云广特高压直流工程中的等效干扰电流ieq

云广特高压直流工程中的等效干扰电流ieq

0直流滤波器在实际工程中的应用在直线输送线系统中，交换装置通过交流器和直流部门之间的交流量引起声波。这些谐波流经直流侧设备会引起除滤波器外的其他设备附加发热,增加设备的额定值要求和运行费用;它们通过换流器转移到交流系统,可能会造成这些系统运行性能显著下降;如果直流线路是架空线路,还将对线路邻近通信系统产生危害。因此,一般具有架空线路的直流工程都要装设直流滤波器来专门降低流入直流线路和接地极引线中的谐波分量。本文首先介绍实际工程中所用的直流滤波器的形式并讨论其参数的选择方法;其次简要介绍用于评价直流滤波器的性能指标等效干扰电流Ieq以及用于计算Ieq的三脉动谐波模型。针对目前在研待建的云广特高压直流工程,利用Siemens公司的谐波分布计算程序HarmDistr进行计算,讨论分析各种因素对直流滤波器性能评价指标Ieq的影响,包括平波电抗器的大小及布置、换流站中等效杂散电容的存在及大小、换流器触发角/熄弧角的不对称、背景谐波、负序电压等。最后针对不同的直流系统运行工况、不同的直流滤波器的投切组合进行直流滤波器性能计算,比较Ieq的大小并进行分析讨论。1各种运行条件下谐波的比较直流侧滤波器的设计应保证在直流线路的各种运行条件下都能把谐波减小到可以接受的水平。直流滤波器通常作为并联滤波器连接在每一极母线与极中性线或地之间。1.1无源滤波器及同源滤波器直流滤波器的结构与高压直流换流站交流侧滤波器很相似,有多种形式。到目前为止,在已建的和在建的实际工程中常用的有带或不带高通特性的单调谐滤波器、双调谐滤波器及三调谐滤波器等无源滤波器以及有源滤波器。一个换流站中可以使用一种形式的滤波器,也可以使用多种形式的滤波器。尽管有源滤波器具有滤波性能好和占地小等优点,但近几年才投入商业运行,运行情况不甚理想,还需进一步积累经验。相比而言,无源滤波器应用更加广泛、运行经验也比较成熟。与三调谐直流滤波器相比,双调谐直流滤波器尽管少了一个调谐频率,但其结构简单,现场调谐方便,在多个直流工程中都有应用。1.2滤波器的选择原则尽管直流滤波器与交流侧滤波器有许多类似之处,但二者间仍有一些重要的区别,这直接关系到直流滤波器的设计。1)与交流滤波器不同,直流滤波器没有无功功率补偿问题,因此,它的电容器的额定参数(最大直流电压和电容值)不是根据总的无功功率来确定,而是按照线路电压、滤波要求和经济性来决定。2)直流滤波器的高压电容器耐受很高的直流电压。在正常情况下,高压电容器是直流滤波器中价格最贵的元件,因此,在设计直流滤波器时应尽量降低其成本。3)与交流滤波器并联连接的交流系统具有很大的阻抗范围。在特定的电网状态下,滤波电容和交流电网电感间会产生谐振,因此,即使是在准确调谐的交流滤波电路中也需要进行一定的阻尼。相反,直流回路的阻抗大部分是恒定的,因此允许使用准确调谐的滤波器。此外,在选择直流侧滤波器时,线路谐振可能引起的过电压必须充分加以研究。直流线路故障时线路上及其端部的过电压值、有无架空地线等,都将影响直流侧滤波器的选型。1.3滤波器参数的确定众所周知,在直流侧谐波电流中,特征谐波电流具有最大的幅值,为了得到较好的滤波效果,直流滤波器通常与这些谐波相匹配,如DT12/24,DT12/36,TT12/24/36等。有关双调谐直流滤波器参数的确定方法可以参阅很多相关文献,此处仅强调需特别注意之处。在参数确定时,一个重要参数是高压电容器的电容值,滤波器的滤波能力基本上与这一电容值的大小成正比;同时,对于额定电压相同的电容器,其成本也基本上与其电容值成正比,这一点在前文已提及。在确定了高压电容器的电容值后,即可求出直流滤波器的其他参数值。一般而言,其取值范围为1.0μF～2.0μF。三调谐直流滤波器参数的确定方法与上述类似,此处不再讨论。另外,在直流滤波器设计计算中还需考虑失谐因素和误差等方面的影响,如温度变化的影响、因电容器单元故障引起的失谐以及初始的失调影响等,这些失谐应与频率变化同时考虑。2等效干扰电流如果高压直流输电线路与明线电话线路邻近,那么直流线路上的谐波电流引起的交变磁场在电话线路中将感应出谐波电压,而电话线路中的谐波及相关的噪声会严重损坏电话通信系统的质量。因此,通常将直流线路对电话线路的干扰作为直流滤波电路设计的衡量标准,一般不直接用并行通信线路上的干扰电压水平作为直流滤波器设计的评价标准,而采用表示直流系统内残留谐波水平的等效干扰电流Ieq作为设计标准。