800kv特高压直流线路等效干扰电流ieq与500kv直流的对比分析

800kv特高压直流线路等效干扰电流ieq与500kv直流的对比分析

0谐波对上下通信线路的干扰在直流输电系统中，交换器执行交流器和直流的相互转换。同时，产生的每种性能的波形都被注入直流线路，它们干扰着相邻通信线路的通信干扰。±800kV特高压直流输电工程中直流滤波标准尚无明确规定,研究并确定相应的滤波标准,有利于直流滤波器和平波电抗器的设备选择,提高设计水平,降低工程造价,具有积极的意义。1阀组理想静态电压的测量换流阀运行过程中对直流侧相当于谐波电压源,然后在直流回路中形成直流电流。换流阀发出的谐波分为特征谐波和非特征谐波。单个12脉动阀组所产生的谐波用3脉动谐波电压源来表示,即每个12脉动阀组由4组3脉动谐波电压源U3p(t)按时序叠加,其公式为:U3p(t)=Udio((cosα+cosδ)+∑k=1∞((−1)k⋅(a3kcos3kωt+b3ksin3kωt)))/4‚U3p(t)=Udio((cosα+cosδ)+∑k=1∞((-1)k⋅(a3kcos3kωt+b3ksin3kωt)))/4‚式中,δ=α+μ,a3k=(cos(α(1+3k))+cos(δ(1+3k)))/(1+3k)+(cos(α(1-3k))+cos(δ(1-3k)))/(1-3k),b3k=(sin(α(1+3k))+sin(δ(1+3k)))/(1+3k)-(sin(α(1-3k))+sin(δ(1-3k)))/(1-3k),Udio=(Ud/n+UT+(dx+dr)IdUdioN/IdN)/cosα,其中α为触发角,μ为阀组换相重叠角,Ud为直流电压,Id为直流电流,UT为阀组正向导通压降,dx、dr分别为阀组相对感性、阻性压降,IdN为额定直流电压,Udio为阀组理想空载电压,UdioN为额定工况下的阀组理想空载电压。1.1特征谐波电压vd换流站设备参数完全平衡和交流系统电压完全对称的条件下,换流器在直流侧只可能产生特征谐波电压,±500kV直流工程采用每极一个12脉动阀组接线,除12倍次谐波外,其他次谐波都相互抵消,故在直流侧产生特征谐波电压次数为:n=12k(k=1,2,…)。特征谐波电压幅值和相位主要取决于:交流系统电压、Ud、Id、换流变压器的短路阻抗、换流器α和熄弧角及其他影响因素(如dr,UT)等。理想状态下单个400kV的12脉动阀组均产生12倍次特征谐波,两400kV(叠加成800kV)的12脉动阀组也只产生同样次特征谐波。故工程计算中是将±800kV阀组直流侧的特征谐波电压按照±400kV阀组特征谐波电压的两倍考虑。1.2电压随机性因交流系统和换流站各设备参数的不对称,使换流器在直流侧产生各次频率的非特征谐波电压。同时直流侧谐波电流、换流变网侧绕组的直流电流对换流器也产生谐波电压。产生非特征谐波电流因素是:相间换流变短路阻抗偏差;6脉冲桥间换流变短路阻抗偏差、理想空载电压偏差;阀间触发角不平衡;交流系统电压不平衡(负序);交流系统背景谐波;换流变直流偏磁。非特征谐波电压的大小和相位取决于以上各偏差的大小及其组合情况,谐波和各偏差的分布间的关系是随机的。因换流变等设备存在杂散电容,导致换流器在直流侧产生3倍次谐波电压。工程实际计算时通常先计算单组12脉动阀组的非特征谐波,然后按2倍叠加的方法求出双12脉动阀组±800kV直流工程的非特征谐波。工程中上下阀组的许多非特征谐波相互抵消,但在工程设计阶段的计算过程中不过多考虑参数及偏差组合,而按最严重组合考虑,以保证最严重工况下的性能指标能满足工程要求。故将±800kV直流工程的非特征谐波按2倍于±400kV直流工程的非特征谐波考虑是符合工程按最严重组合考虑设计原则的,同时为工程实际运行留下更多裕度。