换流站交流滤波器母线高抗操作过电压研究

电压，即“预期过电压”。过电压计算采用统计计算方
法，断路器三相随机分闸，分闸时间在一个周期内均
匀分布，三相非同期时间以 5 ms 计。
交流母线
定电压 535 kV； HP24/36 滤波器 3 组，单组容量 145.4 Mvar ，额
定电压 535 kV； SC 无功补偿电容 1 组， 单组容量 166.2 Mvar，
额定电压 535 kV。 交流滤波器容性无功补偿设备参数见表 1。
表 1 交流滤波器容性无功补偿设备参数
名称
HP11/13 HP24/36
在断路器触头间的灭弧过程中， 介质的去游离 作用往往呈现出冲击性和不稳定性， 导致分闸回路
2010 年 02 月
产生冲击性电压变动， 使得回路分布电容电感局部
产生强烈振荡，由于电容电感数值小，振荡频率数千
至数百千赫兹。 高频电流幅值可能超过被切工频电
流的瞬时值，高频分量叠加在工频波上，工频电流在
自然过零之前发生断弧。 电抗器的大电感对高频电
LI Zhen-qiang， ZHOU Pei-hong， XIU Mu-hong， DAI Min， LOU Ying， HE Hui-wen， LI Zhi-jun
(State Grid Electric Power Research Institution， Wuhan 430074， China)
2.1.2 EMTP 模拟计算
采用 EMTP 程序详细模拟了发电机、变压器、避
雷器和 GIS 母线等元件。 由于开断电抗器在电抗器
和断路器上产生的过电压取决于两个主要因素，即
由回路特性（电感、电容、电阻、波阻抗等）决定的因
素和由断路器特性（电弧电压、弧后电导）决定的因
素。 而 EMTP 模拟计算仅确定由回路特性产生的过
过电压大小与断路器的特性有关。 截流过电压 水平取决于：①断路器“截流数量级”特性；②断路器 等效并联电容；③断路器串联的断口数量。断路器重 燃的概率取决于断路器截流后触头间介质恢复耐受 电压的速度。 多次重燃导致过电压升高的危险与重 燃后断路器截断高频电流的能力相关。 2.1 切高抗过电压 2.1.1 截流过电压的分析
投切并联电抗器的等效回路见图 3。
LS
断路器
电源
CS
LP
CP
CL
L
LS— 电 源 侧 电 抗 ；CS— 电 源 侧 分 布 电 容 ；LP— 断 路 器 回 路 分 布 电 感 ；CP— 断 路 器 回 路 分 布 电 容 ；CL— 并 联 电 抗 器 分 布 电 容 ；
L—并联电抗器电抗值。
图 3 投切并联电抗器的等效回路
-C1 -T1
-C1 -T1
-F1 -L1 -R1
-L2 -C2 -F2
-T2 -T4 -T3
-F1 -L1 -R1
-L2 -C2
-F2
-T2 -T4
-T3
-F1 -C2 -L1 -R1
-F1 -L1
-T2
-T3
-T3
-T3
HP11/13
HP24/36
HP3
SC
图 2 换流站交流滤波器及高压电容补偿设备
0 引言
换流站交流侧与一般变电站的不同点在于它接 有各种大容量的交流滤波器、 电容器及其他无功补 偿设备，它们在低频较大范围内，呈现容性阻抗，同 时这些设备还随着输送直流负荷的变化经常投切。 另一方面，系统电抗也随运行方式而改变，换流站母 线高抗也随着无功负荷的变化投切。 滤波器和换流 变的投切操作以及系统单相或三相接地故障会激发 谐振过电压，特别是合闸空载换流变时，变压器饱和 励磁涌流含有高幅值的低次谐波， 更容易激发谐波 谐振过电压。 由于暂态的高次谐波分量三相无对称 性， 换流变的三角绕组对 3 次及 3 次倍数的谐波不 能构成短路， 还存在 3 次谐波过电压的可能性。 操 作交流滤波器母线高抗，特别是切高抗时，容易产生 截流，可能会出现较高的分闸过电压[1-5]。 国内外均
振过电压，也没有滤波器在合闸过程中过载。 得出，在高抗侧并联一组避雷器能够有效地限制此过电压。
关键词： 换流站；交流滤波器； 母线高抗； EMTP； 截流； 过电压
中图分类号： TM51
文献标志码： A