关于等效干扰电流的详细介绍,可参阅文献。需特别注意,依照噪声曲线,对Ieq影响最大的是频率在1kHz附近的残留电流。然而根据耦合系数Hf值,谐波次数越高,对Ieq的影响就越大。所以尽管较高次谐波电流的幅值相对来说很小,但是应特别注意它们对Ieq的影响,在直流滤波器选型时需给予考虑。3动脉接枝网计算由前可知,为了计算Ieq的大小,需确定直流输电系统直流侧的各次谐波,为此,需建立正确的换流站和输电线路等计算模型。对于12脉动换流器,以往采用12脉动直流侧谐波模型来计算直流侧谐波,由于该模型没有考虑换流变压器对地杂散电容等因素的影响,使得计算结果与实际测量结果偏差很大,因此提出了三脉动谐波模型,如图1所示。由于考虑了换流变压器对地杂散电容对直流侧谐波电流分布的影响,该模型在直流输电工程设计中被广泛使用、接受。在三脉动直流谐波模型中,每个三脉动桥由1个三脉动电压源和1个等效的内阻抗组成。每个12脉动换流器可以表示为4个三脉动桥串联而成。等效的内部阻抗为换流变压器的等效相阻抗。换流站的杂散阻抗主要是换流变压器、套管等设备的对地杂散电容,由2个与地相连的集中电容来表示,位置在2个三脉动对应之间,如图1中的Ce1和Ce2。这些电容器在设计阶段只能近似估计其值的大小,该值的大小对等效干扰电流的计算结果有较大的影响,在下文将通过计算来对此加以比较说明。在三脉动模型中,每极增加一个安装在中性线母线处的中性点电容Cn以便为流过换流变压器杂散电容的谐波电流提供就近返回中性点的低阻抗通道,将接地极线路的等效干扰电流限制在给定的范围以下。一般采用10多μF或数十μF的电容值。对于三脉动模型中的4个三脉动电压源,为了能够考虑各种不对称,可以采用分段线性分析这种更精确的方法来计算每个阀换相期间电压、电流的瞬时值。而12脉动电压实际上就是这4个三脉动桥的电压的叠加。每个三脉动源的电压波形在时域中分段表示,然后计算结果通过傅里叶级数来分析计算。对于每种不对称组合,采用这种方法后,交流电压的所有谐波畸变、触发角和变压器电抗等的不对称性都能够得到很全面的考虑。本文利用Siemens公司的谐波分布计算程序HarmDistr进行直流侧谐波及Ieq的计算,上述内容均在该程序中得以考虑。4直流滤波器的滤波性能下面针对目前在研待建的云广特高压直流输电工程,利用Siemens公司的谐波分布计算程序HarmDistr进行计算,来分析直流滤波器性能评价指标——等效干扰电流的主要影响因素;然后,以一组直流滤波器为例,计算不同的直流系统运行工况以及不同直流滤波器的投切组合下直流滤波器的滤波性能,比较Ieq的大小并进行分析讨论。云广直流输电线路是世界上第一条±800kV特高压直流输电线路,输送功率为5000MW,输送距离为1438km,采用每极双12脉动换流器(即双阀组,一个12脉动换流器称为单阀组)串联连接的接线结构。在该工程中,基于过电压和绝缘配合等方面的考虑,平波电抗器不同于以往高压直流输电工程中将其仅装设在极母线的布置方式,分别装设在极母线和中性线母线上。4.1直流平波电抗器参数为了能够更加真实地反映直流侧谐波的大小,采用三脉动谐波模型进行计算。在该模型中,考虑了换流站等效对地杂散电容的存在,该电容主要考虑了换流变压器、穿墙套管等设备的对地杂散电容,其大小对Ieq具有很大的影响,计算结果比较列于表1。由表1可以看出,相同条件下,较大的杂散电容值对应着较大的Ieq。在工程前期阶段,很难确定其较准确的数值。通常在典型的高压设计中,变压器绕组对地分布杂散电容值约每个绕组总共有几nF,每个套管对地杂散电容约为500pF。对于不同的直流输电工程、不同的换流变压器等设备,如何确定该杂散电容值的大小还需进一步研究。直流平波电抗器的大小,是根据直流线路上发生故障或逆变器突然颠覆时限制电流上升率以及保证在小电流下能正常运行的要求而设计的,它同时也组成换流器直流侧滤波装置的一部分,具有滤波作用。因此,平波电抗器电感量的大小对Ieq的数值有一定的影响,在相同条件下,当其值较大时,滤波作用强,对应的Ieq相对来说就小些。本文分别取250mH,300mH及350mH进行计算来予以说明,计算结果如表1所示。平波电抗器除了其电感影响Ieq的大小,其布置方式也对Ieq有影响。