平波电抗器与交直流滤波器设计规范

平波电抗器与交直流滤波器设计规范
1.1 平波电抗器
平波电抗器也是特高压直流系统中的重要设备之一，其主要作用是：(1)平滑直流电流中的纹波;(2)避免在低直流功率(轻载)传输时电流的断续;(3)防止由直流线路或直流开关站所产生的陡波冲击波进人阀厅，抑制直流故障电流快速增加，从而使换流阀免于遭受过电压应力而损坏;(4)平波电抗器通过限制由快速电压变化所引起的电流变化率来降低换相失败率[9]。

高压直流换流站直流侧的直流谐波滤波回路通常由平波电抗器与直流滤波器构成，用来减小直流电流谐波分量。

1.1.1 平波电抗器的型式
平波电抗器可以分为干式和油浸式两种型式。

这两种型式的平波电抗器在高压直流输电工程中均有各自的优缺点。

与油浸式平波电抗器比较，干式平波电抗器具有以下优点：
(1)对地绝缘简单。

干式平波电抗器虽然安装在高电位，但主绝缘只简单地由支柱绝缘子提供，提高了主绝缘的可靠性。

油浸式平波电抗器主绝缘由油纸复合绝缘系统提供，相对而言较复杂[10]。

(2)无油，并消除了火灾危险和环境影响。

干式平波电抗
器无油绝缘系统，因而没有火灾危险和环境影响，而且使用干式平波电抗器无需提供油处理系统，在阀厅和户外平波电抗器之间也无必要设置防火墙。

(3)潮流反转时无临界介质场强。

高压直流输电系统的潮流反转需改变电压极性，会因捕获电荷的原因在油纸复合绝缘系统中产生临界场强;但对干式平波电抗器，改变电压极性仅在支柱绝缘子上产生应力，没有临界场强的限制，这样干式平波电抗器的支柱绝缘子与其它母线支柱绝缘子的特性相似。

(4)负荷电流与磁链成线性关系。

由于干式平波电抗器没有铁芯，因而在故障条件下不会出现磁链的饱和现象，在任何电流下都保持同样的电感量。

(5)暂态过电压较低。

由于干式平波电抗器对地电容相对于油浸式平波电抗器要小得多，因此干式平波电抗器要求的冲击绝缘水平相对较低。

(6)可听噪声低。

由于干式平波电抗器无铁芯，因此与油浸式平波电抗器相比，可听噪声较低。

(7)质量轻，易于运输、处理。

(8)运行、维护费用低。

干式平波电抗器没有辅助运行系统，基本上是免维护的，因此运行费用较低[10]。

与干式平波电抗器比较，油浸式平波电抗器具有以下优点：
(1)油浸式平波电抗器由于有铁芯，因此要增加单台电感量很容易。

(2)油浸式平波电抗器的油纸绝缘系统很成熟，运行也很可靠。

(3)油浸式平波电抗器安装在地面，因此重心低，抗震性能好。

(4)油浸式平波电抗器采用干式套管穿入阀厅，取代了水平穿墙套管，解决了水平穿墙套管的不均匀湿闪问题。

油浸式平波电抗器的垂直套管也采用干式套管，使其发生污闪的概率降低[10]。

当直流负荷()d d L I ⋅2不是很大时，一般选择空气绝缘干式电
抗器。

这种电抗器的制造成本较低，而且当需要备用时，一般可以用单个的电抗线圈构成，不需要成组电抗器备用。

但干式电抗器的主要绝缘暴露在空气中，对污秽比较敏感。

另外，这种干式电抗器安装在支持绝缘子上，对地震比较敏感，可能要设置减震平台。

当直流负荷()d d L I ⋅2较大时，选用油浸绝缘平波电抗器较
好，因为在这种条件下成本一般较低。

由于这种平波电抗器的主要绝缘是封闭在绝缘油箱内，抗污秽能力较好。

1.1.2 平波电抗器的主要参数计算
平波电抗器最主要的参数是其电感量，从上述平波电抗器的作用来看，其电感量一般趋于选大些，但也不能太大。

因为电感量太大，运行时容易产生过电压，使直流输电系统的自动调节特性的反应速度下降，而且平波电抗器的投资也增加。

因此，平波电抗器的电感量在满足主要性能要求的前提下应尽量小些，其选择应考虑以下几点；
①限制故障电流上升率；
②平抑直流电流的纹波；
③防止直流低负荷时的电流断续[11]。

