绿色铁路背景下区间用电负荷直流配电设计探讨

本文分析了铁路区间用电负荷的构成及其对直流配电的适应性,通过研究直流配电系统基本拓扑结构、母线接线型式、电压等级对供电能力和人身安全的影响,结合直流配电电缆耐压等级的选择与直流配电接地型式,对铁路区间用电负荷直流配电设计进行分析和探讨,提出了适用于铁路区间用电负荷直流配电设计的技术方案。

基于特征谐波阻抗比值的HVDC直流滤波器高压电容器接地故障保护方案

为提高高压直流输电系统中直流滤波器高压电容器接地故障保护的灵敏度和可靠性,提出一种基于特征谐波阻抗识比值的高压电容器接地故障保护方案。高压电容器发生接地故障后,直流滤波器结构变化,调谐点和谐振点发生偏移,以此为基础,对高压电容器不同位置发生接地故障的滤波器电路拓扑进行等效,分析最小调谐角频率和并联谐振角频率对应的特征谐波阻抗比值特征发现,故障前后滤波器特征谐波阻抗比值差异巨大,以此构成高压电容器接地故障识别判据。利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建仿真模型,对所提保护方案的可靠性进行验证,仿真结果表明该保护方案可准确识别高压电容器的接地故障,且具有一定的耐过渡电阻的能力,抗噪能力强,有一定的工程应用前景。

基于合成场强仪的输电工程地面合成电场研究

高压直流(DC)输电线路交叉跨越是我国特高压(UHV)技术发展中出现的问题。由于两回DC线路相互影响,交叉跨越区域内合成电场呈复杂的三维分布,UHV DC输电工程地面合成电场计算较为困难。选取典型±800 kV UHV DC输电工程进行地面合成电场的实测研究。参照GB 39220—2020,采用HDEM-01合成场强仪进行野外现场实测。测量参数为有效期内的场磨传感器上积聚的电荷量。测量结果与运行初期实测数据的对比结果表明:±800 kV换流站周边运行初期合成电场强度略低于后期,且整体水平较低;沿线电磁环境敏感目标运行初期、后期的实测数据中,74%的数值小于5 kV/m。通过此次研究,明确了UHV DC输电工程合成电场不同时期的特性。该研究有助于推进UHV DC输电工程的快速建成,并提高其运行安全性,从而推动电力工程建设的发展。

MMC-MTDC系统直流单极对地短路故障保护策略

直流侧故障保护是基于模块化多电平换流器(MMC)的多端柔性直流输电(MTDC)系统的关键问题。现有文献主要对直流双极短路故障展开研究,而直流单极接地故障同样可能对系统安全运行产生严重影响。首先针对不同的换流器接地方式,分析半桥型MMC-MTDC单极对地短路故障特性,指出交流侧低阻抗接地方式下存在的问题,为实际工程接地阻抗选择提供一定参考。利用全桥型MMC的短路电流清除能力,提出一种单极对地短路故障快速恢复保护策略,能够在交流侧低阻抗接地方式下避免交流断路器跳闸。PSCAD/EMTDC仿真结果证明了故障特性分析的正确性和所提出的故障保护策略的有效性。

基于波形相关性的直流配电网主动式接地故障选线

采用小电流接地方式的直流配电网发生单极接地故障时故障特征较弱,为准确可靠选出故障线路,文中提出基于注入信号波形相关性的接地故障选线方法。所提方法首先将预先设计的附加控制策略施加于直流配电网的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)上,实现探测信号注入。然后结合零模网络,得出故障特征为:各条健全馈线首端计算的特定频率零模电流流向相同、而其与故障馈线首端计算的零模电流流向相反。最后,基于该故障特征设计选线判据,引入皮尔森相关性系数比较各条馈线的归一化零模电流和总归一化零模电流的相关性,根据健全馈线相关性系数接近于1、故障馈线相关性系数接近于-1的特征完成故障选线。仿真结果表明,所提方法在高阻接地故障下能可靠识别发生在母线或各条馈线任意位置的单极接地故障。

