示。假设电抗器为理想电抗器并且忽略谐波分量，VSC换流站和交流系 统之间的功率传输满足下式：
—5%
X. r
Xj
式 中：/为VSC输出电压的基波分量，刃为交流母线的基波分量，5为两者 之间的相位差，乩为电抗器的电抗。由公式可得，当心0即U滞后/时，VSC 发出有功功率，工作在逆变状态；当/<0即0超前必时，VSC吸收有功功率，
工作在整流状态，相位差磚于SPWM的调制波相角。因此利用通过控制SPWM 的调制度和调制波相角可以实现对电网电圧和系统输送功率的控制。
2.2.2整流站控制
整流站控制采用定无功功率控制和有功功率控制。定无功功率控制为前馈控 制，基本框图如图2-8所示，通过讣算无功功率的测量值与设定值之间的误差， 并将40作为PI控制器的输入，通过比例节分环节计算得到使无功功率误差40 趋于零的PWM的调制波的幅值。
PI 图2・8圧无功功率控制框图
有功功率控制根据整流侧传输的有功功率以及有功功率的变化率讣算得到 使有功功率变化量趋于零的相角&),并加上变压器山于Y/△接法造成的30。相角 偏移和交流系统原先的相角得到
PWM的调制波相角。
2.2.3逆变站控制
逆变站采用定直流电压控制和定交流电压控制。定直流电压控制为前馈控 制，基本框图如图
2-9所示，输入量为逆变侧交流系统的平均三相交流电压有效 值。通过讣算测量值和设定值的误差，
并将作为PI控制器的输入，通过比 例积分环节计算得到使误差趋于零的PWM的调制波幅值。
PI
图2・9泄交流电压控制框图
定交流电压控制为前馈控制，基本框图如图2・10所示，输入量为直流极线 间电压。通过计算测量值和设定值的误差，并将ASc作为PI控制器的输入，通 过比例积分环节讣算得到使误差趋于零的相角&),并加上变压器山于Y仏接法造 成的30。相角偏移和交流系统原先的相角得到PWM的调制波相角。
Pl
U
dtTcf
图2・10泄直流电压控制框图
2.3系统正常运行结果
根据上文所述的各模块模型建立整体的两端柔性直流输电系统仿真模型，如 图2-11所示。
图2・11两端柔性直流输电系统模型
系统正常运行时，直流电压为±60.87kV (图2-12 (a)),直流电流为0.8RA (图2-12 (b))o同时，由于IGBT开关频率高(1650Hz),逆变侧交流电压低频 谐波分量少，在逆变侧交流系统仅有一组电容器的情况下交流电压含有少量的高 频谐波(图2-12 (c))；整流侧采用定无功功率控制，正常运行时VSC换流站不 消耗无功功率(图2・12 (d)),大大减少了无功补偿设备的需求。
100
80
60
40
(a)直流电压 (b)直流电流
&0604020020 AW7 ■-60- -80-
-100
-120-
2.00 2 01 2 02 2 03 2 04 2 05 2 06 2 07 2 08 2 09 2.10
00 05 10 1 5 20 25 30 35 40 45 50
r/s
(C)逆变侧交流电压 (d)整流侧无功功率
图2・12系统正常运行相关波形
2.4本章小结
本章中建立了两端柔性直流输电系统的PSCAD仿真模型，用于下文中柔性 直流输电系统在故障时的过电压和过电流规律的分析。
3. 柔性直流输电系统中的操作过电压
3.1柔性直流输电系统的过电压
根据上一章建立的仿真模型，本章将计算柔性直流输电系统中出现故障时系 统重要节点的预期过电压。对于柔性直流输电系统，系统中的过电压主要分为暂 时过电压，雷电过电压和操作过电压。暂时过电压主要包括甩负荷等，雷电过电 压主要包括雷电沿交流线路、直流线路入侵引起的过电压，雷电直击电站设备引 起的过电压等，柔性直流输电系统的暂时过电压与雷电过电压将在笫4章柔性直 流输电系统的绝缘配合中进行叙述，在此不进一步讨论。操作过电压按照故障产 生的位置可分为换流站交流侧故障，换流站直流线路故障以及换流站内故障。本 章考虑故障发生概率及对系统的危害等因素，计算了以下7种故障其对应的系统 各节点的预期过电压：
（1） 换流站交流侧故障
•交流系统单相接地故障
•交流系统单相接地后断路器自动重合闸 •交流系统两相短路故障 •交流系统两相短路接地故障
（2） 换流站内故障
•换流变压器与换流阀连接母线单相接地故障 •换流阀阀顶接地故障
（3） 换流站直流线路故障
•直流极线接地故障
下文将依次对各个故障下的系统中的预期过电压。
3.2交流系统单相接地故障
换流站交流母线c相发生瞬时性单相接地故障（图3-1）,故障发生时间为 2.017s （交流电压相位约为90° ）,故障持续50ms。
图3」换流站交流母线单相接地故障
