阀厅内过电压原因及解决方法

根据换流站避雷器布置图23-1可知，换流站阀厅内的避雷器主要有：并联在阀两端的阀避雷器V11/V1、V12、V2和V3，换流器母线避雷器CBH、MH、CBL2、ML和中性线避雷器CBN1，其中CBN1主要用于防护沿中性母线侵入阀厅的雷电侵入波过电压，故不在本文中讨论。以下根据这些避雷器各自的决定性过电压工况，分别对其进行讨论分析。

晶闸管阀主要由并联在其两端的阀避雷器（V11/V1、V12、V2、V3）来保护，其中根据各自决定性过电压工况可分为V11/V1、V12和V2、V3三组，分别分析如下：

23.3.2.1　阀避雷器V11/V1

高压端Y/Y换流变与换流阀之间发生接地短路时，需要释放直流线路和直流滤波器上的能量，该能量主要加在上十二脉动换流器最上层阀避雷器V11/V1上。该故障也是避雷器V11/V1的决定性工况，该工况下V11/V1避雷器上的最大过电压及通过的能量计算结果如表23-9所示。可见，±1100kV送端准东换流站阀避雷器V11两端最大过电压为541kV，最大能量为14.64MJ；受端成都换流站阀避雷器V1两端最大过电压为540kV，最大能量为14.3MJ。±800kV送端溪洛渡换流站阀避雷器V11两端最大过电压为379kV，最大能量为7.49MJ；受端浙西换流站阀避雷器V1两端最大过电压为375kV，最大能量为6.73MJ。

表23-9　阀避雷器V11/V1上过电压计算结果

对表中±1100kV和±800kV特高压直流工程中V11/V1上的过电压幅值与能量数据进行比较分析如下[2，6，7]：

1）±1100kV与±800kV系统中的V11/V1两端过电压幅值比值为541/379=1.43，540/375=1.44。而系统额定直流电压比值为1100/800=1.375，可知过电压幅值提高的比例比额定电压等级略大。

2）±1100kV与±800kV系统中的V11/V1通过的过电压能量比值为14.64/7.49=1.96，14.3/6.73=2.12。而系统额定直流电压平方比值为11002/8002=1.89，可知过电压能量增加的比例比额定电压等级的平方稍大一些。

3）根据本书16章直流系统操作过电压中所介绍的该过电压机理，该过电压由直流线路电压与换流变出线电压共同作用构成，故其幅值与直流额定电压及避雷器动作电压有一定关系，其过电压能量来自直流线路分布电容残余电荷能量，该能量值与该过电压具体发展过程直接相关，大约与直流电压平方成正比，并受线路长度的影响。表23-10列出了±1100kV、±800kV两个不同电压等级下特高压直流输电工程的几个重要相关参数。可以看出，由于±1100kV系统中V11/V1避雷器的CCOV与系统额定电压差值为746kV，±800kV系统中为550kV；前者线路长为2400km，后者线路长1728km，故特高压直流系统中V11/V1两端过电压随电压等级升高增加的比例稍大于电压等级提高的比例，其过电压能量增大的比例也比其电压等级平方提高的比例大一些。

表23-10　±1100kV与±800kV特高压直流系统中阀过电压工况比较

23.3.2.2　阀避雷器V12/V2

换流站交流系统由于故障、倒闸操作等原因会产生相间操作过电压冲击，该过电压冲击经过换流变绕组传入阀厅，作用在换流阀两端，从而在阀上产生较大过电压。其故障简化示意如图23-3所示，来自A、C相间的操作冲击波，当冲击波传入阀厅时，假设阀VT1和VT6处于导通状态，则阀避雷器V25将承受来自A、C相的操作冲击过电压，该故障工况是阀避雷器V12/V2的决定性工况。计算结果如表23-11所示，可见±1100kV送端准东换流站V2两端的最大过电压为522kV，受端成都站V2两端过电压为521kV。±800kV送端溪洛渡换流站V2两端最大过电压为376kV，受端浙西站V2两端过电压为375kV。该故障下通过避雷器V2的能量均不大。

