交流系統(tǒng)故障對(duì)直流系統(tǒng)影響分析及改進(jìn)措施

梁天明

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州市 510405)

0 引言

直流輸電具有傳送功率大、線路造價(jià)低、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)達(dá)國家作為高電壓、大容量、長(zhǎng)距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段［1］。隨著國內(nèi)電網(wǎng)的迅速發(fā)展，我國已經(jīng)形成跨越幾千km的交直流混合互聯(lián)系統(tǒng)，聯(lián)系起多個(gè)能源中心與負(fù)荷中心。交、直流系統(tǒng)共存，并相互影響，是當(dāng)前大電網(wǎng)的重要特點(diǎn)?？偨Y(jié)運(yùn)行維護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握交直流混合輸電系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，對(duì)于保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文以南方電網(wǎng)交直流混聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)實(shí)例為基礎(chǔ)，著重分析交流系統(tǒng)故障對(duì)換流閥、閥冷卻系統(tǒng)、直流保護(hù)等直流系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)造成的影響，并針對(duì)具體的影響提出運(yùn)行維護(hù)建議及初步改進(jìn)意見。

1 交流系統(tǒng)故障引起換流閥換相失敗

南方電網(wǎng)目前同時(shí)運(yùn)行維護(hù)天廣直流、高肇直流、興安直流、云廣直流等4個(gè)直流輸電系統(tǒng)，且4條直流落點(diǎn)均在廣東省珠三角負(fù)荷中心。密集的直流落點(diǎn)帶來新的問題，交流系統(tǒng)的故障引起換流站交流母線電壓波動(dòng)，可能對(duì)多條直流同時(shí)造成影響，導(dǎo)致多直流同時(shí)換相失敗(commutation failure，CF)事件，甚至導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運(yùn)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成威脅。從目前的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)來看，這個(gè)問題越來越突出。

1.1 換相失敗原理

換相失敗是高壓直流輸電系統(tǒng)常見的故障現(xiàn)象之一。由于換流器交流側(cè)電感的存在，換流器換相時(shí)，電流轉(zhuǎn)移需要一定的時(shí)間才能完成，換相過程持續(xù)的時(shí)間一般用換相角(μ)來表示。當(dāng)換流閥的2個(gè)橋臂之間換相結(jié)束后，剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)未能恢復(fù)阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程沒有能進(jìn)行完畢，在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r(shí)被換相的閥將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥進(jìn)行倒換相，這就是換相失?。?-3］。從閥關(guān)斷到閥上電壓由負(fù)變正的過零點(diǎn)之間的電角度為關(guān)斷角或熄弧角，用γ來表示。交流系統(tǒng)對(duì)稱時(shí)，逆變器的關(guān)斷角為

式中:k為換流變壓器的變比;UL為逆變器交流側(cè)母線線電壓有效值;Id為直流電流;XC為等效換相電抗;β為超前觸發(fā)角。

當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障，換相線電壓過零點(diǎn)前移角度Φ時(shí)，逆變器的關(guān)斷角為

由式(1)、(2)可知，關(guān)斷角的大小與交流電壓、直流電流、超前觸發(fā)角、換流變壓器變比和等效換相電抗有關(guān)，在交流系統(tǒng)發(fā)生非對(duì)稱故障時(shí)，還與電壓過零點(diǎn)偏移角度有關(guān)。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，排除設(shè)備本身故障，導(dǎo)致?lián)Q相失敗的因素主要是交流系統(tǒng)故障，交流系統(tǒng)故障換流母線電壓幅值下降和電壓過零點(diǎn)的漂移［4］。交流低電壓導(dǎo)致逆變側(cè)換相電壓的降低，從而致使本應(yīng)導(dǎo)通的閥無法導(dǎo)通，最終導(dǎo)致?lián)Q相失敗。不同類型的故障如三相短路故障、單相短路故障和相間短路故障等對(duì)換相失敗的影響不同。此外，交流系統(tǒng)故障的發(fā)生地點(diǎn)和故障的嚴(yán)重程度對(duì)換相失敗的影響亦不同。離故障點(diǎn)電氣距離越近的逆變站發(fā)生換相失敗的情況越嚴(yán)重［5-6］。

1.2 多直流換相失敗情況統(tǒng)計(jì)分析

1.2.1 交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流換相失敗統(tǒng)計(jì)

