正负 800kV 直流输电系统过电压与绝缘配合
摘要：结合我国 ±800kV 高压直流输电工程的内过电压研究结果和交、直流避雷器的额定参数推荐值 , 对 ±800kV 高压直流输电工程的绝缘配合进行分析研究 , 提出该工程交、直流设备的雷电冲击绝缘水平和操作冲击绝缘水平的推荐值。对换流站的雷电过电压保护和直流线路的防雷保护进行探究 , 提出防雷保护的措施。
关键词：±800kV 直流输电；绝缘配合；避雷器布置前言：
目前，随着直流电压等级由原来的 500 kV 上升到 800 kV, 导致换流站和线路的绝缘部分在总设备投资所占比重相当大。如输送容量约为原来的 2 倍 , 因绝缘故障带来的损失以及系统的扰动问题严重。所以，优化直流系统过电压保护 , 进而确定合适的换流站绝缘水平，在换流站设备设计、制造和试验中是很重要的部分。如果绝缘水平取得过高就会造成换流站的设备尺寸过大即难度太高，若取得过低则导致运行中故障率或是停电损失和维护费用增加 , 进而造成经济浪费。
1. 换流站交流侧的操作过电压及电压选择
1.1 操作过电压
换流站的交流侧中有单相接地和两相接地以及三相接地故障出现，随后在故障清除的过程中 , 换流变和滤波器组会通过系统的阻抗进行充电，进而引起暂态过程在交流侧产生过电压 , 而且电压不能采取有效措施来控制。由相间过电压通过换流变传递到了阀侧 , 需要计算出换流站交流侧 A 类型避雷器与换流阀 V 类型避雷器的保护水平以及能量的工况。若果按保守的方法来计算故障清除过电压时 , 假设在故障期间以及故障之后换流站一直处于闭锁的状态，由于阀闭锁时 , 串联的两个阀相间接在避雷器上 , 产生能量很小 , 另外阀侧相间过电压最高。如果故障期间阀闭锁投入旁通对时 , 就会有部分阀相间接在避雷器上 , 其能量最高。所以，这与常规低压直流工程一样 , 换流变的断路器和交流滤波器组装有合闸电阻 , 能够抑制交流滤波器组和换流变的操作过电压。
1.2 换流站交、直流侧避雷器额定电压的选择
在某一瓷器厂生产的 420 kV 避雷器在吸收较高的预注能量之后 ,能够承受 1.03 倍避雷器额定电压的时间超过了 1000 秒 , 所以，如果选择的额定电压为 400 kV 的国产避雷器也能够保证安全。跟据调查本厂的换流站交流侧选择的额定电压达到 400 kV, 则直流工程的换流变侧 A类型的避雷器额定电压选择为 399 kV, 这是多年实践运行的经验。所以，这里建议换流站交流侧的避雷器 , 还包括交流母线避雷器都选用额定电压为 400 kV 的避雷器 , 即不需要照搬以前 500 kV 直流工程的模式 , 交流母线避雷器只需选用 420 kV 避雷器 , 作为换流变侧和交流滤波器母线侧则选用 400 kV 避雷器。这种用电模式使交流母线避雷器仅用于雷电侵入波的保护 , 而对于操作过电压不起限制作用。另一方面，还可以根据雷电的侵入波过电压来研究结果进而决定是否要装母线避雷器。
2. 直流侧避雷器的配置及防雷措施
氧化锌避雷器是换流站设备重点保护的装置 , 它配置的原则是 : 首先，交流侧的过电压用交流侧避雷器来限制；其次，直流侧的过电压由直流侧避雷器限制。而重点的保护设备由紧靠它的避雷器进行直流输电系统过电压直接的保护。
2.1 母线平波电抗器对避雷器参数的影响水平
平波电抗器选择两种形式，即干式空心或油浸式。它的一半装在中性母线上，与全装在极线的方案相比 , 能够使串联的两个脉动换流器中间的母线电压几乎为纯直流电压 , 所以，避雷器参考电压将低于平波电抗器全装在极线时的避雷器参考电压 , 进而能在很大程度上降低避雷器保护水平以及高电位脉动换流器各点的绝缘水平。其中中性母线装平波电抗器的缺点还是存在的，主要有以下几点：其一是，需选择阀底部的设备，还包括最低电位的换流变，要求绝缘水平高于中性母线的绝缘水平；其二是，避雷器的能量要求需大于高能量；其三是，增加了中性母线电抗器等设备的投资。