表23-11　阀避雷器V2两端过电压及能量计算结果

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图23-3　交流系统操作过电压传入阀厅示意图

比较±1100kV与±800kV特高压系统中该过电压可知，其过电压幅值比值为522/376=1.39，521/375=1.39，与系统额定电压比值1100/800=1.375大约相等，故该过电压幅值随电压等级升高基本上成等比例提高。

虽然该避雷器在决定性过电压工况下通过的能量较低，但实际工程中仍采用多柱避雷器并联的方案，如准东站V12采用4柱并联方案，其吸收过电压能量能力远大于该决定性过电压下的实际能量。原因在于换流阀是特高压直流系统的核心设备，其两端过电压需尽量控制在较低水平，该过电压虽然能量较低但幅值仍较大，且避雷器参考电压已接近其正常运行时的最大电压，不能采用降低参考电压的方式来降低过电压水平，故采用多柱避雷器并联的方案来降低通过每柱避雷器的电流，从而降低其两端过电压幅值，以降低换流阀制造成本。

23.3.2.3　阀避雷器V3

当换流站以双极不平衡方式运行时，如极I只投运下12脉动换流器，上12脉动换流器停运，极II则以完整双12脉动运行，在换流站极I低压端Y/Y换流变阀侧发生单相金属性接地故障，会在极I的阀避雷器V3上产生较大过电压，该故障是避雷器V3的决定性工况。该过电压工况与阀避雷器V11/V1类似，其计算结果如表23-12所示。±1100kV送端准东换流站V3两端的最大过电压为555kV，通过的能量为6.36MJ；受端成都站V3两端过电压为547kV，通过能量为5.76MJ。±800kV送端溪洛渡换流站V3两端最大过电压为385kV，通过的能量为2.93MJ；受端浙西站V3两端过电压为373kV，通过的能量为2.84MJ。

表23-12　阀避雷器V3两端过电压及能量计算结果

比较表中±1100kV和±800kV特高压直流工程中V3上的过电压幅值与能量，有以下分析：

1）±1100kV与±800kV系统中的V3两端过电压幅值比值为555/385=1.44，547/373=1.47，通过的过电压能量比值为6.36/2.93=2.17，5.76/2.84=2.03。系统额定电压及其平方比值分别为1100/800=1.38，11002/8002=1.89。与阀避雷器V11/V1两端过电压情形类似，该过电压幅值比额定电压等级增加的比例更大，过电压能量比额定电压等级平方增加的比例更大。

2）此外，由于V3所在直流母线处额定电压为系统额定电压的一半，根据其过电压机理，通过该避雷器的过电压能量应为同一换流站中V11/V1上通过最大能量的1/3到1/2之间。由表23-9和表23-12中计算结果得到，6.36/14.64=0.434，5.76/14.3=0.403，2.93/7.49=0.391，2.84/6.73=0.422，可见仿真结果与前述分析相吻合。

23.3.2.4　换流器母线避雷器

如图23-1所示，上下12脉动换流器中两个6脉动桥间母线分别由避雷器MH和ML直接保护，上下12脉动换流器间直流母线由避雷器CBL2直接保护，换流器上12脉动换流器高压直流母线、穿墙套管等设备由避雷器CBH直接保护。当发生全电压起动故障时，会在DB、CBH、MH、CBL2和ML等避雷器上产生较大过电压，计算结果如表23-13所示。

表23-13　阀厅内换流器母线避雷器的过电压及能量计算结果

比较表中±1100kV和±800kV特高压直流工程中CBH、MH、CBL2和ML上的过电压幅值比值：整流侧为1824/1350=1.35，1293/973=1.33，901/693=1.30，485/354=1.37；逆变侧的比值为1808/1326=1.36，1337/958=1.40，894/632=1.41，517/385=1.34，可见过电压幅值的比例与电压等级比例相近，该过电压值随电压等级成比例增加。此外，这些过电压能量都不大，而这些避雷器的参考电压已接近其正常运行情况下的最高电压，为尽可能降低安装处的过电压，采用了多柱设计来降低其保护水平，这使得其吸收过电压能量的能力远大于其实际承受的过电压能量。