321整流侧交流系统单相接地故障
故障发生在整流侧时，系统中各节点的电圧波形如图3-2所示:
1
(a)整流侧交流母线电压
(b)单个IGBT两端电压 (c)换流阀阀顶对地电压
图3-2整流侧交流母线单相接地故障相关波形
3.2.2逆变侧交流系统接地故障
故障发生在逆变侧时，系统各节点的电压波形如图3-3所示:
150
2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 225 2.30 2.35 2.40 2.45 2.S0
(b)单个IGBT两端电压 (c)换流阀阀顶对地电压
图3-3逆变侧交流单相接地故障相关波形
323过电压分析
计算结果如图3-2, 3-3所示。当换流站交流母线发生单相接地故障时，与 交流系统类似，
山于不对称故障时零序电压的存在，交流母线的非故障相电压升 高；同时当接地故障消失时，故障相交流电压会产生一个较高的过电压；但由于 直流系统的隔离作用，一侧交流母线的单相接地故障并未对对侧换流站的交流系 统产生影响。如图3-2 (a), 3-3 (a)所示，故障发生在整流侧时，整流站交流 母线非故障相过电压最高1.2p.u.；故障发生在逆变站时，逆变站交流母线非故障 相过电压最高1.2p.u.,故障相在故障消失时产生过电压，幅值达到1.56p.u,通 过控制系统对
SPWM的调制度M和相角3的调整，使交流系统的单相接地故障 基本没有对单个IGBT两端
电压以及换流阀阀顶对地电压的幅值产生影响(图3-2 (b)、(c),图 3-3 (b)、(c))o
3.3交流系统单相接地故障后断路器自动重合闸
为提高电力系统的供电可靠性，通常会在系统中设置自动重合闸装置。对于 110RV系统，断路器一般采用三相一次重合闸。设换流站交流母线c相发生单相 接地故障(如图3-4),故障产生的交流电压相位在一个工频周期内均匀分布，故
障持续70ms,考虑继电保护以及断路器操作时间在故障产生40ms后断路器三相 分闸，最大分闸不同期5ms,分闸300ms后断路器三相合闸，最大合闸不同期 10ms,在PSCAD模型中建立统计开关模块，通过120次计算得到各节点的98% 统计过电压值。
331整流侧交流系统单相接地故障
故障发生在整流侧时，系统中各节点的典型电压波形如图3-5所示:
(c)单个IGBT两端电压 (d)换流阀阀顶对地电压
图3・5整流侧交流母线单相接地故障相关波形 332逆变侧交流系统接地故障
故障发生在逆变侧时，系统各节点的典型电压波形如图3-6所示:
(a)逆变侧交流母线电压
(b)单个IGBT两端电压 (c)换流阀阀顶对地电压
图3-6逆变侧交流单相接地故障相关波形
333过电压分析
如图3-5, 3-6所示为计算结果的典型波形。当故障发生在整流侧时，整流 侧交流母线电压如图3-5 (a)所示，当断路器分闸后，系统发主潮流反转，逆变 站向整流站输送功率，进而使整流站交流母线电压较高的幅值，达到2.3p.u.；当 断路器合闸时，在系统中产生振荡，引起逆变侧交流母线、单个IGBT两端以及 换流阀阀顶对地电压产生高幅值的过电压(图3-5 (b)、(c)、
(e)),逆变侧交流 母线过电压为1.25p.u.,换流阀两端及换流阀阀顶对地电压最高达2.0p.u.o当故
障发生在逆变侧时，逆变侧交流母线在断路器分闸时在山于振荡高达3.1p.u.的过 电压(图3-6
(a))；断路器合闸时在单个IGBT两端以及换流阀阀顶对地电压产 生2.0p.u.的过电压(图3・6 (b)、(c))o
3.4交流系统两相短路故障
换流站交流母线b, c相发生两相短路故障(图3-7),故障发生时间为2.017s, 故障持续
50mso
GD-寸 t
^2i
T
图3・7换流站交流母线两相短路故障
341整流侧交流系统两相短路故障
故障发生在整流侧时，系统各节点电压波形如图3-8所示:
(a)整流侧交流母线电压
(c)换流阀阀顶对地电压
图3・8整流侧交流母线两相短路故障相关波形
3.4.2逆变侧交流系统两相短路故障
故障发生在逆变侧时，系统各节点电压波形如图3-9所示:
150
（C）换流阀阀顶对地电
压 图3・9逆变侧交流母线两相短路故障相关波形
343过电压分析
计算结果如图3-8, 3-9所示。当换流站交流母线发生两相短路故障时，同 交流系统中发生两相短路故障类似，系统中不存在零序电压，过电压幅值略低于 单相接地与两相接地故障。山于逆变侧交流系统为弱交流系统，故障发生在逆变 侧交流母线时产生较明显的过电压，非故障相最高为1.26p.u.,故障相为1.43p.u.
