选相抑制交流滤波器合闸涌流及过电压研究

张德桢 ,郝跃东 ,陈小军,吴秀海,白文星

摘要：换流站的交流滤波器投入过程当中会产生较大的涌流以及过电压现象，严重影响相关元器件的使用寿命。不同开距下的高压电路器的关合时间以及预基础按时间存在差异。要解决交流滤波器合闸涌流及过电压就必须带电投入交流滤波器在特殊工况下，电残越压、合闸相角以及合闸涌流之间的关系。本文通过分析合闸涌流产生的原理，明确影响合闸涌流及过电压的因素，探索抑制合闸涌流及过电压的具体方案。

关键词：选相抑制；交流滤波器；合闸涌流

一、引言

高压直流输电系统在工作的过程当中会伴随有无功率消耗的产生，换流器在工作要求下进行换相的过程中会产生谐波。交流滤波器作为常见的高压直流输电系统的重要设备之一，不仅具有吸收谐波的作用，同时还能提供补偿。交流滤波器也能按照系统的实际工作状态，做出合适的投切来达到系统的无功补偿功能。但是，由于交流滤波器在不断的投切过程当中会瞬间形成巨大的涌流和过电压，对于高电压直流输电系统而言影响很大。因此，能否抑制和消除交流滤波器频繁投切产生的涌流和过电压成为衡量高电压之流输电系统性能高低的客观评价标准。

相关研究表明，选相投切技术能够通过控制目标相位完成后合闸操作，进而实现抑制涌流和过电压。单从原理方面来看，该技术能够有效地抑制上述情况的产生。然而，实际的工况比较复杂，所以如何选相成为该技术实现的关键。近年来，国内外学者都在积极探索如何通过选相实现抑制效果。在进行选相合闸工作的时候需要考虑到预击穿时间、环境温度以及操作电压的影响。由于断路器机构基友离散的特性所以在进行选相合闸操作的过程当中应始终坚持整定原则。此外，交流滤波器的结构比较复杂并且稳定性比较差，所以在合闸操作过程当中应结合与预击穿特性及离散特性综合考虑选相合闸工作的开展。

为解决预击穿时间和机械分散性对于选相合闸工作的影响，本文通过建立直流输电系统模型的方式计算预击穿时间与实际的合闸时间，为交流滤波器选相合闸工作提供理及数据基础。

二、合闸涌流及过电压产生原理

1. 合闸涌流及过电压产生原理

    双调谐滤波器能够有效简化两个单调谐波滤波器的组合，这里的无功补偿滤波器也可以看做是一个单调谐波滤波器。当单调谐波滤波器投入工作时有一个暂态过程。交流滤波器电路可以等效为电容性电路，根据电路原理来看，该电路没有无功补偿的功能，所以当投入工作的时候，开关闭合电路整体的振幅会在阻尼的作用下逐渐衰减。由此可见，该电路可以等效为一个欠阻尼系统。结合电路理论中的正弦稳态响应理论得出当交流滤波器投入工作的时候电压和电流都会产生一个短暂的高频和高幅值的暂态震荡分量。如果初始状态下，电容没有残余电压，并且合闸涌流以及过电压幅值的大小都与断路器合闸的相位有关，那么当断路器在电压峰值出合闸，暂态下会产生数千安倍的电流，如此大的合闸涌流必将会导致直流输电系统的损坏。目前，大多数输电系统都会选择使用安装电力电容的方式实现当电网功率因数下降时的无功补偿。然而，合闸瞬间产生的涌流经常会达到额定电流的50倍，所以解决合闸涌流问题对于维护输电系统的稳定性至关重要。

2. 合闸涌流的危害

    由于合闸涌流只是电路暂态阶段才会出现的现象，所以持续时间并不长，当涌流时间结束之后，很快就会降到无害的程度。但是，目前常用的很多开关特性不好，这就导致合闸速度慢的问题。这一过程会产生击穿电弧，合闸涌流就会在短时间内骤然上升。合闸涌流不仅会导致部分元器件和开关的损坏，同时还可能会导致整个输电系统的瘫痪。

三、交流滤波器合闸涌流分析

1. 交流滤波仿真分析

    以某±800 kV的特高压直流输电系统为例，结合工程实际情况，选择合适的交流滤波器的数量进行仿真模型的搭建。为保障仿真数据的准确性最终选择双极12脉动换流结构的直流输电系统的模型搭建。