平波电抗器是直流滤波回路的组成部分。

其电感值应与直流滤波器的参数统筹考虑，电感值大，则要求的直流滤波器规模小，反之亦然。

因此平波电抗器电感量的取值应与直流滤波器综合考虑，并进行费用的优化。

平波电抗器电感量的取值。

应避免与直流滤波器、直流线路、中性点电容器、换流变压器等在50、100 Hz 发生低频谐振。

下面，用两种方法考虑，取较大值作为平波电抗器的电感值。

(1)按系统发生扰动时抑制直流电流上升率来估算电感值[12]
换流变阀侧两相短路电流 A I I N k 25%205u k d 2s ==≈ 式(4-1) 逆变器触发越前角βN
25cos cos cos170.756325
dN
N N S I I βγ=-=︒-=
式(4-2) N βarccos(0.7563)40.86==︒
式(4-3) 不发生换相失败所允许的电流增量ΔI d
()[]dN N S d I I I 21cos cos 2min 2-︒--=∆βγ
()225cos7cos 40.86125 1.2467KA =⨯⨯︒-︒-︒-⨯=⎡⎤⎣⎦
式(4-4) 单桥额定直流电压 1
1
747.1855186.796344d dNI U U KV ∆==⨯=
式(4-5) 逆变侧出口直流电压
747.1855dNI U KV =
式(4-6) 直流系统等值电感L 1 min
11186.796340.8617360 1.2407360500.27485274.85d N
d U L I f H mH
βγ∆
-︒-︒-︒-︒
==⨯∆︒⨯︒⨯==
式(4-7) (2)按避免轻载时直流电流断续的要求来计算[12]
轻载时不发生间断的临界电流 ()1
1
(0.1)0.150.2522dlj dN I I KA =⨯⨯=⨯⨯=
式(4-8) 直流系统等值电感L 2 ()024 1.35171.28280.015sin 52
0.015sin 2500.25
0.1392139.2di dlj U L I H mH
αωπ⨯⨯⨯⨯︒
⨯==⨯⨯== 式(4-9)
换流器触发角最大允许值为52°。

换流变压器的电感
()22171.282820%381.341748.97m 250V k N T U u S L H ωπ⎛⎫⎛⎫⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝
⎭===⨯ 式(4-10)
平波电抗器的电感值
{}12max ,274.85d L T L L L L L mH =--= 式(4-11) 再考虑留有一定的裕度范围，电感值取300mH
对应的电流斜率系数为 1747.18550.4983005dNI i dN U S ms LI -===⨯ 式(4-12) S i 在设定的范围内（0.22~1）内，即 选取300mH 可以满足要求。

根据初步设计及查阅特高压工程的设计制造经验，该工程每站每极选用平波电抗器电感值为300 mH(6x50 mH)，并采用一半150mH(3x50 mH)布置在直流极线上，另一半150mH(3x50 mH)布置在中性母线上的平抗分置方式。

1.2 交流滤波器
高压直流输电的换流器向交流电网注入了大量的谐波，谐波对电力系统设备的危害可归结为两类：第一类危害，谐波电压叠加在电气设备的基波电压上，会增加电气应力，这种危害对电力电容器最为显著;谐波通过电气设备引起附加发热，这种危害对变压器和发电机类设备最为显著。

谐波的存在可能引起控制保护设备的误动作。

第二类危害，电力线路的谐波电流将经过感应作用在邻近的电话线路上产生谐
波电势，对通信系统产生干扰[13]。

若流过电力线路的谐波电流比较大，则可能在邻近的弱信号线路上产生较大感应电势，从而造成人员伤亡或设备损坏，因此必须在换流站装设交流滤波器来对这些谐波加以抑制[6]。

