下载文档原格式
特高压直流输电内过电压的几个技术问题 朱艺颖，蒋卫平，吴娅妮, 吴子平(中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192)摘要：基于金沙江一期向家坝—南汇±800 kV直流输电工程的具体参数，利用电磁暂态计算软件EMTP-RV，针对特高压直流输电内过电压的几个技术问题进行了详细的仿真计算和分析总结，并对高压直流输电内过电压的研究方法提出了可行性建议。
研究结果表明，高压直流输电系统控制保护动作时序对内过电压影响较大，在研究高压直流输电系统的内过电压时，应尽可能模拟实际直流输电系统控制保护的动作时序，以确保仿真结果更加接近实际系统。
关键词：内过电压；直流输电；控制保护0 引言电力系统内过电压是指由于电力系统故障和/或开关操作引起电网中电磁能量的转化，从而造成瞬时或持续时间较长的高于电网额定允许电压并对电气装置造成潜在威胁的电压升高。
电力系统内过电压是发展高压、超高压及特高压电网所必须研究的重要课题，它既影响变压器、断路器、输电线路等电力设备绝缘强度的合理设计，还直接关系到电力系统能否安全可靠运行[1-3]。
内过电压分为操作过电压和暂时过电压两大类。
故障或操作时瞬间发生的过渡过程过电压称为操作过电压，其持续时间一般在几十毫秒之内。
操作过电压结束后出现持续时间大于0.1ms至数秒甚至持续时间更长的过电压称为暂时过电压，暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压[3-5]。
高压直流输电的一个显著特点是可以通过快速调节两端换流器的触发角，控制直流系统的电压和电流，并将故障对设备的影响降到最低，即直流输电系统的性能极大地依赖于控制系统[6-8]。
由于直流输电控制保护系统在故障或操作发生后几毫秒内即能动作，研究直流系统的内过电压时，应考虑控制保护的动作特性。
引起直流输电系统操作过电压的操作或故障一般包括投入和重新投入交流滤波器或并联电容器以及清除交直流侧对地故障、换流器内部短路故障等[9-10]。
本文结合±800 kV向家坝—上海直流输电工程，仿真计算模型中采用实际工程的具体参数，采用电磁暂态计算软件EMTP-RV[11]，针对几个典型故障形式下的过电压，模拟了不同的控制保护特性，不同的避雷器布置方式，并对仿真计算结果进行了对比分析。
地铁直流牵引供电系统过电压保护与绝缘配置发布时间：2021-12-21T07:17:44.619Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第15期作者：吴俊霞[导读] 随着地铁系统的快速发展，直流牵引供电系统的应用越来越广泛，开发性能优良、可靠的直流保护十分迫切。
深圳地铁运营集团有限公司广东.深圳 518000摘要：随着地铁系统的快速发展，直流牵引供电系统的应用越来越广泛，开发性能优良、可靠的直流保护十分迫切。
文章详细介绍了地铁直流牵引供电系统中使用的几种直流同轴电缆保护方法。
组合跳闸保护、重合保护、结构保护的基本保护原理，以及如何根据电流增量的准确测量区分常见故障情况和所有正常运行情况，并为地铁配备同轴电缆保护装置给出理论依据。
关键词：地铁;直流牵引;供电;过电压保护;绝缘引言：地铁直流牵引系统架构的保护是供电系统保护的重点保护，框架保护动作后，共12个断路器跳闸：直流断路器6个，本所高压35kV整流机组两个断路器，以及联跳两邻站4个直流馈线断路器。
断路器在结构保护动作后不易重合，会造成接触网大面积停电，危及运营。
因此，结构保护的正确动作对于整个牵引供电系统非常重要。
钢轨电位限制装置用于监测钢轨电压、限制钢轨电压，保护生命安全。
1、直流牵引系统保护配置原则对于不同的地铁牵引供电系统，直流牵引系统的保护设备很可能不同，但保护效果是一样的。