文章编号：1001 - 1609（2010）02 - 0027 - 04
Research of AC Filter Bus Connecting Shunt-Reactor Resonance and Overvoltage
摘要： 为了研究换流站交流滤波器母线接入高抗后，操作该高抗产生的过电压，详细分析了切母线高抗引起的截流过电压和合
闸过电压，并建立了换流站接入系统的 EMTP 模型，对母线高抗的操作过电压进行仿真计算。 研究结果表明，随断路器截断电流
值的增大，由分闸产生的操作过电压（包括截流过电压、断路器断口恢复电压和恢复电压上升率）较高；而合母线高抗未产生谐
笔者利用 EMTP 程序建立了某换流站及其所在 电网系统的仿真模型， 计算了该换流站投切交流滤 波器母线并联电抗器产生的操作过电压， 重点研究 了切母线高抗产生的截流过电压， 并给出了几种电 抗器操作过电压的限制措施。
1 系统接线及主要设备参数
某换流站接入系统示意 图见图 1。 EMTP 仿真 计算模型中 ，系统简化 时 保 留 了 该 地 区 的 500 kV、 220 kV 电网系统的线路、变压器及电厂。 在 2010年， 对相邻省的 500 kV 电网进行等值。
第 46 卷 第 2 期 2010 年2010 年020月2 月
High Voltage Apparatus
Vol.46 No.2 第 4F6eb卷. 第20120期
·27·
换流站交流滤波器母线高抗操作过电压研究
李振强， 周沛洪， 修木洪， 戴 敏， 娄 颖， 何慧雯， 李志军
（国网电力科学研究院， 湖北 武汉 430074）
收稿日期：2009 - 02 - 19； 修回日期：2009 - 09 - 28 作 者 简 介 ：李 振 强 （1982— ），男 ，工 程 师 ，主 要 从 事 电 力 系 统 过 电 压 研 究 工 作 。
·28·
Feb. 2010
High Voltage Apparatus
Vol.46 No.2
流相当于开路，而只允许通过工频电流，断路器在工
频电流某一瞬时值 I0 时强行开断，从而形成截流。 截流的大小与局部回路中的电容 （即断口等效
电容 Ct）的大小有关，Ct 为
Ct＝CP＋
CSCL CS＋CL
（1）
增大电容 Ct，回路的特征阻抗下降，高频振荡电
流会随之上升，断路Baidu Nhomakorabea的总电流在更早时间过零点，
有母线高抗分闸操作时产生较高过电压的例子。 广 西电力试验研究院在梧州开关站曾进行过投切来梧 Ⅱ回线路高压电抗器试验。 由于高抗与来梧Ⅱ回线 路解开，该线路高抗经断路器直接接在母线上，等效 于在开关站母线上投切母线高抗的试验。 实测结果 表明，高抗合闸操作过电压较低，而分闸操作高抗侧 产生的过电压较高[6] 。 500 kV 大房二回线投切并联 电抗器试验时[7]，大同侧采用西门子断路器进行操 作，房山侧采用国产 SF6 断路器操作，高抗端部均有 额定电压为 444 kV 的避雷器保护，试验实测数据显 示，最高 分闸过电压 为 1.90 p.u.，如 果 无 避 雷 器 ，过 电压可能超过 2.0 p.u.。 伊 朗某变电 站投切 400 kV 母线高抗， 高抗侧装有老式的碳化硅避雷器， 采用 SF6 断路器开断时发生截流，产生 3.6 p.u.过电压，共 有 5 次损毁电抗器和断路器。 因此，有必要对这种操 作母线高抗产生的过电压进行研究，以便采取相应的 措施，防止因较高的过电压给设备和系统带来危害。
其配置情况为： HP3 滤 波 器 2 组 ，单 组 容 量 166.2 Mvar ，额 定 电压 535 kV； HP11/13 滤波器 3 组，单组容量 145.4Mvar ，额
2 投切母线高抗过电压的分析及计算
对于投切母线并联电抗产生的过电压， 其中合 闸操作过电压一般不超过 2.0 p.u.[8] 。 因此笔者重点 研究开断电抗器时产生的过电压， 此类过电压主要 有：①截流过电压。该过电压是由断路器开断时在电 抗器电流过零前截断电流所产生的， 波形类似于操 作波；②重燃过电压。该过电压是由于断路器开断时 的 暂 态 恢 复 电 压 （TRV ） 超 过 了 触 头 之 间 间 隙 放 电 电 压而造成重击穿，波形类似于雷电波[ 9] 。
