直流滤波器过电压问题优化方案

与交流滤波器相类似，直流滤波器在运行中可能因直流极线故障、电压波动等原因引起滤波器内部电磁暂态过程，产生滤波器内部过电压。本节将对直流极线接地短路故障、操作过电压冲击两种典型故障产生的直流滤波器内部过电压的计算方法进行讨论。

直流滤波器电路图及其内部避雷器安装位置见前面直流滤波器介绍章节15.3.5。

16.5.3.1　仿真计算条件

引起直流滤波器内部操作过电压的情况主要有两种：滤波器母线接地和操作过电压波冲击。对于这两种过电压的仿真研究，可以单独将滤波器从系统中独立出来进行研究。本书以向家坝—上海±800kV特高压直流工程复龙换流站为例，对这两种情况的分析如下：

1）直流极线接地故障

如图16-34所示直流滤波器顶部接地故障示意图，图中左侧为滤波器模型，模型中LC1、RL1、RL2、RL3分别为高压电容寄生电感、电抗器直流电阻，该电阻值可通过电抗器的品质因数要求求出；右侧为考虑接地故障电感Lx的接地支路模型。当滤波器被充电至一个高的电位，滤波器母线发生接地短路故障，此时避雷器F4、高压端电容C1、中性母线电容Cn、中性母线避雷器E、接地引线等效电感LEL及故障点构成故障回路，F4承受较高的故障过电压。在接地短路故障发生瞬间，高压端电容器C1和电感L 1主要承受陡波过电压，并联的避雷器F1和F4能耗较大。同时由于C1和L 1的阻尼作用，低压端设备L 2、L 3、C2、C3基本不承受陡波过电压，主要承受由滤波器电感、电容的电磁暂态振荡而产生的操作过电压。

图16-34　直流极线接地故障仿真电路图

直流滤波器中，避雷器F1、F2、F3、F4所处位置不同，其最大过电压计算条件不同，需要分别考虑这四种避雷器的最大过电压条件进行仿真计算，以下将对这四种避雷器过电压最大情况分别进行讨论[8，9]。

避雷器F1和F4

避雷器F1和F4的最大过电压计算工况相同，都是由于直流极线接地时，C1直接通过F1和F4放电造成的，故接地故障发生时滤波器高压端电容上预充电电压越高，滤波器储存的能量就越多，避雷器F1和F4上产生的过电压就越严重。另外，Lx取值越小，避雷器F1和F4上产生的过电压幅值也越大。

由于F1和F4避雷器上最大过电压波头陡度很陡，更接近于雷电冲击波，故此处所计算的结果应对应雷电冲击保护水平。

该过电压最严酷计算条件如下：

（1）直流滤波器预充电电压

考虑直流滤波器上电压最大值不超过直流极线避雷器保护水平，从严考虑预先充电电压取直流极线避雷器操作冲击保护水平（SIPL），如向家坝—上海±800kV特高压直流工程中该值为1391kV。

（2）高压端电容寄生电感LC1

根据设备制造经验，ABB公司认为直流滤波器高压端电容器C1的寄生电感可取为50μH[10]。

（3）Lx取最小值

该故障电感取值主要是直流极线寄生电感。直流滤波器接线端位置一般较高，此处空气间隙较大，一般不易发生接地短路，较易发生接地短路故障的地方一般距直流滤波器10～20米左右，故Lx一般取为接地短路点与直流滤波器高压端电容器C1之间的直流极线寄生电感，再加上其他杂散电感，ABB公司认为该值不小于20μH，此处一般可取值30μH[9]。

（4）接地引线等效电感LEL

根据接地引线长度60km，该等效电感可取为60m H，该参数对过电压计算结果基本无影响。

（5）避雷器大小保护特性

计算某避雷器的最大负载时，为从严考虑，该避雷器采用最小保护特性。如果滤波器中还有其他避雷器，为从严考虑，这些避雷器应采用最大保护特性，以减少其分流。本节计算作为一个简单示例，只计算避雷器在大保护特性下的过电压情况。

避雷器F2和F3

与F1避雷器不同，该避雷器上过电压是由L 2和C2、L 3和C3在暂态时振荡产生的，因此避雷器F2和F3上最大过电压计算条件不是Lx取最小时，而是Lx取一个处于极小值到极大值（一般其极小值不小于20μH，极大值可取100m H）之间的某一个数，这个数值确定通常需要仿真逐步试探计算得到。

F2和F3上出现的最大过电压波头的陡度更接近于操作冲击波（与F1避雷器上最大过电压波形更接近于雷电冲击波不同），故此处所计算的结果应对应操作冲击保护水平。(www.xing528.com)

除Lx取值外，避雷器F2和F3最大过电压计算模型其他条件与F1避雷器相同。

2）操作过电压冲击

直流滤波器内部过电压分析还须考虑直流极线的操作波情况，该仿真示意如图16-35所示。计算中，在直流线上施加250/2500μs的操作冲击波，从严考虑，取该操作波幅值为直流极线避雷器的操作冲击保护水平（SIPL）1391kV，也有资料取直流极线的操作耐受水平（SIWL）1600kV。

图16-35　直流滤波器操作过电压波冲击仿真电路图

16.5.3.2　仿真计算结果

1）直流极线接地故障

以向家坝—上海±800kV特高压直流工程复龙换流站为例，其直流滤波器内部过电压计算结果如表16-16所示。图16-36中波形为避雷器F4通过能量最大时的过电压、电流和能量波形。

表16-16　直流极线接地故障下直流流滤波器内避雷器上的过电压计算结果

图16-36　直流极线接地故障下避雷器F4中过电压及能量波形图

2）操作过电压冲击

对于这种情况，一般采用施加250/2500μs的操作冲击波进行仿真，仿真中取两种操作冲击过电压幅值（SIPL：1391kV和SIWL：1600kV）分别计算，计算结果如表16-17所示，该过电压下避雷器F1、F2、F3和F4中流过的能量都比较低。

表16-17　操作冲击波下直流滤波器内避雷器上的过电压计算结果

注：斜线左边数值为采用SIPL（1391kV）作为冲击电压幅值进行计算得到的结果，右边数据为采用SIWL（1600kV）作为冲击电压幅值进行计算得到的结果。

除直接仿真计算外，对直流滤波器中的避雷器F4而言，ABB公司认为可以通过下式估算其操作波下的动作电流[11]。

式中，C为高压滤波器电容；d u/d t为电压变化速率；SIWL为直流极线操作冲击保护水平（也可采用直流极线避雷器保护水平SIPL即1391kV）。该电流对应的F4避雷器的SIPL为553kV。

实际上，由于滤波器电感L 1及并联的避雷器F1支路有分流作用，因此上述得到的动作电流偏严。

16.5.3.3　过电压机理分析

对于这些直流滤波器中的F1和F4避雷器而言，在滤波器母线接地短路故障时，其过电压是由于直流极线接地时，C1直接通过F1和F4放电造成的。

对于低压避雷器F2和F3而言，在直流极线接地短路故障时，其过电压最大值情况与F1及F4完全不同，其过电压主要是由于L 2和C2、L 3和C3的电磁振荡造成的。

16.5.3.4　过电压控制保护措施

这两类过电压都是采用避雷器（F1、F2、F3和F4）直接进行保护，从计算结果可知这些过电压都不严重，只采用避雷器即可使直流滤波器得到安全的防护。