直流输电分布式接地极建模与应用

为改善目前直流接地极的性能,提出了分布式直流接地极的2种仿真计算模型,使用算例与标准接地软件CDEGS作验证,并分析了交流电网对分布式接地极入地电流分配的影响。实例分析表明,交流电网对分布式接地极入地电流分配关系会有轻微影响。以湖北和广东电网为例说明了分布式接地极的实际应用方案,使用分布式接地极后,地表电位局部集中的问题得到一定程度上的改善,交流电网内变压器直流偏磁风险有所降低。分布式直流接地极可以提升接地极性能和均衡直流电流分布,随着我国直流输电工程的大量建设,分布式接地极具有一定的应用前景。

深层大地电阻率对交流电网直流电流分布的影响

深层大地电阻率过高可能导致直流输电入地电流在交流电网中大量分布,诱发变压器直流偏磁危害。有鉴于此,通过大地电磁法测量深层大地电阻率分布从而取得水平多层大地电阻率结构参数,再利用复镜像法计算直流输电入地电流在多层水平土壤中的电位和电流密度,以评估深层大地电阻率对交流电网直流电流分布的影响。结果表明,只要离开直流极超过3倍直流极尺寸区域,点源可以代替具体的直流极进行电场/电位分布的计算。如果要分析直流电流在交流电网中的分布,必须要按实际大范围的大地电阻率参数来进行分析。最后以湖北电网的直流电流分布仿真结果与变压器中性点直流电流测量为例说明准确的深层大地电阻率对正确计算交流电网直流电流分布的重要性。

考虑深层大地电阻率的电网广域直流电流分布数值计算

为解决直流输电大地返回电流导致的电磁兼容问题,全面论述了考虑深层大地电阻率的广域电流场数值计算方案。首先基于场路耦合的方法建立了通用的理论模型,并对模型的简化、等效和信息录入等环节进行了讨论。再结合四极法与大地电磁法从测量方案和反演算法2个方面对大地电阻率的测量问题进行了研究。最后提出了基于自适应采样的复镜像法进行复杂结构的水平多层大地格林函数的高精度计算。算例结果表明,对省级电网的简化可以大大缩减模型的规模,四极法与大地电磁法的测量方案能够完全满足现场应用需求,而自适应采样的复镜像法关于格林函数的最大误差约为10^(-6),精度比高阶复镜像法更高。

不同温度下高压直流电缆纳米复合绝缘中的周期性直流接地电树枝特性

该文自主研发了一种以交联聚乙烯（cross-linked polyethylene,XLPE）为基体,添加0.5 wt%纳米Mg O颗粒的新型高压直流电缆绝缘材料。为研究不同温度下该材料中直流接地电树枝特性及其影响因素,对该材料和某商用级XLPE高压直流电缆绝缘材料进行了20~80℃下不同极性不同电压幅值的周期性直流接地电树枝实验。结果表明：电子比空穴更易注入,且在材料中拥有更大的平均自由程,因此负极性下电树枝比正极性下更易引发,且生长更为分散;纳米Mg O的添加增加了材料中的陷阱密度,减弱了电荷注入,故纳米Mg O/XLPE绝缘材料表现出更好的抗电树枝化性能;温度升高增强了电荷注入与脱陷,提高了电子平均自由程与电荷分布均匀度,使电树枝更容易引发和生长,且形态更加茂密。由此可见,电压极性与温度的改变,以及纳米Mg O的添加均会对材料中的周期性直流接地电树枝的引发与生长产生影响。

大容量架空线柔性直流输电关键技术及前景展望

柔性直流输电技术(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)应用于远距离大容量架空线输电是实现我国能源资源优化配置的客观要求,也是电网技术发展的未来趋势。目前柔性直流输电技术扩展到架空线输电场合所面临的关键问题有:直流线路故障难以快速清除、输送容量难以与传统直流输电相媲拟、主接线方式和接地方式选择原则还没有定论等。针对问题1,分析现有工程所采用的拓扑结构在直流故障下的脆弱性,重点综述具有直流故障穿越能力的拓扑结构。根据其处理直流故障的特点将其划分为3种基本类型。对比分析几种典型拓扑的优缺点。针对问题2和3,为实现高电压大容量输电任务,提出基于组合式换流器的双极结构拓扑。该结构内每极由若干基本换流单元(basic converter units,BCU)串并联构成,接地极线从上下正负极结构中间引出。分析4种单元扩展的方式。综述可行的接地方式及其优缺点。最后,结合我国电网结构特点和能量流动特点,分析两种基本的柔性直流系统结构,指出其所面临的挑战和机遇。

