DL电力标准-DLT 605-1996 高压直流换流站绝缘配合导则.pdf
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1、 中华人民共和国电力行业标准中华人民共和国电力行业标准 高压直流换流站绝缘配合导则高压直流换流站绝缘配合导则 DL/T6051996 Guide for insulation coordination of HVDC convertor stations 中华人民共和国电力工业部中华人民共和国电力工业部 1996-12-18 批准批准 1997-05-01 实施实施 前前 言言 本导则是根据国际大电网会议(CIGRE)33.05 工作组 1984 年 9 月提出的高压直流换流 站绝缘配合和避雷器保护使用导则编写的在技术内容上与该导则等效 由于将国际导则转化为本国标准时应符合 GB/T1.119
2、93 的规定故增加了 1 章即 第 2 章引用标准将 CIGRE 导则的第 2 章绪论和第 3 章确定过电压和避雷器强度的方法和 手段合并为第 3 章通则 其后各章与 CIGRE 导则的编号相同 即国际导则的第 49 章为本 导则的第 49 章根据我国实际情况和 CIGRE33/14.05 工作组 1987 年发布的HVDC 换 流站无间隙金属氧化物避雷器使用导则在第 3 章和 9.2 节中对条文作了适当修改和简化 其他条文及内容基本不变或稍有改变 CIGRE 导则在条文中提到了一些国际标准这些标准有的已转化为国家标准或国内已 有类似的标准也有的还没有转化为国家标准本导则第 2 章只列出了引用
3、的国内标准对 于所涉及的国际标准则列入附录 A 本导则的附录 A 为提示的附录 本导则由中国电力企业联合会标准化部提出 本导则由电力工业部高压直流输电标准化技术委员会归口 本导则起草单位电力工业部电力科学研究院 本导则主要起草人李同生刘长张大琨 1 主题内容和适用范围 本导则对高压直流换流站过电压保护与绝缘配合作了规定它适用于与架空线路(电缆 线路) 相连接的单极或双极的换流站每个极有一个或两个 12 脉动换流器组亦适用于其 它形式的换流站如高压直流耦合站(背靠背换流站)或只含有一个 6 脉动换流器的换流站 本导则主要用于由无间隙氧化锌避雷器保护的空气绝缘的换流站 其基本原则也可用于 气体绝缘
4、的换流站或由其它型式避雷器保护的换流站 本导则给出了用于确定换流站过电压和避雷器强度的方法和手段 列出了换流站主要的 过电压形式及起因 以及交流侧和直流侧避雷器的强度 给出了确定过电压和避雷器强度的 基本原则 本导则给出了重要设备的绝缘要求以及有关的参考试验 2 引用标准 下列标准包含的条文通过在本导则中引用而构成为本导则的条文本导则出版时所 示版本均为有效 所有标准都会被修订 使用本导则的各方应探讨使用下列标准最新版本的 可能性 GB311.1311.683 高压输变电设备的绝缘配合高电压试验技术 GB735487 局部放电测量 SDJ779 电力设备过电压保护设计技术规程 SD11984
5、500kV 电网过电压保护绝缘配合与电气设备接地暂行标准 3 通则 3.1 高压直流换流站绝缘配合的特点 高压直流换流站绝缘配合的特点如下所述 a)直流换流站绝缘配合的一般方法与交流系统绝缘配合的方法相同 采用惯用法进行绝 缘配合其中应考虑系统和换流站的特性各种设备绝缘的特性可能出现的过电压及采 用的过电压保护装置(避雷器)的特性避雷器的保护特性实际上是绝缘配合的基础 b)直流换流站的绝缘配合与交流系统中的绝缘配合的区别 首先在于要考虑串联阀组的 要求 包括在非地电位的端子之间装设避雷器 其次是换流站的不同部位使用不同的绝缘水 平且可以采用非标准值另外换流回路不直接遭受大气过电压的作用 c)阀