在换流站配置的交流滤波器，可以起到滤除和减少换流的过程中产生的谐波以避免对交流系统造成影响，同时还可以补偿基波无功功率。

在运行中产生的谐波主要有1
k次特
12
征谐波，还包含各次非特征谐波，换流器注入交流系统的谐波远远大于注入直流线路的谐波。

1.2.1 调谐滤波器的类型
交流滤波器按照其频率阻抗特性可以分为三类：
①调谐滤波器，通常可调谐一个或两个频率，最多可为三个频率；
②高通滤波器，可以在较宽的频率范围内，具有相当低的阻抗；
③调谐滤波器与高通滤波器的组合构成多重调谐高通
滤波器。

调谐型滤波器又可以分为单调谐(ST)，双调谐(DT)和三调谐(TT)。

高通型滤波器又可以分为高通滤波器(HP)，低通滤波器(LP)，带通滤波器(BP)，带阻滤波器( band - stop filter)。

(1)单调谐高通型滤波器。

其优点是结构比较简单，对单次谐波的抑制能力强，损耗低，运行维护的要求低。

缺点是
滤除谐波次数单一，滤波器配置组数较多，投资比较大，直流轻载时最小滤波器组无功很难平衡。

现代直流输电工程中一般不大采用该型式的滤波器；
(2)双调谐高通型滤波器。

其优点是可以同时对两次谐波进行抑制；调整阻尼电阻，能够在很宽的频率范围内抑制高次谐波；投资小，损耗低；备用和维护较方便，减轻了直流轻载时最小滤波器组无功容量过剩的影响。

缺点是对失谐敏感；低压元件的暂态定值可能较高。

现代直流输电工程中广泛采用该型式的滤波器；
(3)三调谐高通型滤波器。

其优点是轻载时易实现无功平衡，投资及损耗可以降低很多。

缺点是容易失谐，现场调谐比较困难。

现代直流输电工程中，个别工程已经采用该型式的滤波器，是换流站滤波器设计的发展方向[14]。

1.2.2 换流站无功平衡
对于高压直流输电系统运行时，其换流站交换无功功率状况如下图4-1：
图4-1 换流站无功平衡示意图
Q sys ：交流系统与换流站间交换的无功功率
Q total ：当前状态下已投入总的无功补偿设备的额定容量 Q dc ：换流器消耗的无功功率
取交流系统向换流站提供无功为正方向，反之则为负方向，则换流站与交流系统间交换的无功功率为
dc total sys Q Q Q -= 式(4-13) sys Q 为正时，表示了交流系统吸收无功功率，反之。

则表
示交流系统发出无功功率。

在2.2.1(六)可知var 3221.4522dc M Q R =，var 7721.4426dc M Q I =，在1.2.4可知var 4560var 3880M Q M Q totalI totalR ==，。

整流站
var 3221.642-3221.4522-3880M Q Q Q dcR totalR sysR ==-= 式(4-14) 整流站吸收无功，交流系统需要向其提供无功642.3321Mvar 。

逆变站
var 2279.1337721.4426-4560M Q Q Q dcI totalI sysI ==-= 式(4-15) 逆变站输出无功，可以向受端交流系统提供无功133.2279Mvar 。

1.2.3 交流滤波器主要参数计算
对交流滤波器参数的计算，应分别按整流站和逆变站来进行。

对整流站而言，其无功补偿容量是3880MVar ，所采用的交流滤波器的情况如表4-1：
表4-1 整流站无功补偿容量分组情况
对逆变站站而言，其无功补偿容量是4560MVar ，分为4大组，19小组，每组容量为240Mvar 。

本文以整流站(哈密南)为算例进行详细说明，逆变站与此类似，不再赘述。

为了在给定的主电容值及调谐次数的条件下方便调整
滤波器参数，在忽略电阻条件下，可将多调谐滤波器等效成多个单调谐滤波器。

(1)单调谐HP3滤波器
单组HP3的容量为230MVar ，其电气原理如图4-2。

图4-2 单调谐滤波器结构
其中：
()
()2211122
22
11123031 2.3172503530Q N C F N U μωπ-⨯-=
=
=⨯⨯⨯
式(4-16)
如果2L 、2C 在基波下发生谐振，那么1ω为基波角频率。