空间电荷对直流接地电树枝影响的实验及仿真研究

为研究聚乙烯中直流接地电树枝的生长特性与材料中空间电荷分布的联系,该文以某商用级XLPE高压直流电缆绝缘材料为对象,分别进行了20℃下不同单次预压时间和短路次数的直流接地电树枝实验。实验结果表明:正负极性下电树枝长度都随着短路次数的增加而增加,正极性下电树枝长度随着单次预压时间的增加先增加再减小,负极性下单次预压时间对电树枝的影响不大;负极性下电树枝的扩散系数整体大于正极性下的电树枝。同时,基于双载流子模型建立了针板电极的三维仿真模型,在综合考虑了电荷的注入、迁移、扩散、入陷和脱陷等行为的基础上,计算出XLPE中随时间变化的空间电荷分布,并据此提出了空间电荷有效注入深度这一新的的概念,以此表征能够引发电树枝的那部分空间电荷在材料中的分布范围,从空间电荷的角度对实验所发现的电树枝特性进行了合理的解释,证明了受陷电荷是直流接地电树枝的成因。

高压直流输电系统直流滤波器接地故障机理分析

高压直流输电系统以双极大地回线方式运行,较为典型。文中对此方式下直流滤波器电容区和调谐区的接地故障机理进行了研究,先分别构建其等效电路,然后定量分析其电气量特征,最后,以仿真实验加以验证。理论分析和仿真实验均表明,采用基尔霍夫电流平衡原理的差动保护反映直流滤波器接地故障时,选择包括直流分量在内的全波电流要比选择特征谐波电流更为合理,并具有更高的灵敏性和可靠性。

一种新型直流接地极——广域接地极探讨

针对目前直流接地极选址存在的困难,提出广域接地极的新方案,即通过特定的形式把某一区域内的直流接地极连接起来,形成一个大型的散流体作为直流接地极。以广东电网公司应用该方法的实例证明该方案具有显著的经济性和较高的操作性,并且在技术上有明显优势,能够降低接地电阻,缓解直流输电单极大地运行对交流电网的不利影响,但存在入地电流局部集中的现象。通过进一步分析,提出改进方法,即利用局部串阻和改变入地电流接入点,可改善电流在广域接地极的分布,而实践证明改变接入点的技术性和可靠性更高。通过对广域接地极对后续直流工程的适应性分析,得出结论:广域接地极作为一种创新的设计理念,可通过一系列技术措施的实施及改进,缓解直流落点增多与接地极选址困难的矛盾。

一起直流系统双重化后异常分析

直流系统双重化后,发现直流系统经常发生瞬时接地故障,在某线路保护年检时还发现保护有不正确动作情况,检查分析直流系统和保护装置、回路,找出直流系统经常发生瞬时接地原因及继电保护存在的安全隐患及原因,并提出合理的解决方案。

直流滤波器对电压突变量保护的影响及保护策略优化

针对使用晶闸管作为换流器件的直流输电系统线路接地故障,给出了目前主流的电压突变量保护逻辑,分析了直流滤波器对线路接地故障特征量的影响,指出了在直流线路靠近换流站的区域发生接地故障时直流滤波器产生的谐波电流会导致电压突变量保护的电流方向判断错误,进而引起电压突变量保护拒动。基于此,提出了一种优化的电压突变量保护原理和定值整定方法,消除了直流滤波器产生的谐波电流对电压突变量保护的影响,最后通过RTDS试验对优化后的电压突变量保护策略进行了仿真验证。

