特高压直流输电技术过电压和绝缘配合研究综述

特高压直流输电技术过电压和绝缘配合研究综述摘要：特高压直流输电具有大容量、远距离和低损耗等优点,特高压直流输电作为一个全新的输电电压等级,非常适合特大型能源基地向远方负荷中心输送电能。直流换流站的绝缘配合研究是直流输电工程实施中的关鍵技术之一,缘水平的高低直接关系到整个直流工程造价。本文从特高压换流站的避雷器布置方案的设计，确定换流站设备的过电压水平、绝缘裕度、关键设备的绝缘水平等方面概括总结了国内外工作者在特高压直流输电的过电压和绝缘配合方面所做的工作，并提出在以后的相关研究中可以进一步考虑的问题。关键词：特高压直流换流站避雷器绝缘配合过电压0引言我国能源资源和经济发展具有分布不均的地域性特点,能源资源主要集中在西部地区,而负荷主要集中在中东部地区[1,2]。为了保证中东部地区的电力供应,必须采取相关技术措旅将能源送往负荷中心。特高压直流输电具有超大容量、超远距离、低损耗的特点,且具有灵活的调节性能,因此非常适合大型能源基地向远方负荷中心送电。我国已成为世界上直流输电容量最大、电压等级最高、发展最快的国家[3]。为了满足未来更大容量、更远距离的输电需求,有必要进一步研究更高电压等级的直流输电技术,±1100kV特高压直流输电是我国目前正在研究的一个全新输电电压等级。特高压直流输电由于具有大容量、远距离和低损耗等优点,将在我国“西电东送”战略中发挥重要作用。±1100kV特高压直流输电作为一个全新的输电电压等级,电压等级更高、输送容量更大、输电距离更远,非常适合特大型能源基地向远方负荷中心输送电能。1特高压直流输电背景自20世纪70年代初期开始,美国、苏联、巴西等国家就开启了对特高压直流输电相关工作的研究,其中CIGRE、IEEE、美国EPRI、瑞典ABB等科研机构和制造厂商在特高压直流输电关键技术研究、系统分析、环境影响、绝缘特性和工程可行性等方面开展了大量研究,并取得了丰硕的成果。相关研究认为,±800kV特高压直流输电系统的设计、建设和运行在技术上是完全可行的,需要结合工程进一步优化系统性能和经济指标；发展±1000kV特高压直流输电系统在理论上是可行的,但需要进行大量研究、开发工作；发展±1200kV特高压直流输电系统是不切合实际的,需要有重大技术突破,才有可能进行较为经济的设计[1,4]。1977年,苏联曾计划建设一条从埃基巴斯图兹到唐波夫的±750kV特高压直流输电工程,该工程输送功率为6000MW、输电距离达2400km,采用每极2个12脉动换流器并联的设计方案。该工程是世界上特高压直流输电技术的第一次工程实践,于1980年开始建设,并已建成1090km线路,但最终因政治、经济等原因停建[1,4]。我国自2003年开始,中国南方电网公司结合云南一广东±800kV直流输电工程,对±800kV特高压直流输电技术进行了相关研究[5]。2009年12月,云南一广东±800kV特高压直流输电线路建成并实现单极运行,2010年实现双极投运。该工程是世界上第一条投入实际运行的特高压直流输电工程,工程额定输送功率5000MW,输送距离1438km,采用双12脉动换流阀串联接线方式。工程送端换流站为云南楚雄换流站,受端换流站为广东穗东换流站。国家电网公司从2004年开始,组织相关科研、设计单位和高等院校对特高压直流的关键技术问题进行了研究,取得了一系列重要成果。2007年,国家电网公司在北京建成了特高压直流试验基地；2008年,在西藏建成了高海拔直流试验基地[6,7]。通过这些试验基地的建设,使我国具备了±1000kV及以下电压等级下特高压直流输电工程在不同海拔高度下的电磁环境、空气间隙放电特性、直流避雷器等设备关键技术的试验研究能力。2010年,向家坝一上海±800kV特高压直流输电工程双极投运,工程额定输送功率6400MW,输送距离1907km,工程送端起于四川复龙换流站,受端换流站为上海奉贤换流站。