（图3-9（a））,单个IGBT两端及换流阀阀顶对地最高为1.46p.u.（图3・9（b）、
（c））。
3.5交流系统两相短路接地故障
换流站交流母线b, c相发生两相短路接地故障（图3-10）,故障发生时间为
2.017s,故障持续50mso
图3-10换流站交流母线两相短路接地故障
341整流侧交流系统两相短路接地故障
故障发生在整流侧时，系统各节点电压波形如图3・11所示:
//X
(a)整流侧交流母线电压
(b)单个IGBT两端电压 (c)换流阀阀顶对地电压
图3-11整流侧交流母线两相短路接地故障相关波形
3.4.2逆变侧交流系统两相短路接地故障
故障发生在逆变侧时，系统各节点电压波形如图3-12所示:
(a)逆变侧交流母线电压
180
1 9 2.0 2.1 22 2 3 24 25 2.6 2.7
(c)换流阀阀顶对地电压 (b)单个IGBT两端电压
图3-12逆变侧交流母线两相短路接地故障相关波形
3.4.3过电压分析
计算结果如图3-11, 3-12所示。换流站交流母线两相短路接地故障与单相 接地故障均为不对称短路故障，在故障时会在系统中产生零序电压，因此两种故 障下系统的过电压特征类似。当故障发生在整流侧时，接地故障时非故障相电压 最高达1.23p.u.(图3-11 (a)),通过控制系统对SPWM的调制度M和相角0的 调整，使交流系统的单相接地故障基本没有对单个IGBT两端电压以及直流电压 的幅值产生影响(图3-11 (b)、(c))o当故障发生在逆变侧时，山于逆变侧为弱 交流系统，系统的振荡更加剧烈，各节点的过电压幅值更高，非故障相最高达 l・3p.u.,故障相在故障消失时产生很高的过电压,达到1.88p.u.(图3-12 (a)), 同时单个IGBT两端电压与换流阀阀顶对地电压也达到1.45p.u.。
3.6换流变压器与换流阀连接母线单相接地故障
换流变压器与换流阀连接母线发生单相接地故障(包括换流变圧器阀侧绕组 出线套管闪络、穿墙套管闪络等故障)，故障发生在c相，如图3-13所示，故障 产生时间为2.017ms,故障持续
50mso
图 3-13换流变压器和换流阀连接母线单相接地故障
3.6.1整流侧换流变压器与换流阀连接母线单线接地故障
整流站换流变压器与换流阀连接母线发生单相接地故障，系统中的各节点电 压波形如图3・
14所示。
(a)单个IGBT两端电压 (b)换流阀阀顶对地电压
(c)逆变侧交流母线电压
图3-14整流站换流变压器与换流阀连接母线单相接地故障相关波形
3.6.2逆变侧换流变压器与换流阀连接母线单相接地故障
逆变换流变压器与换流阀连接母线发生单相接地故障，系统中的各节点电压 波形如图3・
15所示。
(a)单个IGBT两端电压
(c)逆变侧交流母线电压
图3-15逆变站换流变压器与换流阀连接母线单相接地故障相关波形
3.6.3过电压分析
计算结果如图3-14, 3-15所示。换流变压器与换流阀连接母线发生单相接 地故障时，直流极线通过导通的IGBT与接地点直接相连，直流电压直接降落至 零，故障清除后直流电压经过振荡回到正常水平，山于故障时直流电压降至零， 逆变侧交流电压下降至约正常1/3,故障清除后逐渐恢复正常值。故障发生在整 流侧时，单个IGBT两端电压与换流阀阀顶对地电压在故障消失后产生过电压， 最高值达到1.5p.u.(图3-14 (a)),逆变侧交流母线最高达1.25p.u.(图3-14 (c))。 故障发生在逆变侧时，与故障发生在整流侧结果相似，单个IGBT两端电压与换 流阀阀顶对地电压在故障消失后过电压最高达1.5p.u.o
3.7换流阀阀顶接地故障