平波电抗器根据工程的具体需求,可以装设在极母线上,也可以分别布置在极母线和中性线母线上。在相同条件下,后者对应的Ieq数值偏大,见表1中所示结果,这主要是因为将平波电抗器布置在中性母线上使得原来用于消除3的奇数倍频次谐波电流的中性母线电容回路阻抗加大,滤波效果减弱。此外,长距离输电线路的各种参数包括线路长度、导线分裂数、线路电阻、分裂导线截面面积、导线导电率、导线水平距离、塔的高度、导线弧垂、漏损率、避雷线分裂数、避雷线电阻、避雷线截面面积、避雷线导电率、避雷线水平距离、塔的高度、避雷线弧垂、线路沿线的土壤导电率等,都将影响Ieq的大小。但是,在直流输电工程系统设计研究阶段,对于其中不能确定的数值通常根据工程经验来估算它们的大小,以进行Ieq的计算。上述提及的参数在进行直流滤波器性能计算之前均需确定。此外,交流系统参数和换流器控制参数等的不对称对Ieq的大小亦有很大的影响,对此将在下文加以详述。4.2直流滤波器的选择一台直流滤波器在不同运行方式下的性能与设计滤波器时所采用的准则有很大关系。目前,国内外对高压直流线路的谐波指标和直流滤波器滤波性能要求没有统一规定,各高压直流输电工程的谐波指标也各不相同。谐波标准的确定是一个综合优化的结果,主要根据沿线通信线路自身的抗干扰能力所要求的谐波指标和滤波器在技术经济合理时设计能达到的谐波指标协调一致所决定的。如果部分通信线路对谐波干扰要求较严,而提高谐波标准后滤波器在经济上又不合理时,可以考虑通过对沿线通信线路局部处理的办法来解决。总之,选择适当的直流滤波器性能指标要求,以便既能使谐波对通信线路的干扰限制在可以接受的范围,又不会导致投资增加太多,力求在技术和经济上均比较容易实现。在本文的工作中,以这样一组直流滤波器性能指标要求为例来说明直流滤波器的性能计算:直流滤波器全部投入、双极双阀组运行时Ieq≤1A,单极双阀组运行及双极单阀组运行时Ieq≤2A。在直流滤波器性能指标要求确定后,对于某一组直流滤波器,如果计算得出的性能指标不能满足要求,那么就需重新设计一组直流滤波器,直至满足给定的性能指标要求为止。4.3直流滤波器的运行对于直流滤波器性能的计算,采用谐波电压的最严重组合。所谓最严重组合,是指考虑某一直流负荷下的各种不对称和误差在内而确定的最大谐波电压。为了得到谐波含量的最大分布,在计算中考虑了如下因素:交流电压的变化、频率变化、负序电压、背景谐波、触发角的不对称、换相电抗的不对称、测量误差、变压器变比的不对称、直流电流纹波等。利用程序HarmDistr进行计算时,对所有可能的稳态工况进行扫描,以得到可能的最严重组合,从而计算出每种运行方式下的最高等效干扰电流。在本文的计算中,考虑到尽管48次特征谐波幅值相对来说较小,但是其对Ieq的影响不能忽略,因此在直流滤波器选型时,为两端换流站均配置2组双调谐直流滤波器DT12/24和DT36/48。考虑的运行接线方式包括:双极对称运行、单极大地返回运行、单极金属返回运行、双极运行中一极或双极均降压等。考虑直流滤波器的状态有:所有的滤波器均投入运行;任一组或多组滤波器支路退出运行。三脉动模型中对应的等效杂散电容,对于Y,y接线的变压器取16nF;对于Y,d接线的变压器取20nF。针对上述运行工况,进行了详细的直流滤波器的性能计算。表2所示为额定直流电压、不同接线方式下直流滤波器全部投入对应的直流线路最大等效干扰电流。表3给出了双极双阀组正常运行时由于故障或检修任一条或2条滤波支路退出时计算得到的最大等效干扰电流的部分结果。从计算结果中可以看出,当直流滤波器全部投入时,Ieq均小于性能指标要求,如果得到的Ieq超出性能要求,需重新设计直流滤波器。另外,对于双极运行下任一直流滤波器退出或任一极的2组直流滤波器同时退出时,相对而言Ieq非常大,这主要是因为双极间直流滤波器在数目和型号上不对称,产生较大的接地电流而使得Ieq较大。双极均降压到最小值时得到的性能计算值为559mA,与正常电压下的数值接近。这是因为在降压运行期间,触发角将增加,但是阀侧电压会下降,所以谐波电压的幅值与正常直流电压运行时接近,因此,等效干扰电流值与正常运行时亦接近。另外,对于其他运行工况,如一极运行在额定电压而另一极降压的不对称运行工况及不同滤波器投切组合也分别进行了计算,在此不再赘述。5直流滤波器设计注意事项本文通过计算、分析,得出如下主要结论:1)在实际工程中,究竟选择何种形式的直流滤波