若1
2
1C C C n +=
，则该滤波器就可以滤除n 次谐波
因此，令
1
2
1C C C n +=
， 得2188 2.31718.536C C F μ==⨯=
由上述公式变型可得： 2
22
212101
C L n
C L C C C =⋅+=
ω
即
()22
2226
0230.547331418.53610
n L H C ω-===⨯⨯⨯ (2)双调谐BP11/13滤波器
单组BP11/13的容量为230MVar ，其电气原理如图4-3。

图4-3 双调谐滤波器结构和等效的2个单调谐滤波器 其中：
()
()221122
22
111115111 1.2925011530a Q N C F N U μωπ-⨯-=
=
=⨯⨯⨯ ()()2
2222
22
2
2
1
1115131 1.29525013530
b Q N C F N U
μωπ-⨯-=
=
=⨯⨯⨯
()22226
111
0.064925011 1.2910
a a L H N C ωπ-=
==⨯⨯⨯⨯ ()222
26
211
0.046325013 1.29510b b L H N C ωπ-=
==⨯⨯⨯⨯ b a C C C +=16661.2910 1.29510 2.58510 2.585F F μ---=⨯+⨯=⨯=
10.06490.0463
0.0270.06490.0463
a b a b L L L H
L L ⨯=
==++
()()
()
2
22
a b a b a b a a b b C C C C L L C C L C L ++=
-
()()
()
2
66662
6
6
41.2910 1.29510 1.2910 1.295100.06490.06431.2910
0.0649 1.295100.04631.27710F
-------⨯⨯⨯⨯⨯+⨯+=
⨯⨯-⨯⨯=⨯
()()()
()
()()
2
22
2
6
6
2
6
61.29100.0649 1.295100.04630.75991.2910
1.29510
0.06490.0463a a b b a b a b C L C L L C C L L mH
-----=++⨯⨯-⨯⨯=
=⨯+⨯+
单组HP24/36 的容量为230MVar
()
()221122
22
111115241 1.300925024530a Q N C F
N U μωπ-⨯-=
=
=⨯⨯⨯ ()()2
2222
22
2
2
1
1115361 1.30225036530
b Q N C F
N U
μωπ-⨯-=
==⨯⨯⨯
()22226
111
0.013525024 1.300910
a a L H N C ωπ-=
==⨯⨯⨯⨯
()22226
211
6.004625036 1.30210b b L mH N C ωπ-=
==⨯⨯⨯⨯ 6661 1.300910 1.30210 2.602910 2.6029a b C C C F F μ---=+=⨯+⨯=⨯=
10.01350.0060046
4.1560.01350.0060046
a b a b L L L mH
L L ⨯=
==++
()()
()
()()
()
2
22
2
66662
6641.300910 1.30210 1.300910 1.302100.01350.00600641.3009100.0135 1.302100.00600640.176810a b a b a b a a b b C C C C L L C C L C L F
-------++=-⨯⨯⨯⨯⨯+⨯+=
⨯⨯-⨯⨯=⨯
()()()
()
()()
2
22
2
6
6
2
6
61.3009100.0135 1.302100.00600640.71811.300910
1.30210
0.01350.0060064a a b b a b a b C L C L L C C L L mH
-----=++⨯⨯-⨯⨯=
=⨯+⨯+
1.3 直流滤波器
直流滤波器是特高压直流输电工程场的重要设备之一，
对直流系统正常运行有很大的影响。

直流输电系统的直流侧设备(主要指平波电抗器、各种滤波器、直流线路和直流接地极线路等)流过谐波电流是不可避免的，特征谐波为k
12次谐波，这种谐波电流将产生以下三种危害。

