區(qū)域交流電網(wǎng)故障引起直流系統(tǒng)換相失敗的分析

陳鐵敏，浦琴琴，徐 明

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司變電檢修中心，上海 200063）

0 引言

目前，國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)投運(yùn)跨區(qū)直流輸電工程14個(gè)，換流站25座，輸送容量42.25 GW。作為國(guó)家電網(wǎng)主網(wǎng)架的重要組成部分，“十二五”期間，還將有一大批跨區(qū)直流輸電工程開(kāi)工建設(shè)并投運(yùn)。

直流輸電有利于改善兩側(cè)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)的非同步運(yùn)行，是實(shí)施電力資源優(yōu)化配置的重要戰(zhàn)略通道，具有輸送容量大、輸電距離長(zhǎng)、技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備復(fù)雜等特點(diǎn)，因此對(duì)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)提出了更高的要求。

本文敘述一起由區(qū)域電網(wǎng)交流系統(tǒng)故障引起直流系統(tǒng)逆變站換相失敗的事故，通過(guò)分析事故原因和特征，提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，用以提高運(yùn)檢人員分析直流換相失敗的能力和更好地做好運(yùn)行維護(hù)工作。

1 換相失敗的特征與判據(jù)

換相失敗是逆變器常見(jiàn)的故障，當(dāng)逆變器兩個(gè)閥進(jìn)行換相時(shí)，因換相過(guò)程未能進(jìn)行完畢，或者預(yù)計(jì)關(guān)斷的閥關(guān)斷后，在反向電壓期間未能恢復(fù)阻斷能力，當(dāng)加在該閥上的電壓為正時(shí)，立即重新導(dǎo)通，則發(fā)生了倒換相，使預(yù)計(jì)開(kāi)通的閥重新關(guān)斷，這種現(xiàn)象稱之為換相失?。?］。由逆變器多種故障所造成的結(jié)果均會(huì)引起換相失敗，如逆變器換流閥短路、逆變器丟失觸發(fā)脈沖、逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障等均會(huì)引起換相失敗。

換相失敗有以下特征：關(guān)斷角小于換流閥恢復(fù)阻斷能力的時(shí)間；6脈動(dòng)逆變器的直流電壓在一定時(shí)間內(nèi)下降到零；直流電流短時(shí)增大；交流側(cè)短時(shí)開(kāi)路，電流減??；基波分量進(jìn)入直流系統(tǒng)。

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗故障時(shí)，為避免對(duì)系統(tǒng)造成傷害，根據(jù)換相失敗的上述特征，直流保護(hù)系統(tǒng)采用換相失敗保護(hù)，其判據(jù)為：

式中：IacY、IacD分別為換流變閥側(cè)電流；IdP為直流極母線電流；IdNC為中性母線電流。

換相失敗保護(hù)檢測(cè)到故障后，先進(jìn)行短暫的延時(shí)，以確認(rèn)故障的發(fā)生。保護(hù)首先報(bào)警，并采取一定措施防止連續(xù)換相失敗。在正常情況下投旁通對(duì)時(shí)，該保護(hù)功能自動(dòng)退出。保護(hù)動(dòng)作后果：換相失敗告警；增大熄弧角命令；啟動(dòng)極控系統(tǒng)切換命令；緊急停運(yùn)；跳交流斷路器；啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)；鎖定斷路器；極隔離。

2 換相失敗事故分析

2.1 事故特征

1）交流系統(tǒng) 在逆變站雙極直流系統(tǒng)出現(xiàn)換相失敗故障的同時(shí)，交流電網(wǎng)中110 k V線路曾出現(xiàn)故障跳閘，同時(shí)交流電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率、電壓和供電負(fù)荷均受到不同程度的影響：系統(tǒng)頻率最高升至50.446 Hz，最低至49.799 Hz；220 k V交流系統(tǒng)的電壓大幅跌落，其余各電壓等級(jí)系統(tǒng)的電壓也受到不同程度的影響；由于受電壓波動(dòng)的影響，還造成交流電網(wǎng)的負(fù)荷略有波動(dòng)。

2）直流系統(tǒng) 在故障發(fā)生時(shí)，OWS事件發(fā)S2 P1PR1 A／B和S2 P2PR1 A／B系統(tǒng)，“換流器換相失敗被檢測(cè)到”、“檢測(cè)系統(tǒng)低交流電壓被檢測(cè)到”、“保護(hù)發(fā)出增大GAM MA角命令”；換流器換相失敗，極Ⅰ在61 ms復(fù)歸、極Ⅱ在53 ms復(fù)歸。該直流換流站發(fā)生2次由于區(qū)域電網(wǎng)故障引起的換相失敗，故障期間導(dǎo)致該區(qū)域電網(wǎng)的頻率分別為50.45 Hz和50.8 Hz，造成了重大的影響。