1.1交流滤波器合闸

根据无功补偿的原理，在直流输电系统启动及稳定运行的过程当中，结合系统对于无功补偿的需求进行分组、分批的交流滤波器的投切工作。另外，交流滤波器存在三相合闸的非同期特性，所以在仿真的过程当中需要利用多运行组件来实现合闸操作的控制。仿真工作解决实际情况对交流小组滤波器进行每周期120次的随机合闸操作。

根据仿真分析得到的涌流及过电压数据可知电容电压的峰值和涌流峰值都远远超出了直流输电系统所能承受的极限。由此可见，在该工况下直流输电系统会直接瘫痪，严重影响正常生产生活的开展。结合实验仿真数据还可以发现震荡持续的时间足以损坏各种开关，及元器件，所以必须限制合闸过程产生的涌流和过电压现象，降低暂态对于电路整体性能及绝缘设备的影响。

随着科学技术的飞速发展，开关技术得到了创新。选相投切技术之所以能够成为处理暂态涌流和过电压对输电系统影响的重要技术是因为开关性能足以满足工作需求。如何寻找最佳的投切相位是选相投切技术是否能够成功的关键。最佳合闸相位与预击穿特性和机械分散特性有关，所以最佳相位寻找工作的前提是计算预击穿时间。

结合之前120组仿真结果的数据能够得出母线电压、电容电压的峰值和平均值。通过利用相关公式可以计算出选相投切能够承受的最大限度地合闸涌流以及过电压，通过选择合理的投切相位能够将74%过电压抑制在0.02p.u以下，切实降低了过电压以及涌流对于输电系统的危害。

1.2带电投入交流滤波器

在换流阀解锁之前，为满足最小无功需求，输电系统需要根据实际情况将合适的滤波器投入带电状态当中。当换流阀解锁之后，滤波器退出，但是还没有彻底放完电，所以大多数情况下需要再次投入。当滤波器处于以上两种特殊工况的时候，交流滤波器当中会产生较大的残余电压。如果母线电压与残余电压相位相反，那么投入的过程当中就会产生涌流和过电压现象。

通过上述仿真工作可以得到120次随机合闸的具体参数，结合仿真结果可以发现如果当残余电压为当电容残压为0 kV时，合闸涌流峰值为 3 kA，避雷器最大能量为 81.322 kJ；当电容残压为300 kV时，合闸涌流峰值高达7.285 kA，避雷器最大能量为289.016 kJ。将不同残余电压的上述相关参数进行统计可以发现，随着残余电压的不断升高，合闸涌流的幅值都会增加。该过程产生的过电压会作用于低压回路，导致避雷器放电电流的进一步增加，对于输电系统而言，上述情况会严重影响部分重要元器件的工作寿命。

    通过对合闸涌流和过电压与投切相位角之间的统计及分析可以得出，当交流滤波器在电压过零点投入的时候，随着残余压力的升高，合闸涌流也会出现明显的上升趋势，但母线过电压会基本维持不变，交流滤波器属于容性设备，所以母国过电压的变化并不明显。如果在母线电压峰值的时候将交流滤波器投入，那么随着电容残余压力的升高，合闸涌流及过电压会出现降低的现象。由此可见，带点投入产生的合闸涌流和过电压与合闸相位和电容残余压力都有关系。

由于交流滤波器的合闸涌流和过电压都是一个暂态的过程，所以在投切的过程当中注意相位角就能一定程度的减轻合闸涌流和过电压对于输电系统的影响。不同电容残余电压对应的合闸相位角有所差异。忽略稳态的影响之后，工作人员可以通过计算得出引起暂态冲击最小的合闸相位。在改相位下进行操作可以大幅降低合闸涌流和过电压的影响。在交流滤波器实际运行的过程当中，工作人员可以使用电压互感器检电容参与压力并将其输入至选相控制器当中，控制器根据输入值进行最优合闸相位的计算，并结合实际工况进行延时时间的调整降低带电投入工况下合闸涌流和过电压的应影响。

四、其他抑制交流滤波器合闸涌流及过电压的方案

    选择合适的合闸相位是解决合闸涌流与过电压的重要手段，随着相关研究的不断深入，越来越多的抑制合闸涌流和过电压的方法被发现，很多新型设备已经具备降低合闸涌流及过电压对输电系统危害的能力。