换流阀阀顶发生接地故障，如图3-16所示，故障发生在2・0s,故障持续50ms。 同时换流器直流极线出口接地故障可认为与换流阀阀顶接地故障为同一种故障 类型。
3.7.1整流侧换流阀阀顶接地故障
整流侧换流阀阀顶发生接地故障，系统中各节点的电压波形如图3・17所示
(a)负极直流极线电压
(c)逆变侧交流母线电压
图3-17整流站换流阀阀顶接地故障相关波形
3.7.2逆变侧换流阀阀顶接地故障
逆变侧换流阀阀顶发生接地故障，系统各节点的电压波形如图3-18所示。
(c)逆变侧交流母线电压
图3-18逆变站换流阀阀顶接地故障相关波形
3.7.3过电压分析
计算结果如图3-17, 3-18所示。当换流站换流阀阀顶接地时，由于定直流 电压控制保持直流极线间直流电压不变，因此另一极直流极线对地电压(等于换 流阀另一极阀顶对地电压)在经过振荡后稳定在原运行电压的两倍，故障发生在 整流侧时，另一极直流极线对地电压最高达155kV (图
3-17 (a)),而故障发生 在逆变侧时，另一极直流极线对地电压最高为145kV (图3-18 (a))。故障发
生 在逆变侧时对单个IGBT两端电压影响较大，最高值为1.5p.u.(图3-18 (b))o而 故障对逆变侧交流母线电压基本没有影响。
山于故障发生时直流极线间的直流电压并未发生变化，在定直流电压控制的 作用下，故障消失后两直流极线对地电压并未恢复故障前的状态。因此当接地故 障为永久故障时，系统中各节点的电压波形与瞬时性故障一致。
3.8直流极线接地故障
山于模型中直流电路为电缆，因此当发生接地故障时认为电缆的固体绝缘被 击穿，因此故障为永久性故障。设定故障发生在正极线中点(图3-19),故障发 生在2.0s,系统中的各节点电压和电流波形如图3-20所示。
图3-19直流极线中点接地故障
//s r/s
(a)负极极线对地电压 (b)单个IGBT两端电压
图3-20直流极线接地故障相关波形
讣算结果如图3-20所示。正极极线中点接地时，山于定直流电压控制维持 直流极线间电压稳定，因此负极极线电压在振荡后稳定在正常工作电圧的2倍， 振荡过程过电压峰值达到
160kVo但对于换流阀，单个IGBT在关断时承受直流 极线间电压，因此在故障时，单个IGBT
两端的过电压峰值为正常工作的1.5倍。 故障时两端故障极直流电容器直接通过接地点放电，在故障极上产生很高的故障 电流，但非故障极和换流阀并不受到影响。对于直接单极接地故障，在直流电容 器和直流电缆绝缘设计合理的情况下，具备一定的带故障运行能力，而不会威胁 换流阀的安全。
3.9本章小结
本章计算了各种故障下柔性直流输电系统中各节点的预期过电压情况，从计 算中得到当故障出现在逆变侧时，山于逆变侧交流电网较弱并且逆变侧为功率受 端，因此系统中的振荡更加剧烈，一般过电圧幅值也比整流侧故障时更高。而柔 性直流系统中灵活的PWM控制方式在一定程度上起到了抑制系统中过电压的 作用。本章的讣算结果也为柔性直流输电系统的避雷器配置提供了参考。
4. 柔性直流输电系统的绝缘配合
电力系统的绝缘配合是指综合考虑电力设备在电力系统中可能承受的各种 电压（工作电压及过电压）、保护装置的特性和设备绝缘对各种作用电压的耐受 特性，合理地确定设备必要的绝缘水平，以达到经济上和安全运行上的总体效益 最大化。而避雷器作为保护电力设备免受系统中过
电压损害的主要设备，根据电 力系统的过电压情况合理的配置避雷器、选择避雷器参数成为输电系统绝缘配合 的核心内容之一。本章中将结合上文的柔性直流输电系统中操作过电压计算结 果，讨论柔性直流输电系统中的避雷器配置方法。
4.1柔性直流输电系统的操作过电压统计