初步分析認(rèn)為，這是一起由區(qū)域電網(wǎng)的交流故障引起直流系統(tǒng)逆變站換相失敗的事故。

2.2 事故原因

2.2.1 直流系統(tǒng)

1）極I擾動(dòng)分析 2012年4月5日20：14：55：772，極I換相失敗原因分析錄波圖，如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，在標(biāo)線0.580 s后，交流電壓的變化引起直流電壓略有下降，因此交流／直流電流上升。由觸發(fā)角和關(guān)斷角變化可見(jiàn)，換相失敗前為維持直流電壓，電壓控制使觸發(fā)角又增大1.0°，關(guān)斷角控制還未投入減小觸發(fā)角，關(guān)斷角裕度仍不能補(bǔ)償換相電壓畸變?cè)斐傻南辔黄疲?7.6 ms后實(shí)測(cè)關(guān)斷角，由正常時(shí)的23°降到4.0°，首先D橋6號(hào)閥向2號(hào)閥的換相失敗，緊接著Y橋3號(hào)閥向5號(hào)閥換相也發(fā)生失敗。圖1中換相失敗標(biāo)記先于交流欠壓標(biāo)記發(fā)出，說(shuō)明交流電壓的波形畸變影響大于幅值下降的影響。

圖1 極Ⅰ換相失敗原因分析

2012年4月5日20：14：55：772，極Ⅰ換相失敗影響分析錄波圖，如圖2所示。

圖2 極Ⅰ換相失敗影響分析

由圖2可見(jiàn)，這次由交流系統(tǒng)故障引起的換相失敗擾動(dòng)，經(jīng)過(guò)612 ms恢復(fù)。在換相失敗前交流電壓有效值僅下降2 k V，由于2個(gè)換流器先后發(fā)生換相失敗，直流電壓下降到零，直流電流最大高達(dá)1 506 A；換相失敗后約60 ms直流電流被整流側(cè)電流調(diào)節(jié)器控制到零。在此之前，除了直流瞬時(shí)短路之外，交流側(cè)電流隨著直流側(cè)電流變化，換流站吸收的無(wú)功功率增加255 Mvar，換相電壓有效值由正常時(shí)的131 k V降到69 k V。在此之后，向系統(tǒng)增加吸收的無(wú)功功率下降到零，交流換相電壓恢復(fù)；換相失敗標(biāo)記為53 ms，交流欠壓標(biāo)記為82 ms消除；故障后直流電流經(jīng)過(guò)208 ms，直流電壓經(jīng)過(guò)294 ms逐漸恢復(fù)。

從圖2還可以看到，在故障2 s后還有一個(gè)15 ms的擾動(dòng)，交流母線電壓有效值從133.1 k V降到129.9 k V，直流電流增加40 A。這是某交流線路重合引起的，由于重合不成功故障線路切除，未再引起直流系統(tǒng)換相失敗，擾動(dòng)后225 ms恢復(fù)。

2）極Ⅱ擾動(dòng)分析 2012年4月5日20：14：55：772，極Ⅱ換相失敗原因分析錄波圖，如圖3所示。

圖3 極Ⅱ換相失敗原因分析

由圖3可見(jiàn)，在標(biāo)線0.581 s后，交流電壓的變化引起直流電壓下降，因此交流／直流電流上升，9 ms后關(guān)斷角由正常時(shí)的22°降到4.0°，首先Y橋6號(hào)閥向2號(hào)閥換相失敗，緊接著D橋6號(hào)閥向2號(hào)閥也換相失敗。如圖3顯示，換相失敗標(biāo)記先于交流欠壓標(biāo)記發(fā)出，說(shuō)明交流電壓的波形畸變影響大于幅值下降的影響。

2012年4月5日20：14：55：772，極Ⅱ換相失敗影響分析錄波圖，如圖4所示。

圖4 極Ⅱ換相失敗影響分析

由圖4可見(jiàn)，這次交流系統(tǒng)故障引起的換相失敗擾動(dòng)，543 ms就完全恢復(fù)。在換相失敗前交流電壓有效值還未來(lái)得及反應(yīng)，由于2個(gè)換流器先后發(fā)生換相失敗，直流電壓下降到零，直流電流最大達(dá)到1 518 A。換相失敗后約59 ms，直流電流被整流側(cè)電流調(diào)節(jié)器控制到零；在此之前，直流短路時(shí)間很短，短路解除后交流側(cè)電流隨著直流側(cè)電流變化，換流器吸收的無(wú)功功率也迅速增加255 Mvar，換相電壓有效值由正常時(shí)的131 k V降到69 k V。在此之后，向系統(tǒng)增加吸收的無(wú)功功率下降到零，交流換相電壓恢復(fù)；換相失敗標(biāo)記為61 ms，交流欠壓標(biāo)記為71 ms消除；故障后的直流電流經(jīng)過(guò)219 ms，直流電壓經(jīng)過(guò)314 ms后逐漸恢復(fù)。同極Ⅰ一樣，在故障2 s時(shí)還有一個(gè)擾動(dòng)。

