高压直流输电系统换流站过电压保护技术研究

一、引言

近年来，全球能源结构加速转型，“双碳” 目标驱动下，跨区域、大容量的高压直流输电技术成为实现清洁能源高效输送与优化配置的关键手段。据国际大电网会议（CIGRE）2023 年统计数据，全球已投运及在建的高压直流输电工程数量持续增长，电压等级不断提升， ±800kV 及以上特高压直流工程占比显著增加。换流站作为直流输电系统中实现交直流转换的核心枢纽，其运行状态直接决定系统的输电能力与可靠性。然而，换流站内部电力电子器件频繁切换、复杂的电磁暂态过程以及外部雷击、操作等因素，极易引发过电压现象。过电压可能导致换流阀、变压器、绝缘子等关键设备的绝缘老化甚至击穿，引发系统故障与大面积停电事故。因此，开展高压直流输电系统换流站过电压保护技术研究，对提升系统安全稳定性、降低运维成本、推动能源高效传输具有重要的现实意义。

二、高压直流输电系统换流站过电压类型及产生机理

2.1 操作过电压

操作过电压是换流站在设备投切、状态转换等操作过程中产生的暂态过电压，主要包括换流阀触发与关断过电压、交流滤波器投切过电压、直流线路投切过电压等。以换流阀触发与关断为例，当晶闸管阀触发导通瞬间，由于回路电感与电容的相互作用，会产生高频振荡过电压；而在关断时，因载流子复合延迟，可能引发反向恢复过电压。交流滤波器投切时，电容器组与系统电感形成振荡回路，产生暂态过电压；直流线路投切则会因线路分布电容与电感的能量转换，导致过电压的产生。操作过电压具有幅值高、持续时间短、频率高的特点，对换流站设备绝缘构成严重威胁。

2.2 雷电过电压

雷电过电压是由雷击换流站设备或线路引起的过电压，分为直击雷过电压和感应雷过电压。直击雷过电压是指雷电直接击中换流站设备，强大的雷电流通过设备入地，在接地电阻上产生高电位，导致设备绝缘闪络；感应雷过电压则是雷击线路附近地面时，由于电磁感应在导线上产生的过电压波，沿线路侵入换流站。雷电过电压具有脉冲特性，波前陡度大、幅值高，若防护措施不当，可能造成设备绝缘击穿，引发系统故障。

2.3 暂时过电压

暂时过电压是指持续时间相对较长（一般为几秒到几分钟）的过电压，主要包括交流系统不对称故障引起的工频过电压、甩负荷过电压以及直流系统故障导致的直流侧暂时过电压。交流系统发生不对称短路故障时，健全相电压会升高，产生工频过电压；当换流站突然甩负荷时，系统无功功率过剩，也会导致电压升高。在直流系统中，换相失败、直流线路接地故障等情况会引起直流侧电压异常升高，对设备绝缘和系统稳定运行产生不利影响。

三、高压直流输电系统换流站过电压保护技术现状与问题

3.1 现有过电压保护技术应用

目前，高压直流输电系统换流站过电压保护主要采用避雷器、阻容吸收装置、快速开关等设备，并结合合理的绝缘配合与控制策略。避雷器是限制过电压的关键设备，通过非线性电阻特性，在过电压作用下迅速导通，释放能量，将过电压限制在设备绝缘耐受水平以内。交流侧通常配置金属氧化物避雷器（MOA），用于保护变压器、断路器等设备；直流侧则根据不同位置和功能，设置换流阀避雷器、直流母线避雷器等。阻容吸收装置通过电容和电阻的组合，吸收操作过电压中的高频能量，抑制过电压的上升速率；快速开关可在故障发生时迅速切断电路，限制过电压的持续时间和影响范围。

3.2 存在的问题与挑战

尽管现有过电压保护技术在工程中取得了一定应用效果，但仍存在诸多不足。首先，随着特高压直流输电电压等级的提升和柔性直流输电技术的应用，过电压的幅值、波形和频率特性更加复杂，现有避雷器的保护性能面临挑战，其能量吸收能力和残压水平需进一步优化。其次，换流站中电力电子器件的快速开关动作产生的高频暂态过电压，现有保护装置难以快速响应和准确抑制，可能导致器件损坏。

四、高压直流输电系统换流站过电压保护技术优化策略

4.1 优化过电压保护配置

基于对换流站过电压特性的深入分析，优化避雷器的配置方案。在特高压换流站中，采用多级避雷器配合的方式，如在交流母线、变压器入口、换流阀组等关键位置合理布置不同参数的避雷器，实现对过电压的分层分级保护。同时，针对柔性直流输电系统中高频过电压问题，研发适用于高频工况的新型避雷器，提高其对高频过电压的抑制能力。此外，优化阻容吸收装置的参数设计，根据不同设备的过电压特性，调整电容和电阻值，增强对操作过电压的吸收效果。

4.2 改进过电压保护装置

加快新型过电压保护装置的研发与应用。利用新型电力电子器件，如碳化硅（SiC）器件的高开关速度和低损耗特性，开发快速响应的过电压抑制装置，实现对高频暂态过电压的快速钳位与吸收。研究基于超导材料的限流器，在过电压发生时迅速限制短路电流，降低过电压幅值。

4.3 创新过电压保护控制策略

建立过电压保护系统与直流控制系统的协同控制机制。通过实时监测系统运行状态和过电压参数，利用智能算法，如神经网络、模糊控制等，动态调整保护装置的动作阈值和直流系统的控制参数，实现保护的自适应调节。在系统故障时，快速判断故障类型和位置，协调过电压保护装置与直流断路器、换流阀触发控制等环节的动作时序，避免保护误动或拒动。此外，开展基于数字孪生技术的过电压保护系统仿真与优化，构建换流站虚拟模型，模拟不同工况下的过电压过程，为保护策略的制定和优化提供数据支持。

五、结论

高压直流输电系统换流站过电压问题严重影响系统的安全稳定运行，优化过电压保护技术至关重要。本文系统分析了换流站中各类过电压的产生机理与特性，探讨了现有保护技术的现状及不足，提出了包括优化保护配置、改进保护装置、创新控制策略在内的一系列优化措施，并对未来发展趋势进行了展望。随着技术的不断进步，智能化、数字化、新材料应用以及多学科交叉融合将成为过电压保护技术的主要发展方向。未来需进一步加强理论研究与工程实践，推动高压直流输电系统过电压保护技术的持续创新，为实现能源的高效、可靠传输提供坚实保障。

参考文献

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