2012年,锦屏一苏南±800kV特高压直流输电工程双极投运,工程额定输送功率7200MW,全长2059km。工程起于四川裕隆换流站,止于江苏同里换流站。此外,还有“溪洛渡一浙西”、“哈密一郑州”等多条±800kV特高压直流工程正在建设中。2特高压换流站的绝缘配合方案设计(1)±1100kV特高压直流换流站避雷器布置方案的确定。(2)特高压直流换流站避雷器的主要技术参数的确定,如避雷器持续运行电压、额定电压、保护水平、能量吸收能力等。(3)仿真计算±1100kV特高压直流换流站关键设备的过电压水平。(4)确定±1100kV特高压直流换流站关键设备的绝缘裕度的选取,并计算确定换流站关键设备的绝缘水平。2.1选择避雷器保护方案的基本原则(1)在交流侧产生的过电压,应尽可能用交流侧的避雷器加以限制；(2)在直流侧产生的过电压,应由直流线路避雷器!直流母线避雷器和中性母线避雷器等加以限制；(3)关键的设备应由与该设备紧密相连的避雷器保护，如阀、交流和直流滤波器设备等,应分别由各自紧靠连接的避雷器保护；2.2换流站电气设备的绝缘配合绝缘配合是根据系统设备上可能出现的过电压水平,同时考虑相应避雷器的保护水平来选择确定电气设备的绝缘水平，直流换流站绝缘配合的一般方法与交流系统绝缘配合的方法相同,采用惯用法进行绝缘配合,即在电气设备上可能出现的最大过电压与惯用的基本雷电冲击绝缘水平(BIL)和基本操作冲击绝缘水平(BSL)之间留有一定的裕度。3特高压直流换电站绝缘配合技术研究现状多年来,国内外工业界和学术界对特高压直流输电技术的研究不断深入,取得了重要的理论成果和实践经验。目前世界上投运的特高压直流输电工程也均为±800kV,并且全部建造在中国,通过这些实际工程的建设,中国积累了丰富的实践经验,占领了特高压直流输电技术的制高点。对于特高压直流换流站的绝缘配合研究主要是基于±800kV特高压直流输电系统,分别对换流站的避雷器布置、避雷器参数选取、换流站过电压水平、设备绝缘水平确定等问题进行了详细研究。具体如下:(1)特高压换流站的避雷器布置。目前主要存在两种方案:以ABB公司方案为代表的向家坝一上海特高压直流工程换流站避雷器布置和以SIEMENS公司方案为代表的云南一广东特高压直流工程换流站避雷器布置[8]。两种方案的主要区别在于对高端换流变压器阀侧绕组的保护,ABB公司方案推荐采用MH与V避雷器串联的保护方式,而SIEMENS公司方案推荐采用A2避雷器直接保护高端换流变压器闹侧绕组[9-12]。(2)避雷器参数的选取。避雷器的参数主要包括避雷器持续运行电压、额定电压、荷电率、保护水平及能量吸收能力等参数的确定。文献[12]结合云南一广东±800kV特高压直流输电工程,介绍了特高压直流避雷器参数选择的基本原则,并对直流避雷器的持续运行电压、额定电压、能量等进行了讨论。文献[13]介绍了特高压直流避雷器的主要技术特点,与常规超高压直流避雷器进行了对比,并讨论了避雷器持续运行电压、配合电流等参数的选取。文献[14]比较了±800kV直流换流站相关位置分别使用ABB、西门子和中国西电集团西安西电避雷器有限责任公司三家不同避雷器的操作过电压保护水平和避雷器耐受能量。现有研究均认为,在选择避雷器参数时,应综合考虑系统最大持续运行电压、荷电率、雷电和操作冲击保护水平和能量要求等因素,使得设备上的过电压水平尽可能低,又不使避雷器的数量过多、造价过高。(3)换流站过电压水平。与常规超高压直流输电系统相比,特高压直流换流站的过电压水平更高,过电压机理更加复杂。文献[15-19]结合±800kV向上和云广特高压工程对特高压直流换流站在典型故障下的操作过电压进行了仿真计算及研究,文献[20-23]对特高压直流系统孤岛运行方式下的过电压水平进行了分析,文献[24,25]对特高压直流工程直流线路的过电压水平进行了研究,文献研究了直流控制保护策略对换流站过电压水平的影响,并从控制保护角度提出了相关改进措施。(4)设备绝缘水平确定。