只要能满足保护要求，为保证供电系统可靠，系统应尽量避免一些保护。
由于防护用品的过度提供，一方面会扩大系统项目的投入，另一方面会提高保护配合难度。
对于采用第三接触轨供电系统方式的地铁供电系统，由于供电系统电压为1500V，供电系统之间的距离较短，但回路电阻较大，短路容量比较小，存在短路容量与列车牵引负载电流难以区分的情况。
由于最初的直流电源保护系统缺乏具有可用性能的保护设备，一般只提供电流和过流保护装置来断开常见故障，保护的效果通常并不理想。
为了更好地处理上述问题，一种方法是改进直流多路跳线的保护。
目前国内外对换流站过电压的研究主要考虑以下内容：来自换流站交流侧过电压、来自换流站直流侧过电压、来自直流线路过电压。
其中，每种过电压又可以分为暂时过电压、操作过电压、雷电过电压。
±800kV 特高压直流避雷器与±500kV 直流工程直流避雷器相比，前者对避雷器的通流容量要求更大，需要采用多柱式避雷器或分立避雷器并联连接方式（多用于操作冲击过电压所致的放电电流的限制），以提高避雷器对较高能量的吸收能力，这样才能满足避雷器的能量和保护水平的要求，因此对避雷器放电电流分配的均匀性要求很高，但同时也加大了避雷器的制造难度。
绝缘水平的确定基于确定的保护水平以及选择足够的安全裕度。
此外，作为其他的保护措施，±800kV 特高压换流站中的平波电抗器采用分别布置在直流极线和中性母线上的安装方式，这样不仅降低了中性母线对地绝缘的成本，而且降低了高电位12 脉动换流阀各点的纹波电压峰值，相比于 500kV 直流输电工程中平波电抗器全部装在直流极线的方案，使得选择安装于换流变压器阀侧避雷器（保护高电压换流变压器阀侧绕组）的参考电压降低，从而降低了该点避雷器保护水平，也降低了高电位 12 脉动换流器各点的绝缘水平。
金属氧化物避雷器（MOA）在运行使用过程中要承受长期工作电压和各种瞬时过电压应力，因此在确定MOA性能参数时，首先应保证MOA在长期工作电压下的老化性能不会引起其电气性能的裂化或自身的损坏，所以MOA 的持续运行电压峰值 (CCOV) 和尖峰持续运行电压峰值 (PCOV) 必须高于所安装处的系统最高运行电压峰值(考虑叠加的谐波和高频暂态)。
从绝缘配合来说当然是MOA保护水平越低越好，但是MOA保护水平取的过低会使其吸收的能量过大，即需要的MOA数量或体积非常大，这势必给MOA制造带来困难，也增加MOA制造成本。
因此，选择MOA 额定电压(交流侧)或参考电压 U。
(直流侧)时，亦需要综合考虑其冲击保护水平和能耗等因素。
电力系统对各种电压等级线路保护的配置要求电力系统的线路保护是保障电网安全运行的重要组成部分，对各种电压等级的线路都有相应的配置要求。
下面将从四个方面详细介绍。
一、高压输电线路保护配置要求：高压输电线路是电力系统的重要组成部分，其保护配置要求主要包括以下几个方面：1.过载保护：对于高压输电线路，必须设置过载保护，以防止电流过大损坏线路设备。
常见的过载保护装置有电流保护装置、热继电器等。
2.短路保护：高压输电线路在发生短路故障时，必须能够迅速切除故障电路，以防止电流过大对设备和人身安全造成威胁。
短路保护装置包括短路保护继电器、跳闸器等。
3.接地保护：高压输电线路的设备和绝缘体故障时，可能会导致接地电流过大，对设备造成损坏。
因此，必须设置接地保护，迅速切除故障电路。
接地保护装置主要有接地保护继电器、接地刀闸等。
4.过电压保护：在雷电等过电压情况下，高压输电线路必须能够承受一定的过电压，同时需要设置过电压保护装置，及时切除故障电路。
常见的过电压保护装置有避雷器、过电压继电器等。
二、中压配电线路保护配置要求：中压配电线路是将高压输电线路的电能供应到终端用户的环节，其保护配置要求如下：1.过载保护：中压配电线路需要设置过载保护装置，以防止电流过大损坏线路设备。