比較兩個(gè)極換相失敗時(shí)間，極Ⅱ比極Ⅰ早發(fā)生8 ms，這是由于交流系統(tǒng)故障的地點(diǎn)和故障時(shí)刻，對(duì)逆變站換相電壓的畸變影響造成的；對(duì)于換流母線電壓和與系統(tǒng)交換的無(wú)功功率兩個(gè)極是共同作用的。

3 仿真分析

對(duì)換流站母線的電壓和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率進(jìn)行仿真，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果曲線如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果曲線

根據(jù)實(shí)測(cè)曲線，故障期間換流站母線非故障相電壓跌落至50%，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率最高升至50.44 Hz。仿真結(jié)果顯示，換流站母線非故障相電壓跌落至50%，系統(tǒng)頻率最高升至50.4 Hz，基本再現(xiàn)了事故期間的系統(tǒng)響應(yīng)。

綜合以上分析不難發(fā)現(xiàn)：

1）本次故障由交流系統(tǒng)的擾動(dòng)引起，110 k V線路發(fā)生了B相接地短路，換流站母線電壓略有下降，引起直流電壓下降、直流電流上升、換相角加大，換流器吸收無(wú)功功率增加，而使母線電壓畸變導(dǎo)致實(shí)際關(guān)斷角快速減小，逆變側(cè)定關(guān)斷角控制還未起作用，就發(fā)生了換相失敗。

2）在換相失敗故障發(fā)生后，由于逆變器直流側(cè)暫時(shí)短路，引起直流電流的快速大幅增加和直流電壓的下降；直流短路解除時(shí)，交流電流隨著直流電流的增加而增加，換流單元吸收的無(wú)功功率大幅度增加，交流母線電壓畸變，幅值大幅度下降；之后，在整流側(cè)電流控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，直流電流下降到零，換流單元吸收的無(wú)功功率接近為零，交流母線電壓開(kāi)始恢復(fù)；隨后交流故障切除，直流系統(tǒng)也逐漸恢復(fù)。

3）在故障2 s后還有一擾動(dòng)，這是110 k V線路重合閘引起的，由于重合不成功故障線路切除，擾動(dòng)時(shí)間較短，未再引起直流系統(tǒng)換相失敗。由于交流電壓降低期間，區(qū)域電網(wǎng)機(jī)組加速和切除了部分負(fù)荷，以及直流系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)調(diào)，造成該區(qū)域電網(wǎng)頻率暫時(shí)升高。

4）交流系統(tǒng)由于故障地點(diǎn)和時(shí)刻的不同，對(duì)換流站換相電壓的影響也不同，造成換相失敗發(fā)生時(shí)刻和程度也有所不同。所以，逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障，直流輸電系統(tǒng)逆變器是否發(fā)生換相失敗，主要與換流母線電壓相位的變化有關(guān)。這不僅取決于故障點(diǎn)到換流站的電氣距離，而且與逆變側(cè)電網(wǎng)的強(qiáng)弱、運(yùn)行方式，與故障地點(diǎn)、形式、短路阻抗和時(shí)刻有關(guān)。

5）為了找出精確的換相失敗范圍，可以建立特定電網(wǎng)全網(wǎng)詳細(xì)的實(shí)時(shí)仿真模型，逐一對(duì)不同運(yùn)行方式、不同故障形式進(jìn)行試驗(yàn)，從而得出交流系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下，不同故障點(diǎn)對(duì)直流系統(tǒng)換相失敗的影響程度。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，采用晶閘管半控技術(shù)的逆變器，在各個(gè)直流系統(tǒng)中換相失敗的事故時(shí)有發(fā)生，原因各不相同，逆變器換流閥短路、逆變器丟失觸發(fā)脈沖、逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障是引起換相失敗的常見(jiàn)原因。特別是在互聯(lián)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，引起逆變器換相失敗是難以避免的。問(wèn)題是如何在大直流小系統(tǒng)的電網(wǎng)中，減少換相失敗的概率和影響。

綜合本次交流系統(tǒng)故障分析，交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路，使換流站母線電壓略有下降，引起直流電壓下降、直流電流上升、換相角加大、換流器吸收無(wú)功功率增加，而使母線電壓畸變或幅值減小，最終導(dǎo)致?lián)Q相失敗。直流降壓運(yùn)行有助于減少電網(wǎng)故障發(fā)生換相失敗的概率。與直流全壓運(yùn)行比較，直流降壓運(yùn)行交流系統(tǒng)故障引起直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的范圍有所縮小。

直流輸電系統(tǒng)作為主網(wǎng)架的重要組成部分，在能源戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要而積極的作用，直流換流站的故障對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，結(jié)合本次事故暴露的問(wèn)題給出合理的建議，以提高跨區(qū)電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

［1］ 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004.