特高压换流站直流分压器二次侧过电压保护研究

发表时间:2019/12/16   来源:《当代电力文化》2019年第16期   作者:李开拓
[导读] 在特高压换流站经受雷击的过程中,会导致接地网暂态地电位出现升高的现象。

         摘要:在特高压换流站经受雷击的过程中,会导致接地网暂态地电位出现升高的现象。雷击造成的暂态电位出现升高的情况下,会导致电压幅值升高以及频率更宽等现象,瞬态电位会传导到直流分压器的二次侧使得电压保护器件发生动作。如果保护器件进行动作之后没有及时恢复到雷击之前的状态,还会导致继电保护装置发生误动作的情况。基于此,本文对特高压换流站直流分压器二次侧过电压保护展开研究。

         关键词:特高压换流站;直流分压器;二次侧过电压保护
         我国特高压直流输电技术的发展极为迅速,已经有多个工程投入运营。随着现代电力系统的输送量及电压的等级持续增长,换流站在占地面积上也在不断扩大,这直接导致雷击诱使接地系统暂态地电位上升的概率增大,瞬态电位通过传导与直流分压器二次侧发生耦合,致使电压保护器件发生动作,动作僵直不能及时恢复的情况下,则会使继电保护器发生误动作的,以此使事故范围扩大[1-2]。另一方面,因为换电站中的二次设备较为精密,同时在换流站高压开关场中,所以导致二次设备系统被干扰的概率急剧增大。
一、特高压换流站直流分压器二次侧过电压保护研究意义
         我国电力系统在一次设备保护研究相对较为成熟,但在二次设备保护的研究方面则较为不重视,同时因为电力系统有微电子设备大量使用,雷电造成的换流站二次设备系统的影响更为明显,以此使得换流站被迫使用电压防护器件对二次系统过电压进行限制,从我国雷电防护相关标准以及相关工作展开来看,现阶段研究成果还限于气象以及通信、电子、建筑等方向,并没有充分反映出换流站二次设备系统在雷电防护方面的特定需求及自身特性,因此在绝大程度上其他行业的研究成果并不适用于换流站雷电防护。换流站在二次设备系统防雷区的界面中进行电涌保护器参数选择过程中,缺乏可以参照的设计依据,但在设计过程中一概沿用其他行业的方法,从而导致了换流站在二次设备系统进行浪涌过电压保护配备完善的情况下,仍然承受着雷电涌造成的危害。因此,本文对特高压换流站直流分压器二次侧过电压保护的研究进行介绍,以期为现代特高压换流站雷电防护提供一定借鉴。
二、特高压换流站直流分压器结构和动态响应特性
1、直流分压器结构
         本文以2018年10月某处因直流分压器二次侧过电压保护器件配置不能达成要求的情况,导致电弧无法在保护动作的时限内进行熄弧,从而发生双极闭锁情况为案例。该换流站直流分压器的低压臂二次系统接线为图1,经过阻容分压单元使得800kV电压降低到70V,进而引入到平衡模块,平衡模块通过分压板可以分出3根5V的信号线,同时经过隔离放大器,传输到保护系统,直流分压器等效电路为图2。

图1低压臂二次系统接线图

图2直流分压器等效电路
2、直流分压器暂态相应特性
         依据该直流分压器信号传输的特性,如果因为雷击导致直流分压器二次侧低压臂瞬时被击穿,那么因为低压臂的短路情况,即使一次侧直流电压仍然维持不变的状态,电压的测量值还是需要经历一个百毫秒级的暂态过程,才能恢复到正常状态。
三、特高压换流站直流分压器回路仿真及模拟结果
1、直流分压器的回路仿真结果
         在经过分压器二次信号段进行雷电流激励源的施加情况下,发现无论是经受同极性亦或者异极性脉冲电流,放电管在动作之后,电压都会到很低的状态,约计会在600ms之后恢复到正常的70V工作电压。在进行尝试降低直流分压器的放电管动作后的回复时间,设计放电管串接压敏电阻电路,对分压器放电管串接压敏电阻受电的回复情况进行仿真研究。使用同样大小的雷电脉冲分别对分压器低压臂的两端进行施放,结果显示分压器低压臂浪涌被引进压敏电阻与放电管串联组后,放电管因为同极性脉冲动作,可以使得分压器的低压臂电压于80ms之内回复到正常的电压值,但异极性的情况下,低压臂电压的回复则不能与80ms之内完成。
2、直流分压器的回路模拟结果
         模拟结果来看,以当前直流分压器二次侧过电压的防护方案进行配置时,在放电管动作发生并完全回复之后,因为回路需一定充电时间,放电管端的电压还是无法恢复到发生动作之前的正常工作状态。根据换流站的现场保护设施来看,如果电极的两端在电压消失80ms之内不能恢复到0.3到1.0pu的电压值,继电保护装置也会启动失压保护,也即是进行两极闭锁动作。所以在放电管两端电压叠加至1600V以上的情况下,放电管在发生动作之后无法在80ms之内恢复,便会引发继电保护进行双极闭锁的动作。放电管回路电压能够保持在0.3到1.0pu的情况下,分压器继电保护装置不会出现误动作的情况,同时也要考虑到直流系统在半压运行的情况下,放电管两端电压也会出现减半,所以与放电管进行串联的压敏电阻残压值最好能够根据二次设备系统额定电压30%到50%进行选取。在此情况下,放电管因为雷电脉冲发生动作后,可以使低压臂电压于80ms之内回复到正常值。不过在异极性的电压冲击的作用情况下,放电管回路在恢复到动作前正常电压时间大约为2.5s,这个时间不会因为冲击电压幅值发生变化而产生变化。
四、特高压换流站直流分压器的模拟实验
         本次放电管串联压敏电阻校验试验中,直流分压器选用100kv,分压器高压臂电容和电阻分别为0.143μF与100MΩ,低压臂电容及电阻为2.2μF与100kΩ,在进行实验的过程中对分压器的高压端进行50kV高压直流电压的释放,分压器在二次臂上将获得50V稳态直流电压。单一化的放电管在保护直流分压器的二次侧过程中,二次侧受到电压作用的过程中,放电管发生动作后,并不能在80ms之内回复到额定电压的状态,会导致继电保护装置发生误动作的情况。之后使用DC230串接MOV39压敏电阻保护直流分压器的二次侧过程中,正极性及负极性的冲击电压作用之下,放电管能够快速的动作,使得过电压得到有效的释放,不过因为压敏电阻的原因,钳位放电管支路的电压值达到-29V,放电管的回路回复至动作前状态约需要800ms,这说明放电管串联压敏电阻方案直流分压器受到异极性过电压作用时,放电管回路的支路电压并无法实现快速回复。
结论
         放电管与压敏电阻进行串联的情况下,能够实现同极性过电压作用时,电压快速得到释放,回路电压能够快速得到恢复,但异极性的电压作用之下,回路电压无法实现迅速回复。串联放电管与压敏电阻能够保护换流站在承受过电压情况下,其中一极直流分压器动作后能够在有效时间内恢复正常。
         参考文献
[1]段昊,要静武,刘贺龙,等.±800kV特高压换流站直流场雷电过电压仿真研究[J].科学技术与工程,2018,18(34):188-195.
[2]吴浩,李红元,刘建红.特高压直流换流站二次设备回路传导电压干扰特性研究[J].电测与仪表,2018,55(20):148-153.
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