近些年交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致多直流同時(shí)換向失敗的事件在南方電網(wǎng)運(yùn)維直流工程中較為常見。對(duì)2012年此類故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

由表1可知，500kV交流線路及主變發(fā)生故障跳閘是誘發(fā)直流換相失敗的主要原因，這些交流故障呈現(xiàn)以下特點(diǎn):

(1)故障設(shè)備與換流站電氣距離較近。多為換流站內(nèi)或鄰近變電站內(nèi)重載交流設(shè)備故障。

(2)故障設(shè)備電壓等級(jí)比較高，均為500kV輸變電設(shè)備，目前尚未出現(xiàn)220 kV及以下設(shè)備及線路故障導(dǎo)致?lián)Q相失敗的案例。

表1 南方電網(wǎng)2012年多直流換相失敗統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of multiple DC commutation failure in China Southern Power Grid during 2012

1.2.2 多直流換相失敗典型案例分析

2012年5月3日，500kV安莞線(安莞線為興安直流寶安換流站內(nèi)重載線路)主保護(hù)動(dòng)作，線路重合閘動(dòng)作成功。興安直流寶安換流站、天廣直流廣州換流站、云廣直流穗東換流站同一時(shí)刻發(fā)生換向失敗。3個(gè)直流工程逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓波形如圖1～3所示。

圖1 寶安換流站交流系統(tǒng)電壓波形Fig.1 Voltage waveform of AC system in Baoan converter station

圖2 廣州換流站交流系統(tǒng)電壓波形Fig.2 Voltage waveform of AC system in Guangzhou converter station

錄波顯示故障時(shí)刻寶安換流站、廣州換流站、穗東換流站交流系統(tǒng)A、B、C相電壓波形均有異常，其中B相電壓跌落最為明顯。以寶安換流站為例，直流量變化如圖4所示，通過熄弧角的變化可以看出，故障發(fā)生后寶安換流站極二發(fā)生換相失敗，導(dǎo)致極二的直流電壓迅速降低;直流電流升高，直流功率短時(shí)大幅降低。

圖3 穗東換流站交流系統(tǒng)電壓波形Fig.3 Voltage waveform of AC system in Suidong converter station

圖4 寶安換流站極二電壓、電流、熄弧角波形Fig.4 Voltage，current and extinction angle waveform in Baoan converter station

一般交流系統(tǒng)保護(hù)能正確動(dòng)作切除故障，或瞬時(shí)跳閘重合成功。直流系統(tǒng)的換相失敗也能自動(dòng)恢復(fù)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和電力供應(yīng)造成嚴(yán)重影響。但換相失敗造成直流功率短時(shí)大幅下降，對(duì)直流系統(tǒng)兩端交流電網(wǎng)造成沖擊，且短路電流對(duì)直流設(shè)備造成損傷，影響直流設(shè)備的使用壽命。因此避免換相失敗或最大限度降低其影響是目前常規(guī)換流技術(shù)中最受重視的課題之一。

目前通過直流控制策略，電流調(diào)節(jié)器能在10 ms左右將換相失敗故障電流減至額定值或以下，以期維持渡過交流系統(tǒng)的擾動(dòng)期。在三常直流工程中，還加設(shè)了一個(gè)換相失敗預(yù)測(cè)控制功能，即根據(jù)交流電壓零序分量以及表明其矢量變化程度的α/β分量來預(yù)測(cè)單相/三相交流電壓可能將發(fā)生故障，并因此來增大逆變側(cè)的熄弧角以避免換相失敗的發(fā)生［7］。

在換流站日常維護(hù)過程中，鑒于目前500kV交流系統(tǒng)故障引發(fā)多條直流同時(shí)換相失敗的問題日益嚴(yán)重，對(duì)系統(tǒng)造成較大的影響，有必要在全網(wǎng)范圍內(nèi)對(duì)與換流站電氣距離較近的500kV重載交流設(shè)備制定特殊維護(hù)方案。發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整負(fù)荷并停電檢修，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性，有效減少多直流換相失敗的發(fā)生。

1.3 交流系統(tǒng)電氣操作引發(fā)換相失敗

電氣操作過程中，由于電氣設(shè)備接地不合理、局部放電等因素，可能造成電壓的小幅局部波動(dòng)，如果電壓波動(dòng)部位與換流變饋線電氣距離較近，可能造成直流系統(tǒng)換相失敗。