(1)对直流系统本身的危害。

直流侧除滤波器外的所有设备中流过的谐波电流，都会造成这些设备的附加发热，因而增加了设备的额定值要求和运行费用。

当谐波水平达到一定值时，理论上可能引起直流保护系统误动，对于实际直流工程设计，一般不着重考虑这些因素。

(2)对线路邻近通信系统的危害。

指频率在5~6kHz以下的音频谐波电流，其最大的危害是对直流线路和接地极线路走廊附近的明线电话线路的干扰。

在直流输电技术发展的早期，较长距离的裸线作为电话线是十分广泛的，直流线路对电话线的干扰一直作为一个重要的技术问题。

(3)通过换流器对交流系统的渗透。

类似于交流侧谐波电压可以通过换流器转移到直流侧的道理，直流侧的谐波电流也可以通过换流器转移到交流系统。

1.3.1 直流滤波器的型式
直流滤波器分为有源直流滤波器和无源直流滤波器两种型式。

无源直流滤波器又可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器和高通滤波器等。

有源直流滤波器虽然性能好、占地面积小，但时间段，技术较不成熟，相比较之
下，无源滤波器已经发展得较为稳定。

向上工程交、直流滤波器均采用的是无源滤波器设备，主要由电容器、电抗器、电阻器三部分组成。

1.3.2 直流滤波器主要参数计算
直流滤波器接于直流极母线和极中性母线之间。

考虑到同一换流站两极的对称性，两极通常设置相同的直流滤波器。

哈郑工程中直流滤波器的配置方案为每极装设2组并联双调谐直流滤波器，两组直流滤波器高低压侧分别配置一组共用的隔离开关和接地开关。

直流滤波器配置如图4-4。

图4-4 直流侧电气主接线图
其中：高压电容器1C 的电容值为1.2μF 为了获得一组初始的滤波器参数，可令
111
1.20.622
a b C C C F μ===⨯=.
(1)对直流滤波器HP12/24参数进行如下计算：
由a a C L N 1
01=
ω 变型得：
22
226
101
1
117.38123140.610a a
L mH N C ω-=
=
=⨯⨯⨯
同理， 22226
201
1
29.3243140.610b b
L mH
N C ω-=
=
=⨯⨯⨯
66610.6100.610 1.210 1.2a b C C C F F
μ---=+=⨯+⨯=⨯=
1117.3829.3
23.45117.3829.3
a b a b L L L mH
L L ⨯=
==++
()()
()
()()
()
2
22
2
66662
6
6
60.6100.6100.6100.6100.11730.02930.610
0.11730.6100.02933.3310a b a b a b a a b b C C C C L L C C L C L F
-------++=
-⨯⨯⨯⨯⨯+⨯+=
⨯⨯-⨯⨯=⨯
()()()()
()()
2
22
2
6
6
2
6
60.6100.11730.6100.029313.20.610
0.610
0.11730.0293a a b b a b a b C L C L L C C L L mH
-----=++⨯⨯-⨯⨯=
=⨯+⨯+
(2)对直流滤波器HP2/39参数进行如下计算：
由a a C L N 1
01=
ω 变型得：
22
226
101
1
4221.723140.610a a
L mH N C ω-=
=
=⨯⨯⨯
同理， 22226
2
11
11.1393140.610
b b
L mH N C ω-=
=
=⨯⨯⨯
66610.6100.610 1.210 1.2a b C C C F F
μ---=+=⨯+⨯=⨯=
14221.711.1
11.14221.711.1
a b a b L L L mH
L L ⨯=
==++
()()
()
()()
()
2
22
2
66662
6
6
60.6100.6100.6100.610 4.22170.01110.610
4.22170.6100.01111.212710a b a b a b a a b b C C C C L L C C L C L F
-------++=
-⨯⨯⨯⨯⨯+⨯+=
⨯⨯-⨯⨯=⨯
()()()
()
()()
2
22
2
6
6
2
6
60.610 4.22170.6100.01111047.10.610
0.610
4.22170.0111a a b b a b a b C L C L L C C L L mH
-----=++⨯⨯-⨯⨯=
=⨯+⨯+。