2.2 阀避雷器的能量结构形式
阀避雷器按能量大小可分为三种，即 V1、V2 和 V3。其中，V1 只需满足 800 kV 在运行时最高电位换流变压器阀侧绕组接地故障下的能量要求较高。而 V2 在工作时需满足下组 400 kV 换流器，在单独运行时400 kV 高电位换流变压器阀侧绕组接地故障下的能量要求相对较低。
最后，V3 需要满足换流站交流侧接地故障以及清除和逆变站失去交流电源等故障的能量要求，即要求最低。
2.3 避雷器布置的两种方案
两种方案的主要区别是方案一主要采用的是 V3 避雷器与 M2 进行串联来保护上组高电位的换流变压器阀侧绕组。而第二种方案主要采用避雷器 A2, 来直接保护处于较高电位的换流变阀侧绕组。其中方案一的优点是只需要用一个避雷器就能实现 , 而且它的电压低于 A2 避雷器 , 所以对外绝缘要求的高度就相应低。由于中性母线的装平波电抗器 , 能够降低避雷器的电压 , 进而获得较低的保护水平。两外方案二的优点是，A2 能直接保护最高电位的换流变阀侧绕组。而且同样由于中性母线装平波电抗器 , 能够降低 A2 避雷器的保护电压。另一方面，避雷器在交流一个周期后才能承受一次较高的电压 , 需要选择较高荷电率来获得比方案一低的保护水平。其缺点就是数量较多 , 且额定电压高 , 进而对外绝缘要求高 , 安装角度上，有较大高度 , 需要考虑空气间隙，要求占空间较大。
3. 换流站保护水平以及耐受电压和绝缘配合分析换流站保护水平和耐受电压，当换流站的设备由串联连接的避雷器进行保护时 , 这样所能起到的保护水平等于发生故障时流过每个避雷器配合电流相应的保护水平之和。而另一种保守的方法，是将每个避雷器各自最严重故障下确定的保护水平进行相加。其中每个避雷器最严重故障下需要保护水平对应的配合电流相差很大 , 由于不可能在同一时刻和同一故障中出现 , 所以确定的保护水平留有额外保障。
4. 正负 800 kV 直流线路的过电压和绝缘配合正负 800 kV 直流线路最大的特点有两个 : 其一是，绝缘水平的很高 , 即雷击避雷线或者塔顶发生反击闪络的可能性极低；其二是，杆塔较高 , 较易发生绕击。所以，需要建议地面倾斜角较大地区的线路来进一步的减小地线保护角。在海拔高度低于 1000 m 的直流工作电压，要求的空气间隙空间为 2.3 m；在操作过电压下要求的间隙为 6.2 m；沿用 800kV 高压交流线路大气过电压空气间隙击穿电压会与绝缘子串闪络电压配合比达到 0.8, 就需要要求空气间隙为 8m 左右。然而，实际上直流线路在发生雷击闪络时，造成的后果没有交流线路那么严重 , 所以，按此间隙控制塔头尺寸是不合理的。即正负 800 kV 直流线路的过电压和绝缘配合应该以直流工作电压或操作过电压间隙控制塔头的尺寸。正负 800 kV 直流线路采用的是绝缘子串 , 要求杆塔空气间隙最小在 7.2m左右 , 远远超过操作过电压要求的 6.2m 空气间隙空间。
5. 结语：
输电线所需电压的分布会因工程而不同，进而需要根据工程设计的具体参数通过仿真计算来求得。因此在进行绝缘配合时，仿真计算研究就显得十分重要，来确定合理的避雷器配合电流。另外，对换流站的雷电过电压保护和直流线路的防雷保护还需要进一步探究。
参考文献：
[1] 周沛洪 , 修木洪 , 谷定燮 , 戴敏 , 娄颖 . 正负 800 kV 直流系统过电压保护和绝缘配合研究 [J]. 高电压技术 ,2006.
[2] 吕金壮，赵杰 . ±800 kV 直流输电系统过电压与绝缘配合研究 [J]. 南方电 网技术 ,2009.
[3] 周浩，陈锡磊，陈润辉，王东举，袁士超，孙可 .±800kV 特高压直流换流站绝缘配合方案分析 [J]. 电网技术 ,2011.