6、的特性包括阀点火时刻的控制以及交流侧和直流侧装设的滤波器及阻尼回路 这些对于确定过电压水平都是重要的因素 d)过电压包括交流侧和直流侧的过电压 1)交流侧过电压起源于雷电系统操作故障和甩负荷等在估算过电压时应考虑交 流电网的动态特性 电网的阻抗 暂态主频率时的电网阻尼 换流变压器特性 静止补偿器 调相机以及滤波器特性等当交流开关站母线很长时还须考虑母线长度的影响 2)直流侧的过电压可以来自交流系统 直流线路或站内的闪络以及直流系统的其它操作 和故障在预测过电压时必须考虑交流和直流系统的特性阀和控制回路的特性以及一些 最不利情况的组合 避雷器的伏安特性及性能必须反复确定 因为避雷器的能量吸收要求
7、决 定了避雷器的尺寸和特性 而其特性进而又影响过电压水平和避雷器的电流水平 特别是对 于氧化锌避雷器电压波形包括直流和交流过冲分量是很重要的 3.2 过电压保护系统 3.2.1 过电压保护的基本接线 换流站过电压应采用无间隙氧化锌避雷器保护 避雷器的布置与换流站和直流线路的接 线方式有关对于一个有双极架空线路出线每极有 2 个 12 脉动换流器串联的换流站避 雷器的典型布置接线如图 1 所示设计时通过技术经济比较某些避雷器可以省掉如直流 电抗器避雷器直流母线避雷器等对于每极只有 1 个 12 脉动或 6 脉动的换流器以及背靠 背换流站 也可以使用与以上相似的过电压保护方案 A换流变压器电网侧避
8、雷器A交流母线避雷器B阀避雷器 C换流单元避雷器C中点直流母线避雷器D直流线路避雷器 D直流母线避雷器E中性母线避雷器F直流滤波器避雷器 G交流滤波器避雷器H直流电抗器避雷器I交流电抗器避雷器 图 1 具有 2 个串联的 12 脉动换流器的 HVDC 换流站一个极可能的避雷器配置 3.2.2 选择避雷器保护方案的基本原则 a)在交流侧产生的过电压应尽可能用交流侧的避雷器加以限制 b)在直流侧产生的过电压应由直流线路避雷器直流母线避雷器和中性母线避雷器等 加以限制 c)关键的部件应由与该部件紧密相连的避雷器保护 如阀 交流和直流滤波器的部件等 应分别由各自的避雷器保护 d)换流变压器阀侧绕组的保
9、护一般由保护其它设备的几种避雷器串联来实现 e)为满足通流能力和限制过电压的要求某些避雷器可采用多柱并联结构也可采用多 支避雷器并联分散布置的接线如中性母线避雷器等 3.3 避雷器特性 3.3.1 避雷器的型式 换流站应采用无间隙氧化锌避雷器 某些设备可以采用多柱阀片并联的避雷器或多支避 雷器并联保护 3.3.2 避雷器的特征参数 在制订避雷器保护方案时应确定避雷器下列主要参数 a)额定电压避雷器两端子间允许的最大直流电压或工频电压有效值其值由动作负载 试验确定 由于换流站各避雷器承受的电压和通过的电流波形以及能量不同 动作负载试验 项目的标准应针对具体使用情况进行调整 b)持续运行电压 对于
10、交流避雷器系指允许持续加在避雷器的两端子间的工频电压的有 效值对于直流避雷器考虑到直流分量谐波和可能出现的换相过冲持续运行电压采用 如下三个定义 持续尖峰运行电压(PCOV)对于承受换相过冲电压的避雷器其 PCOV 是包括换 相过冲的最高持续电压峰值 持续运行电压峰值(CCOV)对于承受或不承受换相过冲的避雷器其 CCOV 值是 不包括换相过冲的最高持续电压峰值 等值持续运行电压(ECOV)用单一的电压波形(工频直流或两者的组合)代替实 际的电压波形使避雷器氧化锌阀片损耗等于或大于实际运行电压产生的损耗 c)避雷器的保护水平无间隙氧化锌避雷器对于陡波前(1000kV/s)雷电冲击(1.2/50