特高压换流站设备的绝缘水平直接关系到整个工程的造价,目前国内外对±800kV特高压换流站设备的绝缘水平进行了广泛研究[26-29],在换流站设备绝缘裕度选取和关键设备绝缘水平确定等方面取得了丰富的成果,相关成果已运用于向家坝一上海、云南一广东、锦屏一苏南和溪洛渡一浙西等±800kV特高压直流工程中。对于±1000kV电压等级及以上的特高压直流系统的研究,目前研究主要集中在可行性研究、晶闸管换流阀、直流互感器、换流变压器阀侧套管设计等设备制造方面[30,31]。关于±1000kV电压等级及以上的特高压直流系统的绝缘配合方面的研究极少,仅有少数文献对其进行了探讨[32],但是相关研究并不深入,并且尚无实际工程投运。文献[33]利用EMTP方法和EGM方法分别仿真计算了100OkV特高压交流输电线路反击跳闸率和绕击跳闸率,并在反击计算中利用击距理论修正了线路的等效受雷宽度。计算结果表明,1OO0kV同杆双回交流输电线路雷击跳闸事故主要是由绕击造成的,符合前苏联特高压交流输电线路雷击闪络的统计规律。同样,本文利用EGM方法仿真计算了士800kV特高压直流输电线路绕击闪络率。计算结果表明,由于特高压直流线路存在极性问题,正极导线比负极导线更易遭负雷的绕击。4小结换流站绝缘配合设计是整个直流输电工程设计、实施过程中的一项关鍵性技术,换流站设备绝缘水平的高低对整个直流工程的造价有重要影响。对于特高压直流输电系统,国内外围绕±800kV特高压直流换流站的绝缘配合进行了较为详细的研究,但是±1100kV作为一个全新的输电电压等级,目前对该电压等级下换流站的绝缘配合相关研究极少。在以后的研究中应注意以下几个问题：（1）在特高压直流输电方式中,要重视多馈入直流输电系统，可能引起系统的安全稳定问题；（2）当特高压输电线路经过地面倾角较大的山区或雷电活动较频繁的地区时,应加强线路的防雷措施,如适当增加绝缘子片数以及减小避雷线保护角等,以达到降低线路绕击率的目的；（3）在特高压电网发展的不同阶段,会出现电磁环网和交直流并联等运行问题,它们有各自不同的结构和特点,需随特高压电网发展进行更深入的研究。参考文献：[1]袁清云,我国特高压直流输电发展规划与研究成果[J].电力设备,2007,8(3):1-4.[2]苏宏田,齐旭,吴云.我国特高压直流输电市场需求研究[J].电网技术,2005(24):[3]刘振亚,特高压直流输电理论[M].北京:中国电力出版社,2009.[4]刘振亚,特高压直流输电技术研究成果专辑(2005年)[M].北京:中国电力出版社,2006.[5]中国南方电网公司,±800kV直流输电技术研究[M].北京:中国电力出版社,2006.[6]张文亮,于永清,李光范,等.特高压直流技术研究[J].中国电机工程学报,2007,27(22):1-7.[7]舒印彪,张文亮,特高压输电若干关鍵技术研究[J].中国电机工程学报,2007,27(31):1-6.[8]周浩,陈锡磊,陈润辉,等,±800kV特高压直流换流站绝缘配合方案分析[J].电网技术,2011(11):18-24.[9]聂定珍,马为民,郑劲,±800kV特高压直流换流站绝缘配合[J].高电压技术,2006(09)：75-79.[10]聂定珍,袁智勇,±800kV向家坝一上海直流工程换流站绝缘配合[J].电网技术,2007(14):1-5.[11]吕金壮,赵杰,云广±800kV直流输电系统过电压与绝缘配合研究[J].南方电网技术,2009(02):18-22.[12]周沛洪,赵杰,吕金壮,等,.±800kV云广DC换流站避雷器布置和参数选择[J].高电压技术,2009(11):2603-2611.[13]王玉平,张一鸣,特高压直流避雷器的技术特点与分析[J].电力设备,2007(03):15-19.[14]廖志超,苟锐锋,程晓绚,等.±800kV直流换流站三种不同类型避雷器性能比较[J].南方电网技术,2010(02):63-66.[15]司马文霞,庞锴,杨庆.±800kV特高压换流站直流侧操作