常见的保护装置有电流保护装置、热继电器等。
2.短路保护：中压配电线路在发生短路故障时，需要迅速切除故障电路，以防止电流过大造成设备和人身安全事故。
常见的短路保护装置有短路保护继电器、跳闸器等。
3.接地保护：中压配电线路的设备和绝缘体故障时，可能会导致接地电流过大，对设备造成损坏。
因此，中压配电线路需要设置接地保护装置，及时切除故障电路。
常见的接地保护装置有接地保护继电器、接地刀闸等。
4.过电压保护：中压配电线路在雷电等过电压情况下，需要承受一定的过电压，并设置相应的过电压保护装置，及时切除故障电路。
常见的过电压保护装置有避雷器、过电压继电器等。
三、低压配电线路保护配置要求：低压配电线路一般是从变压器到用户的电缆、线缆等，其保护配置要求如下：1.过载保护：低压配电线路需要设置过载保护装置，以防止电流过大损坏线路设备。
直流输电系统内过电压及其限制措施一、直流输电系统的内过电压直流输电系统的内过电压是由换流站两侧交流和直流系统各种操作或故障引起的，包括暂时过电压和操作过电压，前者持续时间为几个到几百个工频周波，后者最高幅值一般仅持续半个工频周波，而后迅速衰减。
除操作或故障的种类外，直流系统结构、避雷器配置方式及保护水平、直流控制保护动作时序、直流输送功率等因素亦会影响直流系统的过电压幅值、波形和持续时间。
此外，换流站交流侧过电压不但决定了交流侧过电压保护水平和绝缘水平，且由换流变压器按变比传递到换流器作用在阀和阀避雷器上，并通过导通换流阀在直流侧产生过电压，从而影响直流侧的绝缘配合。
对于一个完整单极采用多个12脉动换流器串联连接结构的特高压直流输电系统，内过电压可能成为控制设备绝缘水平的主要因素；换流站与线路杆塔长空气间隙绝缘性能的饱和特性、高海拔及电气设备制造等因素，对特高压直流输电工程的内过电压限制及保护措施提出了更高的要求。
二、换流站避雷器的配置和参数过电压因产生机理不同分为内过电压和雷电过电压。
通过在换流站安装避雷器，限制作用在电气设备上的过电压，并由此确定其雷电和操作冲击绝缘水平及换流站空气间隙距离。
特高压直流系统的额定运行电压远高于超高压直流系统，故换流站电气设备的绝缘水平要比常规直流工程更高。
由于设备制造体积和运输条件的制约，希望尽可能降低其冲击绝缘水平，所以对换流站避雷器的配置、参数和限制设备的过电压水平提出了更高要求。
目前，特高压直流换流站和常规直流一样，过电压保护全部采用金属氧化物避雷器，因此其配置方式及参数对特高压直流输电工程的绝缘配合和工程造价起着非常重要的作用。
1. 避雷器的配置在特高压直流换流站中，避雷器的种类较多，配置较复杂。
避雷器的布置方式和安装位置是根据主要电气设备的布置方式及其过电压保护的需要确定的，根据安装位置和保护对象可分为交流避雷器、换流器避雷器、直流极线避雷器、中性母线避雷器和直流滤波器避雷器等。
什么是过电压?过电压类别有哪些?电力系统过电压分类过电压这块在系统设计中比较重要，特别是500kV电压等级以上设计，但是由于专业性比较强，对其理解也是基于参与工程的过电压专题以及EMTP过电压计算的一个课题，对这块也做一个总结。
一、何谓过电压所谓过电压，是指电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高，属于电力系统中的一种电磁扰动现象。
电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。
研究各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义。
过电压分两类，外过电压和内过电压。
外过电压又称雷电过电压、大气过电压。
由大气中的雷云对地面放电而引起的。