11、 s)和操作冲击(250/2500s)的保护水平用规定波形和幅值的冲击电流下的残压表示 确定雷电操作和陡波残压的冲击电流波形分别为8/20s波前时间大于 30s 和 波前时间约 1s 确定避雷器保护水平的配合电流幅值 对于不同电流波形和避雷器安装位置采用不同的 值初设时对于防护雷电冲击的交流母线和直流线路避雷器宜取较大的配合电流(例如 10kA) 对于多数避雷器和电流波形可使用 1kA 的配合电流在工程设计过程中应对换 流站过电压进行详细全面的研究以确定可能作用在不同避雷器上的最大冲击电流 3.4 确定过电压和避雷器强度的方法和手段 为了确定换流站过电压和进行绝缘配合研究 通常使用物理模拟和数
12、字计算的方法 常 用的手段有暂态网络分析仪高压直流模拟装置和计算机计算程序 3.4.1 暂态网络分析仪(TNA) 暂态网络分析仪是用作纯交流系统过电压研究的物理模拟它由系统电源变压器 断路器线路电抗器和避雷器等的模型元件组成 在 HVDC 系统中暂态网络分析仪主要用于换流阀处于闭锁状态下的交流侧过电压研 究如交流故障发生和切除甩负荷等引起的暂时过电压投入或切除空载线路交流滤波 器组电容器组变压器等的操作过电压换流变饱和与滤波器产生的谐振过电压等 3.4.2 高压直流模拟装置 高压直流模拟装置是物理模拟它由交流系统换流变压器换流阀及其控制系统线 路开关避雷器滤波器直流电抗器等的模型元件组成 高压
13、直流模拟主要用于研究高压直流系统的运行特性及其控制系统的特性 也可用于部 分过电压研究如交流故障换相失败甩负荷等过电压的研究 3.4.3 计算机计算程序 主要采用电磁暂态计算程序EMTPEMTDC这是国际上通用的适合于交直流 系统各种过电压计算的程序它具有复杂系统的数学模型及交直流系统主要设备(包括阀 及其控制系统线性和非线性元件)的数学模型可以较精确地给出换流站各点在不同故障 和操作方式下的过电压和避雷器的电流及能量 也可用于换流站雷电过电压的计算分析 但 由于该程序中缺乏线路电晕特性的数字模型对于雷电进行波的计算会有一些误差此外 也可采用其它专用的计算程序 4 交流侧操作过电压暂时过电压和
14、避雷器强度 4.1 概述 换流站交流侧发生的操作过电压和暂时过电压决定了交流侧的过电压保护和绝缘水平 交流侧的相间过电压能通过换流变压器传递到阀侧影响阀的绝缘配合 操作过电压和暂时过电压是由交流网络故障和操作引起的 操作过电压最大幅值仅持续 半个周波其后迅速衰减暂时过电压持续几个周波到几百个周波是工频电压升高和饱和 引起的谐波电压叠加的结果 4.2 操作过电压 换流站交流母线上的操作过电压起因如下 4.2.1 线路合闸和重合闸 当交流线路合闸和重合闸(故障后单相或三相重合闸)时在线路的开路端会产生高的过 电压线路首端过电压较低因此换流站交流母线上的过电压较低一般不超过 1.8 倍 过电压的幅值