1.3共同作用的叠加按以上分析方法可计算出直流谐波电压源的幅值和相位,该谐波电压作用在直流回路上产生谐波电流。谐波电流实际是整流侧和逆变侧谐波电压源共同作用叠加的结果。典型的±500kV直流输电工程(每极单12脉动阀组)谐波电压及电流计算等效电路图见图1。其中U1～U4为3脉动谐波电压源,Ce1、Ce2为换流变杂散电容,L为换流变相电抗,Ld为平波电抗器,Cn为直流中性母线冲击电容,DCF为直流滤波器。±800kV直流输电工程每极为双12脉动阀组串联,可运用类似方法,将双12脉动阀组的谐波电压模拟为两组3脉动谐波电压的叠加。2直流等效干扰电流常规±500kV直流输电工程中直流滤波器设计通常采用3种设计判据:①高压直流母线上最大电话干扰系数(TIF)或电话谐波波形系数(THFF);②离高压直流线路1km的平行试验线路上,以mV/km为单位的最大感应噪声强度,纵电动势Vm;③直流等效干扰电流Ieq,即将直流线路的各次谐波电流分量按加权系数归算到800Hz频率下并取平方和的平方根后折算成单一频率的等效电流。其中以Ieq使用最广泛。目前国内±500kV直流工程中直流滤波器的设计性能指标均采用Ieq表示,双极运行方式下Ieq≯500mA,单极运行方式下Ieq≯1000mA。采用Ieq作为判据,不必对直流线路周围的通信线路分布情况、两线之间的耦合程度、大地导电率等多种因素做详细调查,就可根据Ieq制定直流滤波器的基本方案。这对简化直流滤波器设计流程,尤其在工程前期,各线路、通信参数不全的情况下十分有利。±800kV特高压直流工程仍按Ieq作为判断依据进行初步计算。3直流工程中干气流组织的特征分析经初步计算,±800kV特高压直流工程的直流线路Ieq与±500kV的特点不同。以双极全压满负荷运行且所有直流滤波器(TT12/24/36×2)都投入工况为例,±500kV直流工程中,直流线路总长度1150km,每级平抗300mH,其Ieq、谐波电流Ih曲线见图2(a)、(b);±800kV直流工程中,线路总长度为2071km,每级平抗320mH,其Ieq、Ih曲线图见图3(a)、(b)。其中l为直流线路长度。图中Rev、Inv分别为作用在直流线路上的由整流侧阀、逆变侧阀组产生的Ieq;Add为二者叠加后总Ieq。图2、3的(b)中曲线为直流线路上Ih幅值最大的10组谐波,其中±500kV和±800kV直流线路上最大的两组谐波分别为14、21次和39、15次。尽管具体的谐波次数和幅值随各工程情况而异,但总体趋势一致。由图2、3可知,±500kV直流工程的Ieq起伏波动,且双极运行工况下全线路上Ieq都不太高,故最大等效干扰电流方法适合±500kV直流工程。±800kV直流工程中,两端离换流站很近区域的Ieq很高,但该区域附近可能没有会受到干扰的通信线路,真正可能影响通信线路的多发生在直流线路中部与通信线路临近的部位,而对应的Ieq往往并不高。故对±800kV直流工程直流滤波器的设计,不宜以整个直流线路上的最大Ieq作为考核指标,而应以不影响通信质量为前提,更多注意与通信线路临近点的Ieq。4直流电线路回路+做好直流线路的使用工作直流谐波滤波标准主要是根据直流线路沿线通信线路自身的抗干扰能力所要求的谐波指标和直流滤波器、平波电抗器等设备在技术经济上合理时能设计达到的谐波指标协调一致决定。通常采用的直流线路Ieq只是中间指标。一般,音频通道的工作频率范围为300～3400Hz,直流线路上的许多谐波,特别是12、24、36、48次这几次特征谐波都在该段内。故直流滤波器的配置应以滤除直流侧1～50次谐波,特别是滤除特征谐波为主。直流线路对周围通信线路的影响及干扰程度与直流线路及通信线路的不平衡程度、两线之间的耦合程度、大地导电率等多种因素相关。