内过电压是电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压，分为工频过电压、操作过电压和谐振过电压。
个人涉及的一般都是内过电压分析，外过电压也会尝试稍作总结。
二、工频过电压工频过电压指系统中由线路空载、不对称接地故障和甩负荷引起的的频率等于工频（50Hz）或接近工频的过电压。
主要是三类原因：1.空载长线路的电容效应；2.不对称短路引起的非故障相电压升高；3.甩负荷引起的工频电压升高。
其中1和3经常结合在一起造成过电压。
实际计算过程中，与线路长短、短路容量、有无并联电抗器、故障前负荷都有关系。
为何讨论工频过电压？直接影响操作过电压的幅值持续时间长的工频电压升高仍可能危及设备的安全运行（油纸绝缘局放、绝缘子污闪、电晕等）在超高压系统中，为降低电气设备绝缘水平，不但要对工频电压升高的数值予以限制，对持续时间也给予规定（母线侧1.3pu，线路侧1.4pu，时间一般为1min）决定避雷器额定电压（灭弧电压）的重要依据（3、6、l0kV系统工频电压升高可达系统最高运行线电压的1.1倍，称为110％避雷器；35~60kV系统为100％避雷器；110、220kV 系统为80％避雷器；330kV及以上系统，分为电站型避雷器（即80％避雷器）及线路型避雷器（即90％避雷器）两种）工频过电压的幅值、持续时间与出现的机率对设备的影响及避雷器的选用应该说是非常重要的，但是现在广泛采用了不带间隙的氧化锌避雷器，由于有一定热容级，选择其额定电压时，工频过电压只是条件之一，不仅决定于工频过电压的幅值、而且决定于其持续时间，但由于我国这块持续时间与几率比较低（单相重合闸，一般不超过0.5S-1S），所以工频过电压可能已不是选择氧化锌避雷器额定电压的关健条件。
电力系统过电压保护原理及防护措施摘要：在电力系统的运行中，过电压是一种电磁扰动现象，电力系统中具有分布参数的电路元件主要有架空输电线路、变压器、电缆线路、旋转电机的绕组以及母线。
如果线路系统内部出现了误操作或者运行故障、遭到雷击等情况，系统中就会出现电磁暂态的情况，这种情况下就会出现一定程度的过电压。
在电力系统的正常运行中，对于导致过电压出现的原因以及对其副值的预测和相关限制措施的研究是相当重要的，只有这样才能使电力系统的设备安全得到有效的保证。
本文主要对电力系统中过电压保护的原理进行阐述，并且就如何有效的实现对过电压设备的保护，防止出现过电压的相关措施提出相关的建议。
关键词：电力系统；电压保护原理；防护措施电力系统中的过电压保护是对提高电气设备安全性能的一种重要措施，在实际的电力系统的运行中，一旦电压超出最大值，受控设备就会将电压降低或者断开电源，从而有效的实现对电气设备的保护。
在当前电力系统电器以及设备不断更新和发展的过程中，过电压对电器元件的影响越来越大，由于过电压导致的安全问题也越来越多，供电企业为了确保电力系统运行的安全性和稳定性，就需要不断的强化对过电压的保护性能，提高电力系统的电力技术。
下面具体对电力系统的过电压原理和防护措施进行分析。
一、简述电力系统的过电压保护原理在电力系统的运行中，配电线路中的设备和元件相对比较多，主要有旋转电机的绕组、架空输电线路、母线、变压器以及电缆线路等，如果线路受到雷击的影响，就会对元件和线路造成损害，同时还会使限制各个元件功能的发挥，如果在遭受雷击以后不能对其采取有效的保护措施，那么一些设备要想避免造成雷击，就需要进行避雷针的安装，但是在大型的电力系统中，需要安装避雷针的数量就会增加，这样就会直接导致电力系统运行成本的增加，但是相应的运行效果和平时的维护管理质量也难以得到保障，这种情况下就会使电力系统的安全可靠运行得不到保证。
通过上述分析可以看出，在电力系统的运行中，影响其安全运行的最重要的因素就是雷击问题，那么要对其实施有效的保护，就需要从防雷击入手。