15、与电网结构参数断路器特性等有关对于实际工程应根据具体情况并考 虑可能出现的不利因素进行研究 图 2 在 t0时刻合交流滤波器时的交流母线过电压波形 4.2.2 交流滤波器和电容器组的合闸和重合闸 接在换流站交流母线上的滤波器和电容器组的合闸和重合闸将产生过电压 典型波形如 图 2 所示 电容器上的残余电压将使重合闸时的过电压增高 电磁式电压互感器可泄放电容 器上的残余电荷电容器上无残压时合闸过电压将小于 1.8 倍 系统容量较小时 系统参数与滤波器或电容器组参数可能满足谐振条件 对此应仔细研 究 在运行中予以避免 4.2.3 故障开始时产生的过电压 交流电网发生故障时由于零序网络的影响健全相上
16、将产生过电压与换流站连接的 交流系统通常为中性点直接接地系统这种系统内暂态过电压(相对地)一般低于 1.4 倍持 续过电压低于 1.2 倍 4.2.4 故障切除时产生的过电压 在交流电网中切除故障时产生的过电压一般小于 1.6 倍在低阻尼的电网中当切除靠 近换流站母线的故障时由于换流变压器的饱和可能引起更高幅值的过电压 4.2.5 相间过电压 交流侧相间过电压通过换流变压器传递到阀侧 对阀侧绝缘强度有很大影响 对于高压 及超高压系统避雷器不动作时最大相间过电压约为相对地过电压的 1.5 倍避雷器动作 时 相间过电压理论上可达到避雷器保护水平的 2 倍 4.3 暂时过电压 4.3.1 甩负荷引起
17、的过电压 由于交流侧开断线路或直流侧阀闭锁引起的甩负荷或大的功率变化将引起暂时过电 压过电压的大小取决于电网条件无功功率的变化和短路容量两者之间的关系以及系统 的短路容量等 图 3 为阀闭锁甩负荷时交流母线过电压的典型波形 由于甩负荷过电压直接 影响阀的绝缘配合在过电压计算时应予考虑 图 3 在 t0时刻闭锁 HVDC 输电引起的交流母线过电压波形 甩负荷引起的工频过电压应限制在 1.31.4 倍以下持续时间限制在 1s 以内 限制甩负荷过电压的措施有静止无功补偿器调相机改变电网结构(如快速切除电 容器组和滤波器等)以及利用阀的控制系统等 甩负荷时的暂时过电压能使变压器饱和 在不利的电网条件下
18、 可能产生谐振使过电压 增大如当逆变站交流侧甩掉全部负荷而交流母线仍保留有滤波器和电容器组时产生的 过电压可达 1.8 倍以上对于这类情况应压缩保护动作时间如缩短甩负荷后阀闭锁和切 除滤波器和电容器组的时间 4.3.2 投换流变压器时的饱和过电压 变压器涌流中含有多个谐波分量 如果在低阻尼的网络中满足这些谐波中的一个或几个 谐波的谐振条件 就会在电网中产生高的谐振过电压 这种由饱和引起的过电压能够维持数 秒钟典型波形如图 4 所示 图 4 合换流变压器时在电网和 TNA 上测到的交流母线电压波形 (a)在 TNA 上合闸 (左) 和合闸 40ms 之后 (右) 的波形(b)在电网中的波形 换流
19、站交流滤波器和电容器组的存在使得在投换流变压器时容易达到 24 次谐波谐 振的条件 在不利的电网条件下 这种型式的过电压可达到 1.61.8 倍 因为这些过电压持续时间 长会使避雷器吸收的能量达到很大的值所以对这种情况进行计算是很重要的 限制这种过电压的措施应首先考虑在操作顺序上采取先投换流变压器 后投滤波器和电 容器组的办法以避免谐振条件如采用此办法仍不能避免谐振条件可采用带高值并联电 阻的断路器来投换流变压器并联电阻值宜通过研究决定 图 5 变压器激磁后的交流母线电压(u) 变压器电流(iT)避雷器电流(iA) 和避雷器能量(e) 4.3.3 故障切除时的饱和过电压 在换流站交流母线上或靠