根据第三章的计算结果，对各种故障下系统中重要节点的预期过电压幅值进 行统讣。考虑一般整流站与逆变站釆用相同的避雷器配置方案，因此统计各种故 障下整流侧与逆变侧相应节点的过电压的最大值，统讣结果如表4-1所示。其中 换流站交流母线以及换流变压器与换流阀连接母线的预期过电压结果主要为换 流变圧器的保护提供参考；而的单个IGBT两端电压以及换流阀直流极线出口的 预期过电压结果主要为换流阀的保护提供参考。从表4-1可以看到，交流系统单 相接地断路器自动重合闸时各个节点上都产生了较高幅值的过电压，因此这种故 障工况成为配置避雷器时的重点考核依据。而换流阀阀顶接地故障和直流极线接 地故障在换流变压器与换流阀连接母线以及换流阀直流极线出口处产生的幅值 达160RV左右的过电压与本文模型中釆用的定直流电压控制方式相关，因此是 否作为配置避雷器的参考依据需根据系统的实际情况决定。
表4-1柔性直流输电系统操作过电压*
换流变压器与换 流阀连接母线 单个IGBT两端 电压/120kV 换流阀直流极线 出口（换流阀阀 顶对地）/60kV 换流站交流母线 /96kV 交流系统单相接 地故障 交流系统单相接 地后断路器自动 重合闸 交流系统两相短 路故障 交流系统两相短 路接地故障 换流变压器与换 流阀连接母线单 相接地故障 换流阀阀顶接地 故障 直流极线接地故
/60kV 1」P・U・ 1.56p.u. 1」P・U・ 1」P・U・ 3.12p.u. 2.0p.u. 2.0p.u. 2.0p.u. I.43p.u. 1.88p.u. 1.46p.u. 1.45p.u. 1.46p.u. 1.45p.u. 1.46p.u. 1.45p.u ・ 1.25p.u. 1.5p.u. 1.5p.u. l・5p.u・ 1.17p.u. 1.2p.u.
155kV 160kV
2.0p.u. 1.3p.u.
155kV 160kV
黑以各右点正常运行电压作为基准值
4.2柔性直流输电系统的避雷器配置
根据避雷器配置的总原则：交流侧产生的过电压应山交流避雷器：直流 侧产生的直流过电压应山直流侧避雷器；重要设备应山与之并联的避雷器保 护。根据表4-1的结果，圉绕换流变压器和换流阀两大重要的电力设备，对于本 文所采用的柔性直流输电系统，拟采用如下的避雷器配置方案，如图4・1所示：
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图4-2柔性直流输电系统换流站避雷器配置
图中，换流站交流母线避雷器A1用于交流母线过电压，保护交流设备; 换流变压器与换流阀连接母线避雷器A2用于连接母线过电压，保护换流变 压器阀侧绕组；IGBT并联避雷器
V用于IGBT两端过电压，保护IGBT； 直流极线避雷器DL用于直流线路传入换流站的
过电压，保护换流站直流场 设备。
在初步选定避雷器的安装位置后，需要确定各个避雷器的保护水平，一般避 雷器的动作电压需高于系统的丄频过电压，因此主要考虑避雷器的操作冲击保护 水平和雷电冲击保护水平；并进一步对其在各个工况下相应的配合电流与吸收能 量进行校核。对于本文所提出的避雷器配置方案，下
文将对其校核工况进行叙述。
4.2.1换流站交流母线避雷器A1
一般在换流站交流侧发生不对称接地故障，在故障消失或断路器进行自动重 合闸操作时，交流母线避雷器将承受最大操作过电压冲击。根据表4-1的讣算结 果，交流母线单相接地后断路器自动重合闸是校核交流母线避雷器A1的配合电 流与吸收能量的最主要依据之一，而交流线路的不对称故障也可以作为校核的参 考。
文中模型的交流侧为HOkV系统，对于llOkV系统一般系统的雷电过电压 会高于系统的操
