特高压直流保护与避雷器动作特性配合分析

曹运龙

摘要：随着科技的进步和人民群众生活需求的发展，电压等级逐渐提高，导致特高压直流输电工程中的过电压水平也出现了显著的增大。但是特高压得直流控制保护整定以及避雷针的参数配置尚未出现大幅度的改动，所以在此情况下，我们有必要对特高压直流保护与避雷器动作特性的配合进行深入分析，以保障特高压工程能够起到良好的保护作用，且避雷器能够对运行的需求进行充分配合。

关键词：特高压；直流保护；避雷器；动作特性；配合

我国的国土面积较大，所以出现了能源资源分布与电力负荷需求不均衡的情况，也就需要能源进行大规模的、远距离的流动。在我国电网进行建设的过程中，因为特高压直流输电具有输送距离远、输送容量、易调节、易控制等多方面的优势，目前已经成为了我国进行电网建设的重要发展方向之一。但是就目前的情况来看，我国特高压直流输电工程的相关经验较为缺乏，所以我们需要对特高压换流站中直流设备和避雷器的相互配合进行深入分析。

一、避雷器的配置

对于特高压直流换流站来说，对其中的避雷器进行配置的原则就是：交流侧的避雷器对换流站中交流侧的过电压进行限制，直流侧的避雷器对换流站中直流侧产生的过电压进行限制，换流站中其它的重要设备则由距离其最近的避雷器给予直接的保护。

在特高压直流输电的过程中，线路总长度为1418km，额定的输送功率为5000MW，额定的运行电压为±800kV，额定的电流则为3.125kA，其中特高压避雷器的配置则如图1所示。

图1换流站避雷器配置

在换流站的整流站和逆流站中，采取的绝缘配合方案完全相同，从而将不同电压等级的设备之间所产生的制造成本有效降低。而位于最高端的YY换流变阀侧，则使用A2避雷器对其进行直接的保护，在此情况下，处于最高电位的换流阀，其侧操作的冲击绝缘水平则能够得到显著的降低。中性母线避雷器采用的同样是整流站和逆流站中所采用的避雷装置。除以上之外，交流母线、直流母线、直流母线中点以及直流线路均具有相应的避雷器。

二、控制保护装置

因为特高压直流换流器采用的是双12脉整流器，其阀组数量出现了大幅度的增加，为了能够再尽可能的避免故障发生率降低之后出现直流功率的降低，我们采用分层的方式对其进行保护，主要分为极保护和阀组保护两种。在极保护中，主要包含直流滤波器保护、高速开关保护、接地极线路保护、直流线路保护、直流母线保护以及极换流器保护；在阀组保护中，则主要包含了旁路开关保护以及阀组极换流器保护。

一般来说，换流站的控制系统均需要进行分层控制，但是除了以上的分层控制方法以外，还包括双极控制层、极控制层以及阀组控制层。

三、交流侧相见冲击

如果需要将交流侧的相间操作过电压传递至阀侧，则必须通过换流变进行，采用的传递方式就是，于换流变的阀侧端子以及阀上产生过电压，并且这一工况能够在一定程度上决定阀避雷器的绝缘水平。

在通常情况下，我们所采用的施加方法就是，以金属回线为基础，在交直流系统进行运行的过程中，对电流源或是电压源进行相间施加操作波，并采用对电流幅值进行调节的方式，促使交流详间电压能够达到1326kV。

在故障发生的情况下，选取在一个周期的时间范围内，已经承受了对应交流两相过电压的阀，由导通到开始，更换相关断的时刻。通俗来讲，于AB相上对操作波进行施加，首先选取阀1开始进行换相，当操作波已经顺利达到时，阀2的换相即是失败，而此时阀3可以继续对反相电压进行承受，并且在此时，反相电压的最大值能够由处于换流变阀侧AB相间的电压差进行决定，如图2所示。

图2交流侧相间冲击故障时刻示意图

如图2所示，在图中，A点代表交流侧相间冲击施加时刻，也就是阀1向阀2开始进行变相的时刻，图中的B点，则为阀3已经到达最大过电压的时刻。与此同时，各阀避雷器所承受的最大过电压如表1所示。

表1交流侧相间冲击避雷器应力

在表1的情况下，因为对操作波进行施加的时间较短，同时交流过电压的保护最快为时延10ms，所以不能够满足保护动作进行启动的要求。以此为基础，在如此的情况下，保护并不能够对避雷器的最大应力产生影响。并且，在操作冲击时间较短的情况下，阀的最大过电压幅值相对较高，但是其能量相对较低。

四、金属回线开路

在直流系统通过单极金属回线的方式进行运营时，如果金属回线出现断线或是开关误跳的情况，都有可能导致金属回线出现开路故障。并且，如果出现了直流电流在断路点的入地通道完全被切断的情况，直流电流在入地时就会被迫经过E1H、E2H以及EM型避雷器，其中，能够遭受较大的能效强度的避雷器为E型避雷器。在此工况之下，过流、桥差以及极差三种保护均不能够起到保护作用，但是在中性母线的电压超过98kV时，接地极限的过电压保护以及中性母线的过电压保护都能够在时延100ms的情况下将ESOF进行启动，从而即时将快速接地开关合上。

五、结论

在交流侧相间发生冲击时，故障时刻能够承受对应交流两相冲击电压的阀，也处于或即将进行换相关断的时刻，此时阀避雷器能够承受的电压幅值为最大。在如此的工况下，保护对于避雷器不会起到进行限制的作用，但是因为电压持续的时间相对较短，避雷器能够产生的能量并不大。

在最高换流变阀侧单相发生接地故障的情况下，主要是能够对中性母线避雷器产生较大的冲击，且出现阀短路保护拒动或是存在无法正常进行启动的情况下，换流器发生直流保护时延会对阀避雷器以及中性母线避雷器二者的最大能量及最大电流均产生一定程度的影响。

在金属回线开路的情况下，承受主要冲击的避雷器为E1H和E2H两个型号的避雷器，同时中性母线以及接地极线的保护时延则能够被控制在100ms之内，并且在绝缘设计水平之内，E型避雷器应力的保护时延则能够被控制在150ms之内，但是在此情况下，避雷器的最大能量会在一定程度上超出设计水平。

在特高压直流换流站中，为了能够满足控制保护以及避雷器配合运行的需求，保护时延是可以在一定程度上进行控制的。

结束语：

通过上文我们可知，直流保护与避雷器动作特性在特高压中能够起到重要的影响和作用，所以我们有必要对其进行深入分析，以促使其能够具有更高的应用价值。

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