20、近母线处发生单相或多相接地故障时 变压器中含有残磁 残 磁的大小取决于故障的时刻当故障切除后电压恢复时变压器可能饱和像投变压器时 一样电网中满足谐振条件的谐波电流将产生过电压在电网接线条件不利的情况下这些 过电压可能达到 2.0 倍及以上它的衰减比合变压器时快 这类过电压只有改变电网接线才能消除因此应仔细研究在换流站绝缘配合中对限 制这种过电压的避雷器必须选择适当的参数 为了避免或降低饱和过电压 还应考虑换流器的运行方式 如在系统故障期间维持直流 电流或在故障切除后阀立即解锁的控制方式等都是十分必要的 4.4 电网结构 电网结构是影响交流侧过电压幅值和持续时间的重要因素 换流站接到最小短路比大
21、于 3 的强电网时 计入滤波器和电容器组的影响 谐振频率比 3 次谐波高得多预期的暂时过电压和操作过电压一般是不危险的 对于弱交流电网甩负荷过电压增大计入滤波器和电容器组的影响时谐振频率可能 在 23 次范围内在这种情况下包括饱和在内的暂时过电压将成为避雷器保护设计的决 定性因素在具有低阻尼的电网中对实际的电网结构应作详细的研究 当换流站出线较少时换流站可能暂时被孤立出来此时由于它受电容器组或滤波器 和仍连在一起的旋转电机的相互影响可能产生高的过电压对此应予专门研究 4.5 避雷器强度 4.5.1 换流变压器的避雷器 换流站交流侧的绝缘由换流变压器的避雷器 母线和线路避雷器来保护 这些避雷器按
22、 照交流系统过电压保护规程和避雷器标准来设计(即考虑电网的接地系数和暂时过电压系 数) 避雷器的通流能力应按换流站交流母线可能出现高幅值和长时间的饱和过电压的方式 进行设计 图 5 为投换流变压器引起饱和过电压时通过氧化锌避雷器的电流和能量的计算结 果其能量达到很高的值 4.5.2 跨接在交流滤波器电抗器上的避雷器 跨接在交流滤波器电抗器上的避雷器 正常运行时只承受很低的工频和谐波电压 只在 暂态时承受过电压 当交流母线和靠近母线处发生短路故障时 交流滤波器的电容器组以很 大的放电电流通过避雷器放电避雷器的能量由这种情况决定 5 直流侧操作过电压暂时过电压和避雷器强度 直流侧过电压起因于交流侧
23、 直流侧和换流阀桥 产生过电压的各种事件和承受最大过 电压的设备汇总于表 1 表 1 产生过电压的事件和承受最大过电压的设备汇总表 产生过电压的事件 承受最大过电压的设备 极对地故障 a.中性母线设备 b.故障极的直流滤波器电抗器 c.非故障极的设备 直流侧操作 a.中性母线设备 b.直流滤波器电抗器 由于换流器控制或阀开通失败引起直流侧叠加 交流电压 a.中性母线设备 b.极线设备 末端开路的直流线路充电 极线设备 一个逆变器的控制脉冲全部丢失 a.极线设备(在电流中断前) b.阀(在一个换相组的电流中断之后) 换流器桥中接地故障 a.阀 b.中性母线设备 换流器单元端子间短路 在换流器串联
24、连接时 其余的换流 器 5.1 由交流侧产生的过电压 由交流侧故障和操作产生的交流母线上的操作过电压和暂时过电压 通过换流变压器按 变比传递到阀侧作用在运行阀桥的阀和阀避雷器上并且通过阀的串联联接在阀侧产生 对地附加过电压 对地附加过电压仅在换流器运行时才产生阀避雷器能有效地限制此过电压 5.2 由直流侧产生的过电压 5.2.1 极对地故障 在站内直流电抗器外侧或在直流线路上发生极对地故障时 在故障极和健全极上都将引 起过电压 在故障极主要是中性母线和直流滤波器电抗器受到过电压作用在直流开关站内故障 时最高过电压通常出现在整流站 双极直流线路中一极故障时 在健全极上将产生感应过电压 这种过电压
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