XLPE与MgO/XLPE纳米复合材料周期性直流接地电树枝与交流电树枝的温度特性

随着电力电缆的广泛应用,由电树枝化导致的电缆绝缘失效问题得到了人们越来越多的关注。以交联聚乙烯（XLPE）和纳米Mg O掺杂的交联聚乙烯（Mg O/XLPE）为研究对象,研究了这两种材料在20-80℃下的周期性直流接地电树枝和交流电树枝特性。实验结果表明：两种材料中的周期性直流接地电树枝呈枝状,对应的分形维数接近1,交流电树枝呈丛状,对应的分形维数接近2;纳米Mg O颗粒的添加对于抑制周期性直流接地电树枝的生长有显著效果,但对抑制交流电树枝的生长效果有限;XLPE中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升呈现先下降后上升的趋势,Mg O/XLPE材料中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升变化不明显,两种材料中的交流电树枝长度随温度的上升均呈现出增加的趋势,但增幅较小。

特高压并联型三端混合直流输电系统功率转带策略

特高压并联型三端混合直流输电系统作为多端直流输电的一种重要形式,相较于常规特高压两端直流输电系统,其在故障后的功率转带更为灵活和复杂。文中基于中国乌东德多端直流工程,提出了一种适用于特高压并联型三端混合直流输电系统的功率转带策略。基于闭锁前三站各极的功率水平、最小和最大输送功率能力以及所处的控制模式,计算并重新设置各站各极的功率、电流参考值,实现故障极功率的极间转带和站间转带,以减少功率损失,同时兼顾最小化非故障逆变站的接地极电流。通过实时数字仿真,验证了所提策略的有效性。

超高压交流输电线路融冰避雷线绝缘架设对杆塔接地安全的影响

融冰避雷线绝缘架设方式会对短路电流的分配路径造成影响,进而影响到杆塔接地安全性能。为确保杆塔接地安全,建立了全线绝缘避雷线输电线路短路模型,探讨了避雷线绝缘间隙击穿与短路电流的关系,分析了融冰绝缘避雷线杆塔入地电流,研究了架设绝缘避雷线后对杆塔接地安全的影响。结果表明,架设绝缘避雷线后杆塔入地电流主要由绝缘间隙击穿情况决定;绝缘避雷线间隙发生临界击穿时,将会产生很大的杆塔入地电流,杆塔接地安全受到严重威胁。避雷线直接接地时,杆塔接地装置的安全性能基本满足规程要求;而架设绝缘避雷线后,杆塔接地装置的安全性不能满足规程要求。因此架设绝缘避雷线将严重影响到杆塔的接地安全。

高压直流输电接地极对埋地管道的干扰及防护措施研究

通过电位远程监测系统对天然气管道受接地极的干扰情况进行监测,了解了接地极对管道的干扰频次、干扰时长及管道通/断电电位的干扰偏移程度。在6个月的监控期间,共监测到管道受干扰20次,干扰时长达22 d,干扰断电电位最高达到-0.23 V,干扰断电电位最低到-1.30 V。管道受南桥接地极干扰时,靠近接地极位置管道干扰远大于远离接地极位置管道干扰,且干扰方向相反,互为杂散电流的流入和流出区域。依据法拉第定律并结合实验室极化曲线测试,获得了管道钢在测试时间内的腐蚀风险,最坏情况下腐蚀速率为1.00 mm/a。通过数值模拟计算得到了南桥接地极在额定电流下管道的受干扰程度,并初步设计了接地极的干扰防护措施,建议增加3处强制排流系统和调整10处现有阴极保护系统输出。

葛南直流大地-金属回线转换实例分析

高压直流输电系统中,直流转换开关的运行状况直接影响到单极大地—金属回线转换操作的顺利进行。通过对葛洲坝—南桥直流输电系统中发生的一起大地—金属回线异常转换过程的深入分析,得出由于金属返回线路上过高的感应电压造成直流转换开关振荡回路中相关元件损坏,导致该转换开关保护动作和转换操作失败。根据分析结果,提出了针对本次失败转换过程的改进措施和运行建议,可为新建工程设计和运行维护提供参考。