1. 抑制合闸涌流

    1.1加装并联合闸电阻

在断路器中加装并联合闸电阻能够实现多断口断路器的断口电压分布均衡，同时能够抑制暂态恢复电压。交流滤波器合闸涌流现象是发生在暂态区间内的，所以抑制暂态就能够起到抑制合闸涌流的作用。通常情况下，并联电阻的阻值不同产生的效果也不同。并联电阻的阻值被分为三类：低值（几欧姆到几十欧姆），中值（数百欧姆到几千欧姆）、高值（数万欧姆） 低值并联电阻主要用以降低或抑制暂态恢复电压,即降低开断过程中的恢复电压幅值及其上升率.中值并联电阻主要用以限制和降低各种操作过电压.高值并联电阻主要用以均衡多断口断路器断口间的电压分布。综上所述，加装并联电阻能够降低合闸涌流及过电压对于输电系统性能的影响。

1.2采用同步合闸

同步开关是专门为无功补偿装置中电容器投切设计的。不同的同步开关的作用和使用条件也是不一样的。同步合闸就是通过同步开关实现的，与常用的复合式开关相比，同步开关省略了部分结构和组件，结构简化、成本降低的同时还避免了我晶闸管组件出现的故障。采用同步合闸能够实现电压过零接通无涌流，电流过零切除无电弧。不仅如此，同步合闸的抗谐波能力较强，使用寿命强，结构简单，安装方便。

1.3电磁式电压互感器

电磁式电压互感器的作用是将高电压转换为低电压，并且完成日常的监测工作。电磁式电压互感器在日常生活当中的使用非常广泛，其基本工作原理与变压器相似，但是使用电磁式电压互感器能够泄放电路电荷，合闸产生的过电压和涌流自然也会被抑制。高电压直流输电系统可以根据实际工况选择符合规格要求的电磁式电压互感器，减少合闸涌流和过电压对于系统内部元器件的影响。

2. 抑制合闸过电压

2.1采用带并联电阻的断路器

    这种断路器有两个触头，主触头K1并联一个电阻R，K2是辅助触头。断路器的动作分为两步进行。分闸时先断开主触头K1，线路仍通过R与电源相连，线路上的残余电荷可通过R向电源释放。这时R上的电压即为K1上的恢复电压；只要R不太大，主触头间就不会发生电弧的重燃。在经过1.5~2个工频周期后，辅助触头K2断开，因R消耗了部分能量，线路残余电压较低，故触头K2上的恢复电压不高，K2上不易发生电弧重燃。即使发生重燃，因R串在回路中仰制了振荡，过电压也显著降低，实际值只有2.28倍左右。从K1断开不易发生重燃的目的出发，希望R值小些；从仰制振荡和使K2不易发生重燃的角度看又希望R值大些，对一般开关1000~3000Ω，这样的电阻称为中值并联电阻。

2.2控制合闸相角

合闸涌流及过电压现象的产生于合闸相位角密切相关，通过调整相位角能减轻合闸涌流及过电压的危害。常见的最严重的工况就是反相合闸，然而实际情况复杂且随机，如果不进行合闸相位角的调整很可能会发生重大事故。实际工作中相关人员可以通过监测断路器两端电位来的方式，选取电位差最小的时候合闸。

2.3消除和削弱残余电压

根据上述研究结果可以发现，电容的残余电压的大小会直接影响着合闸涌流和过电压的大小。因此，消除和削弱残余电压也是一个降低合闸过电压危害的重要思考方向。工作人员可以调整使用的元器件消除电容的残余电压，进而减少避免过电压情况的发生。

2.4提高断路器灭弧性能

合闸涌流和过电压都与预击穿时间有关。传统断路器结构无法避免电弧击穿重燃，所以过电压现象较为严重。要降低过电压发生的可能性，可以通过改变原有断路器的内部结构的角度做起。近年来，相关研究部门人员正在着力于推动断路器结构的优化升级工作。目前，空气压缩断路器的使用频率大幅提升。

五、结语

    本文以某特高压直流输电系统工程为例，展开交流滤波器合闸涌流及过电压现象的分析。通过方针模拟仿真的方式得出不同工况下合闸产生涌流及过电压与投切相位、电容残余电压等方面之间的关系。交流滤波器在投入时会产生较大的涌流和过电压，直接会导致母线电压的降低，引发输电系统工作故障，严重破坏交流滤波器内部元器件的绝缘性。断路器的预击穿特性和机械分散特性严重限制了选相工作的开展。通过模拟仿真实验和原理计算公式可以将74%的过电压控制在0.02p.u.。另外，带电投入产生的合闸涌流及过电压由合闸相角和电容残压共同决定，随着电容残压的增大，合闸涌流也有所增大，针对不同的电容残压选取适当的合闸相角可以有效地降低合闸涌流及过电压。通过模拟实验验证了交流滤波器合闸过程中会产生涌流及过电压，在采用相控合闸策略并考虑机械分散性情况下，选相合闸的效果仍优于随机合闸。

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