2013年05月31日，寶安換流站拉開50732刀閘時(shí)(50732刀閘電氣接線如圖5所示)，換流變饋線電壓發(fā)生波動(dòng)，極二發(fā)生換相失敗，如圖6所示。

圖5 50732刀閘所在間隔電氣接線Fig.5 Electric connection of Switch 50732

圖6 刀閘拉開過程交流電壓、直流電流和電壓波形Fig.6 AC voltage，DC current and voltage in switch operation

從故障錄波可以看出，50732刀閘拉開時(shí)，B相交流電壓發(fā)生波動(dòng)，電壓跌落最小峰值為222 kV(正常峰值為430 kV)，波動(dòng)持續(xù)時(shí)間約100 ms，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。這種情況在實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中罕有發(fā)生，屬于偶發(fā)現(xiàn)象，且影響范圍比較小，一般不會(huì)造成多直流換相失敗，初步判斷為換流變壓器交流側(cè)刀閘一次設(shè)備存在缺陷，電氣操作過程中存在局部放電所致。建議對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行解體檢查。

2 交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致閥冷卻系統(tǒng)故障

站用電系統(tǒng)是換流站內(nèi)最重要的輔助設(shè)備，為雙極閥冷主泵、冷卻塔、換流變冷卻器等非常重要的負(fù)荷提供電源，近區(qū)交流系統(tǒng)故障可能造成站用電電壓波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)站用電全部丟失，將直接造成雙極閉鎖［9］。

2012年12月15日，500kV硯都站2主變相間故障，高肇直流肇慶換流站站用電擾動(dòng)并恢復(fù)，恢復(fù)過程中極二閥冷系統(tǒng)2臺(tái)主泵交流電源均跳開，極二閥冷系統(tǒng)判定無主泵運(yùn)行，導(dǎo)致極二停運(yùn)。肇慶換流站三回站用電均由外部供電。且三回站用電上級(jí)電源均與500kV硯都變電站相關(guān)。當(dāng)硯都站電壓出現(xiàn)擾動(dòng)，肇慶換流站三回站用電極易受影響。在本次故障過程中，2套設(shè)備自投裝置發(fā)出退出信號(hào)，開關(guān)保護(hù)報(bào)失壓信號(hào)，可判斷肇慶站三回站用電電壓確實(shí)發(fā)生大幅電壓跌落。

閥冷系統(tǒng)兩回400 V交流電源通過2個(gè)接觸器-OK111和-OK112二選一接到屏內(nèi)400 V交流母線，主泵由該交流母線供電，如圖7所示。主泵空開-Q011、-Q012的保護(hù)為過流速斷保護(hù)，定值為820 A。

圖7 閥冷系統(tǒng)主泵電源電氣接線Fig.7 Electric connection of main pump powerin valve cooling system

極二閥冷系統(tǒng)交流電源1故障恢復(fù)重新投入時(shí)，由于主泵1與電源失步時(shí)間較長(zhǎng)，存在較高的殘壓，會(huì)產(chǎn)生較大沖擊電流，主泵1的空開-Q011跳開。交流電源1電壓已恢復(fù)，但由于交流電源1母線所帶負(fù)荷均處于重啟動(dòng)過程中，此時(shí)交流電源1電壓低于正常水平;同時(shí)主泵冷啟動(dòng)沖擊電流較大(約為7倍額定電流)。在上述2種因素共同作用下主泵2投入時(shí)沖擊電流大于820 A。故主泵2電源開關(guān)-Q012速斷動(dòng)作跳開，至此，閥冷卻系統(tǒng)2臺(tái)主泵均停運(yùn)，導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運(yùn)。

為避免類似事件發(fā)生，提高換流站內(nèi)站用電運(yùn)行的穩(wěn)定性，在換流站的站用電設(shè)計(jì)及建設(shè)中可以做以下改進(jìn)。

(1)優(yōu)化進(jìn)線側(cè)電源的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，確保站用電取自不同變電站的不同間隔，網(wǎng)內(nèi)局部交流設(shè)備故障時(shí)不會(huì)造成全部站用電擾動(dòng)、丟失［8］。

(2)采用降壓變壓器的方式保證站用電穩(wěn)定可靠。變壓器具有電氣隔離的作用，經(jīng)過變壓器多級(jí)降壓可有效抑制站用電電壓波動(dòng)的發(fā)生。