直流输电中的过电压及其防护
摘要：
直流输电系统和其他电力系统一样，容易受到自然因素的影响而产生各种故障，这些故障的产生与存在严重影响着输电系统的功率，因此需要在线路运行中做好保护措施，保证直流输电系统的正常运行。
现阐述输电中的过电压及其防护。
关键词：直流输电，过电压，线路保护
一、高压直流输电系统简介
直流输电技术从20 世纪50 年代在电力系统中得到应用以来，在远距离大容量输电、海底电缆和地下电缆输电以及电力系统联网方面显示出了明显的优点，应用直流输电技术可以提高电力系统的经济指标、技术性能、运行可靠性和调度灵活性等。
特别是在20 世纪80 年代以后，大功率电力电子技术及微机控制技术的发展进一步促进了直流输电技术的应用和发展，目前世界上已有60 多项直流输电工程投入运行。
简单的说高压直流输电系统是由整流站、逆变站和直流线路三部分构成，从结构上看就是一个交流—直流—交流形式的电力电子整流电路。
高压直流输电技术也是电力电子技术应用于电力系统领域中最早，最成熟的技术。
直流输电系统工作时由交流系统送出的交流功率经由换流器送至整流器把交流功率变换为直流功率，再经由直流输电线路将直流功率传送到逆变站中，通过逆变器把直流转换成交流功率，输送到受电端即交流输电系统。
换流站是整流站和逆变站的统称，换流站内设有整流器或逆变器其功能是实现交流电力与直流电力之间的变换。
二、直流输电系统中的过电压
为了说明直流输电系统过电压保护与交流系统的不同之处，需要对直流输电系统内各种可能的过电压进行简单的介绍，由此说明配置各种避雷器的必要性。
为了方便，这里把直流系统按空间位置分成三个区域进行分析，即：换流站交流侧、换流站直流侧和直流线路。
1.来自换流站交流侧的过电压
（1）暂时过电压
暂时过电压是指持续时间为数个周波到数百个周波的过电压。
除直接作用在设备，尤其是避雷器上引起避雷器能量要求上升外，还作为其他故障存在的起始条件，将引起操作过电压上升。
在换流站交流母线上产生的暂时过电压主要有以下三种类型。
1）甩负荷过电压。
当换流站的无功负荷发生较大改变时，根据网络的强弱，将产生程度不同的电压变化。
2）变压器投入时引起的饱和过电压。
换流站内一般装设有大量的滤波器和容性无功补偿设备，与系统感性阻抗在低次谐波频率下可能发生谐振，在变压器投入时引起的励磁涌流在交流母线上产生较高的谐波电压，叠加到基波电压上，造成长时间的饱和过电压。
3）清除故障引起的饱和过电压。
在换流站交流母线附近发生单相或三相短路，使得交流母线电压降低到零。
在故障期间，换流变压器磁通将保持在故障前的水平；故障清除时，
交流母线电压恢复，电压相位与剩磁通的相位不匹配，将使得该相变压器发生偏磁性饱和。
这种饱和过电压成为确定换流站交流母线避雷器能量要求的基本工况之一。
（2）操作过电压
交流母线操作过电压是由于交流操作和故障引起的，具有较大幅值的操作过电压一般只维持半个周波。
除影响交流母线设备绝缘水平和交流测避雷器能量外，还可以通过换流变压器传导至换流阀侧，成为阀内故障的初始条件。
引起操作过电压的操作和故障有以下几类：1）线路合闸和重合闸。
当两端开路的线路在一侧投入到交流系统时，通常在线路末端产生较高的操作过电压，而线路首端的过电压水平相对较低。
2）投入和重新投入交流滤波器或并联电容器。
在投入滤波器时，因滤波电容器电压与交流母线电压相位不一致，将产生操作过电压。
3）对地故障。
当交流系统中发生单相短路时，由于零序阻抗的影响，会在健全相上感应出操作过电压。
对于直流换流站常用的中性点固定接地系统，这种操作过电压一般不太大。
4）清除故障。
清除故障也会引起操作过电压，但过电压倍数一般不大。
（3）雷电过电压