Abstract: In this paper, connecting system EMTP model of converter station has been built. Frequency scan is used to get the relation of system resonant frequency with bus voltage when AC filter bus shunt-reactor is connected in. Operating the bus shunt-reactor can cause overvoltage. Calculation results indicate that no resonant overvoltage generated during bus reactor closing and no overload generated during AC filters closing. However, with the increase of chopping current, this overvoltage generated by opening bus reactor ( including breaker TRV and RRRV) is higher. It is effective to restrict the overvoltage that a group of arrestors are installed in parallel at the reactor side. Key words: converter station； AC filter； bus shunt-reactor； EMTP； chopping current； overvoltage
HP3
SC
C1/μF
1.617
1.617
1.848
1.848
C2/μF
57.80
9.70
14.78
－
L1/mH
43.82
7.25
676.90
2.00
L2/mH
1.226
1.209
－
－
R1/Ω
1 944
487
1 781
－
换流变
电抗器
500 kV 出线
交流滤波器及 电容器组
500 kV 出线
500 kV 出线
图 1 换流站接入系统示意图
换流变主抽头下的短路阻抗为 16%（±0.8%）；单 台容量为 297.5 MV·A。
高 压 并 联 电 抗 器 容 量 180 Mvar ， 额 定 电 压 550 kV，接在滤波器母线上，中性点直接接地。
换流站交流滤波器及高压电容补偿设备见图 2。
-C1 -T1
-C1 -T1
截流值增大。 此外， 截断电流还与断路器的特性有
关，一般灭弧能力强，其截流值越大；断口数越多，截
流值也越大。
截流和随后的重燃可在电抗器上产生很高的暂
态过电压。 截流过电压的产生过程见图 4。
③ ⑨
輥輯訛 ⑨
輥輱訛
④
②
⑦
⑩
⑤
⑤ ①
輥輰訛
⑥ ⑧
图 4 截流过电压的产生过程
图 4 中各序号代表的含义分别为：①开断电流； ②断路器断口电压；③电抗器电压；④电源电压； ⑤由于重燃，开断失败；⑥高频电流振荡，导致截 流；⑦截流前，弧压降增加；⑧有效截流水平；⑨电 源侧电压； ⑩断口第 1 次最高电压， 断口抑制电 压 ；輥輯訛电 抗 器 上 抑 制 电 压 峰 值 ， 第 1 次 最 高 电 压 ； 輥輰訛断 口 第 2 次 最 高 电 压 ，暂 态 恢 复 电 压 （TRV）；輥輱訛 电抗器上第 2 次最高电压。
断路器截流瞬间， 电抗器电感和对地电容的
第 46 卷 第 2 期
·29·
储能开始振荡交换，即
1 2
Li2ch ＝
1 2
CLU2
（2）
振荡频率 f 为
f＝ 1
（3）
2π 姨LCL
式（2）中，U 为截流产生的过电压。 一般来讲，油浸式
电抗器的分布电容较大，过电压受截波的影响较小。
f 数量级一般为 1～5 kHz。