(3)對(duì)400 V交流電源電壓監(jiān)視繼電器進(jìn)行改造。目前大多數(shù)交流接觸器的電壓監(jiān)視繼電器采用所檢測(cè)的交流電源供電，當(dāng)所檢測(cè)的主電源失壓時(shí)，電壓監(jiān)視繼電器本身也將失效。建議采用直流電源單獨(dú)供電的電壓監(jiān)視繼電器，一方面直流電源本身比站用電的可靠性更高，另一方面當(dāng)失去直流電后，有蓄電池作為備用，提高閥冷系統(tǒng)的可靠性，消除電壓波動(dòng)引發(fā)電壓監(jiān)視功能缺失導(dǎo)致直流停運(yùn)的情況。

3 交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流保護(hù)誤動(dòng)作

交流系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致交流系統(tǒng)嚴(yán)重的電壓跌落，從而引發(fā)直流電壓短時(shí)劇烈波動(dòng)，與直流電壓量相關(guān)的直流保護(hù)誤動(dòng)作。

2012年12月15日，500kV硯都站 2主變A、B相間故障跳閘，高肇直流肇慶換流站換流變交流饋線A、B相電壓降低，同時(shí)直流線路電壓UDL波動(dòng)。如圖8所示，dU/dt達(dá)到保護(hù)動(dòng)作定值，導(dǎo)致高坡?lián)Q流站和肇慶換流站電壓突變量保護(hù)動(dòng)作，雙極降壓至400kV重啟動(dòng)。

圖8 故障時(shí)刻肇慶換流站極二直流電壓波形Fig.8 DC voltage waveform in Zhaoqing converter station during fault

電壓突變量保護(hù)主要用于檢測(cè)直流線路故障，如直流線路雷擊、高阻接地等。直流線路故障時(shí)直流保護(hù)動(dòng)作，極控系統(tǒng)啟動(dòng)直流線路故障重啟動(dòng)順序，通過直流系統(tǒng)閉鎖、線路去游離和系統(tǒng)重啟動(dòng)等一系列動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)直流線路故障后快速恢復(fù)［9］。此次電壓突變量保護(hù)動(dòng)作屬于交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流保護(hù)誤動(dòng)作。

近年來，在南方電網(wǎng)范圍內(nèi)由于區(qū)內(nèi)交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流電壓擾動(dòng)的情況比較普遍，提高直流保護(hù)對(duì)有效電壓突變的識(shí)別能力，是避免保護(hù)誤動(dòng)作的主要手段。目前已完成對(duì)興安直流27dU/dt保護(hù)優(yōu)化方案。通過提高低電壓閉鎖dU/dt邏輯的返回電壓定值和返回延時(shí)，增強(qiáng)了電壓突變量保護(hù)的抗干擾能力，并通過了仿真試驗(yàn)和RTDS試驗(yàn)驗(yàn)證，該措施有效避免了類似直流保護(hù)誤動(dòng)作。

4 基于穩(wěn)控策略的直流系統(tǒng)針對(duì)交流系統(tǒng)故障的自動(dòng)調(diào)節(jié)

(1)功率提升和功率回降功能。以直流系統(tǒng)逆變側(cè)為例，當(dāng)所設(shè)定500kV重載交流線路跳閘后，為維持直流系統(tǒng)受電端交流系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)安穩(wěn)系統(tǒng)啟動(dòng)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的設(shè)定值及變化率快速改變直流功率［10］。

(2)頻率限制功能。當(dāng)交流系統(tǒng)故障引起交流電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，直流控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整直流系統(tǒng)向受電端交流系統(tǒng)輸送的功率值，將電網(wǎng)頻率控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

目前，多直流密集饋入交流系統(tǒng)的形成給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。僅2012年1年內(nèi)交流系統(tǒng)故障就引發(fā)9起多直流同時(shí)換相失敗事件(單直流換相失敗事件不計(jì)，發(fā)生情況更為普遍)、1次直流閉鎖和1次直流保護(hù)誤動(dòng)作事件。隨著未來糯扎渡送廣東、溪洛渡送廣東2個(gè)新建直流工程的相繼投產(chǎn)，類似的事件將更加普遍，嚴(yán)重故障很可能造成電網(wǎng)失穩(wěn)。本文既是運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，又從運(yùn)維的實(shí)際出發(fā)，針對(duì)具體情況提出了初步改進(jìn)意見，能有效提高直流系統(tǒng)對(duì)交流系統(tǒng)故障的抗干擾能力，有助于提高直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)水平，并希望對(duì)未來直流輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供有益的參考。

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