换流站交流母线产生雷电过电压的原因有交流线路侵入和换流站直击雷两种。
由于换流站一般进线较多，又有较多的交流滤波器等阻尼雷电波的设备，加之装有交流母线避雷器，因此雷电过电压的情况一般没有常规变电所严重。
另外，由于换流变压器的屏蔽作用，雷电波不能侵入换流阀侧，因此在通常情况下雷电过电压不作为换流站交流过电压研究和绝缘配合的重点。
2.来自换流站直流侧的过电压
（1）暂时过电压在换流站直流测产生暂时过电压的原因主要有以下两类。
1）交流侧暂时过电压。
当换流器运行时，因各种原因在换流站交流母线上产生的暂时过电压能够传导至直流侧，将导致阀避雷器通过较大的能量。
2）换流器故障。
换流器部分丢失脉冲、换相失败、完全丢失脉冲等故障，均能够引起交流基波电压侵入直流侧。
（2）操作过电压在换流器内部产生操作过电压的主要原因有以下两类。
1）交流侧操作过电压。
交流侧操作过电压可以通过换流变压器传导到换流器。
2）短路故障。
在换流器内部发生短路故障时，由于直流滤波电容器的放电和交流电流的涌入，通常会在换流器本身和直流中性点等设备上产生操作过电压。
（3）雷电过电压
（4）陡波过电压
以下两种原因会在换流器中产生陡波过电压。
1）对地短路。
当处于高电位的换流变压器阀侧出口到换流阀之间对地短路时，换流器杂散电容上的极电压将直接作用在闭锁的阀上，对阀产生陡波过电压。
2）部分换流器中换流阀全部导通或误投旁通对。
3.来自直流线路的过电压
（1）雷电过电压
直流线路上的雷击除在线路上产生雷电过电压外，还将沿线路传入直流开关场，直流开关场直击雷也将产生雷电过电压。
（2）操作过电压主要有以下两种：
1）在双极运行时，一极对地短路，将在健全极产生操作过电压。
这种操作过电压除影响直流线路塔头设计外，还影响两侧换流站直流开关场过电压保护和绝缘配合。
过电压的幅值除与线路参数相关外，还受两侧电路阻抗的影响。
2）对开路的线路不受控充电（也称全压启动、空载加压）。
当直流电路对端开路，而本
侧以最小触发角解锁时，将在开路端产生很高的过电压。
这种过电压不仅能加在直流线路上，而且也可能直接施加在对侧直流开关场和未导通的换流器上。
三、过电压的存在与保护
在直流输电系统中，由于受到自然界雷击、雨水等影响和工作人员操作失误出现故障等形成过电压，这些电压的存在影响着电力输送系统运行的同时还危及着电力系统的正常运行，甚至会产生安全事故，因此就需要在工作中及时合理的解决。
在目前的过电压保护中一般都按此用过电压保护器和保护间隙避雷器作为主要的保护措施。
主要在于间隙避雷器的使用中结构简单，价格低廉，坚固耐用，通流能力大等优势成为应用的主要措施，但是其在应用的过程中没有自动灭弧能力，而且放电电压不稳定。
因此在直流输送系统中有着完善的控制调节系统，在保护间隙之后能够自动降低电压。
直流避雷器的运行条件和原理与交流避雷器有着很大差异，其主要是交流避雷器可以利用直流自然过零的时机来切换许留，二至六避雷器没有电流过零点可以利用，因此灭弧困难。
碳化硅避雷器虽然比起火花间隙的保护特性有了很大的提高，但是由于其保护特性不理想，不能够有效的降低残压，即是通过配合电流下的残压与避雷器额定电压的比值高。
为了降低设备绝缘水平，必须降低避雷器额定值，因此为了保证避雷器本身安全必须串联间隙，因此仍然带来了不确定性。
结论
电力系统过电压是危害电力系统安全运行的主要因素之一。
直流输电系统也像其他所有电力系统一样，由于遭受雷击、操作、故障或其他原因而产生各种波形的过电压，因而需装设过电压保护装置，对过电压进行限制，才能达到保证直流输电系统所有设备在正常运行、故障期间以及故障后的安全。
参考文献
1，直流输电系统线路过电压的研究张志刚
2，直流输电系统故障分析与保护李焕锁民营科技2012 年第10 期
3，高压直流输电系统故障分析及其线路保护方案齐艳。