作过电压，在绝缘配合中起主导作用。因此，雷电沿交流线路入 侵也是避雷器参数选择的最主要依据之一。
综合考虑操作过电压与雷电过电压，典型的HOkV交流母线避雷器参数例 如：操作冲击500A
残压226kV,雳电冲击10kA残压266kVo
4.2.2换流变压器与换流阀连接母线避雷器A2
根据表4-1的讣算结果，交流侧单相接地后断路器自动重合闸时连接母线避 雷器将承受最大操作过电压冲击，该工况应为校核换流变压器与换流阀连接母线 避雷器A2的配合电流和吸收能量的最主要依据之一，交流线路的不对称故障可 作为校核的参考。
换流阀阀顶接地故障和直流极线接地故障在换流变压器和换流阀连接母线 上产生的高幅值过电压主要是山于本模型中的定直流电压控制造成。因此是否将 换流阀阀顶接地故障直和流极线接地故障作为校核连接母线避雷器A2的配合电 流和吸收能量的最主要依据之一需根据实际的控制系统进行选择。
对于雷电过电压，主要是通过换流变压器耦的耦合至变压器阀侧，一般幅值 不高，因此不需要将雷电过电压作为连接母线避雷器A2的重点校核工况。
4.2.3 IGBT并联避雷器V
根据表4-1的计算结果，交流侧单相接地后断路器自动重合闸时以及换流阀 阀顶接地故障时
IGBT并联避雷器V将承受最大操作过电压冲击，应作为校核 IGBT并联避雷器V的配合电流和
吸收能量的最主要依据之一，而交流线路的不 对称故障、连接母线接地故障和直流极线接地故障可作为校核的参考。
对于雷电过电压，主要为经换流变压器耦合至换流阀以及111直流线路入侵的 电压波造成。山于换流变圧器耦合的电压幅值不高，同时山直流线路入侵的雷电 波有直流极线避雷器DL作为笫一层防护，因此IGBT两端承受的雷电压幅值不 高。但考虑换流阀的重要性以及维护、更换困难，可根据实际要求将雷电过电压 作为校核IGBT并联避雷器V的主要依据。
4.2.4直流极线避雷器DL
根据表4-1的计算结果，交流侧单相接地后断路器自动重合闸时直流极线避 雷器DL承受最大操作过电压冲击，应作为校核直流极线避雷器DL的配合电流 和吸收能量的最主要依据之一。
换流阀阀顶接地故障和直流极线接地故障在换流阀直流极线出口产生的高 幅值过电压要是山于本模型中的定直流电压控制造成。因此是否将换流阀阀顶接 地故障直和流极线接地故障作为校核直流极线避雷器DL的配合电流和吸收能量 的最主要依据之一需根据实际的控制系统进行选择。
对于雷电过电压，山于本模型采用埋地电缆作为输电线路，沿直流线路入侵 换流站的主要为雷击大地后在电缆上产生的感应雷，幅值不高。若直流线路釆用 架空电缆或架空导线，则需要雷电沿直流线路入侵作为校核直流极线避雷器DL 的最主要依据之一，确保其保护换流阀的安全。
4.3本章小结
本章中根据笫三章所讣算的柔性直流输电系统的预期的操作过电压水平给 出了一种换流站的避雷器配置方案，提岀了相应的避雷器参数选择与校核的方 法。
5 •结论
本报告通过建立柔性直流输电系统的PSCAD仿真模型并对各种故障下系统 中的预期操作过电压进行计算，得到了各种故障下柔性直流输电系统中各节点过 电压的规律。同时根据系统的预期过电压的讣算结果，以保护换流变压器与换流 阀为U的提出了一种换流站的避雷器配置方案，并给出了相应的避雷器校核方 法，但山于缺乏实际工程参数，报告中并未对避雷器的配合电流与吸收能量进行 校核。通过本报告的工作，可以大大减少柔性直流输电系统换流站避雷器配置的 工作量，为IGBT电压源型换流器的绝缘配合及过电压防护捉供很好的参考。
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