如果单纯地将Ieq限制在一个低的范围内,可能在直流滤波器设备上多用许多投资,却不一定效果明显。按照电力行标的规定:输电线路的谐波电流通过感性和阻性耦合及谐波电压通过容性耦合,在临近的电话回路上产生杂音而引起干扰影响,在电话回路上产生杂音电动势的总和不超过下列数值:①无增音站的双线电话回路4.5mV;②单线电话回路30mV。按限制标准及Ieq=1000mA初步计算直流输电线路的影响范围所得线路在周围通信线路感应出的杂音电动势见表1。其中直流输电线路与旁边通信线路的间距为d;直流输电线路与旁边通信线路的平行长度为L。杂音电动势<4.5mV表示通信质量满足要求。计算中假定折算在800Hz时的大地电导率为σ=0.001S/m;HYA电缆受干扰的电磁敏感系数为0.008。实际工程中σ或导线耦合程度可能会有变化,故计算结果中受影响通信线路的d、L与表1结果略有不同。由表1可知d越大或L越小,则影响越小。Ieq=1000mA时,d达到500m,L在5km内,则杂音电动势在允许范围内;当d为800m,L为10km时也不影响通信质量。Ieq为2000mA,则d相同时,L减少一半也能满足要求,不影响通信质量。此结论与直流线路的实际运行电压无关,但与谐波电流相关。确定直流滤波性能指标要将该点的Ieq、d、L等多种因素综合考虑。以往±500kV直流工程中通用的直流滤波性能指标Ieq≤500mA(双极)和Ieq≤1000mA(单极),是根据工程经验确定的技术和经济上较易实现的标准。±500kV直流工程Ieq起伏波动明显,故将直流沿线各点的最严重Ieq都限制在规定范围内是可行的,可为实际运行时留有更多裕度。但±800kV直流工程因采用每极2组双12脉动阀组而且直流线路更长,其在各种工况下的Ieq为两端换流站高、线路中部低。在离换流站较近的位置(距离两端换流站几十km或100km)内的直流出线Ieq通常会超过1000mA,而在直流线路中部Ieq通常较低。这时降低与通信线路临近点的Ieq,会更有效地改善通信质量,而没有必要限制沿线最大Ieq。实际工程中以不影响周围通信线路的通信质量为前提,不一定要过低限制两端换流站处的Ieq。国网公司《特高压直流输电技术研究成果专辑》相关研究报告认为±800kV直流工程的Ieq≯2200mA为宜。在详细设计阶段,可综合直流线路选线情况、周围通信线路的分布情况、大地导电率和直流滤波器设备投资等多种因素后进一步优化。5直流线路方案优化降低直流线路通信干扰的步骤和措施如下:①工程前期研究阶段,选定直流滤波标准,初算和研究换流站内直流滤波器、平波电抗器的基本配置,给出不同配置方案下Ieq大体范围。②根据直流线路选线情况、直流线路沿线土壤电阻率及周围通信线路分布情况计算直流线路与通信线路间的耦合系数,继而推算出一定Ieq下通信线路上的杂音电动势,判断其是否满足通信质量要求。③如果经过上述初步计算,杂音电动势不能满足通信质量要求,可采用措施降低通信干扰,如:变更特定敏感区域的直流线路路径;将特定敏感区域的通信明线改线或用电缆代替;增强直流线路、通信线路的平衡度;降低直流线路周围的接地电阻;优化换流站内直流滤波器及平波电抗器设计方案等。④最终直流滤波器设计方案是采用以上各种措施优化后,综合比选的结果。如果直流线路周围通信明线较少或搬迁代价不大,可考虑适当放宽Ieq指标,以减少换流站中直流滤波设备的造价;如果直流线路周围通信明线搬迁困难或通信线路要求较高,则应考虑提高Ieq标准。6直流滤波主要运行指标a)特高压直流谐波滤波标准的确定是综合优化的结果,现阶段仍可用直流线路等效干扰电流Ieq来指导和约束换流站直流滤波器设计。但Ieq只是表征直流线路对周围通信线路影响的中间指标,直流滤波最终的性能标准,应以不影响周围通信线路的通信质量(杂音电动势在规定范围内)为前提。b)