±800 kV直流輸電交流濾波器過(guò)流保護(hù)

周源，陳國(guó)峰，高暉

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，昆明 650217)

1 前言

特高壓直流輸電系統(tǒng)輸電容量大，換流裝置多，在換流時(shí)產(chǎn)生大量的諧波。諧波會(huì)引起電氣應(yīng)力的增加、發(fā)熱、控制保護(hù)的誤動(dòng)作、干擾通信系統(tǒng)等危害，必須予以抑制。通常采用裝設(shè)交流濾波器的方法來(lái)消除交流側(cè)的諧波，交流濾波器還可以起到調(diào)控電壓和無(wú)功的作用。某±800 kV換流站輸送容量達(dá)5000 MW，輸送距離1373 km，采用雙十二脈動(dòng)閥組串聯(lián)的接線方式，但是孤島運(yùn)行方式下單極閉鎖會(huì)導(dǎo)致A、B型濾波器過(guò)流保護(hù)異常動(dòng)作，須深入分析研究，采取措施避免該保護(hù)誤動(dòng)作。

2 系統(tǒng)配置

2.1 交流濾波器的配置

±800 kV換流站的換流器的脈動(dòng)數(shù)為十二，交流側(cè)產(chǎn)生的諧波次數(shù)為12k±1(k為正整數(shù))，且特征諧波次數(shù)越高，其有效值越小。為此裝設(shè)了4個(gè)大組交流濾波器，共17小組，每個(gè)小組均提供額定無(wú)功187 Mvar，總共可提供的無(wú)功功率為3179 Mvar，有四種類型:A:DT(11/24)、B:DT(13/36)、C:HP3、D:Shunt C。接線如圖1所示。

圖1 換流站交流濾波器配置圖

2.2 交流濾波器過(guò)流保護(hù)

交流濾波器過(guò)流保護(hù)主要保護(hù)濾波器組或并聯(lián)電容器組，防止過(guò)電流的損壞，固定采用濾波器高壓端電流。其電流定值可整定為交流濾波器做大可能通過(guò)電流的均方根的1.2倍，延時(shí)應(yīng)該考慮濾波器的熱穩(wěn)定因素，同時(shí)需要考慮躲開(kāi)交流線路故障及恢復(fù)的最長(zhǎng)時(shí)間。對(duì)于楚穗直流和普僑直流，還應(yīng)考慮孤島運(yùn)行方式下單極閉鎖時(shí)短時(shí)過(guò)壓及頻率升高的情況下不會(huì)誤動(dòng)。該保護(hù)在濾波器首端電流互感器的采樣電流達(dá)到保護(hù)動(dòng)作定值的0.95倍時(shí)啟動(dòng)，開(kāi)放保護(hù)正電源，達(dá)到保護(hù)定值后，經(jīng)動(dòng)作延時(shí)出口，跳開(kāi)相應(yīng)小組濾波器。

2.3 直流孤島運(yùn)行方式

楚穗直流正常運(yùn)行有聯(lián)網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行方式。以下三種情況下將采用孤島運(yùn)行方式:一是當(dāng)汛末云南面臨全面棄水或小灣水庫(kù)接近蓄滿后，小灣電廠出力不再受流域優(yōu)化限制時(shí);二是當(dāng)云南外送電力需求超過(guò)9600 MW時(shí);三是當(dāng)楚穗直流聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，云南總外送功率大于8400 MW時(shí) (直流輸送功率大于3800 MW，500 kV交流斷面按最大能力4050 MW滿送、另外魯布革電廠通過(guò)220 kV外送550 MW)，雙極閉鎖大功率潮流轉(zhuǎn)移將導(dǎo)致主網(wǎng)功角失穩(wěn)時(shí)。由此可見(jiàn)，孤島運(yùn)行對(duì)增大云南外送電量及增強(qiáng)主網(wǎng)穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢(shì)，但是孤島運(yùn)行方式下單極閉鎖時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)過(guò)電壓 (交流場(chǎng)線電壓最高達(dá)到640 kV左右)及高頻率 (達(dá)到55 Hz左右)，對(duì)設(shè)備形成嚴(yán)峻考驗(yàn)，極易造成設(shè)備損壞，甚至發(fā)生單極閉鎖演變成雙極閉鎖的嚴(yán)重事故。

3 實(shí)例分析

楚穗直流孤島調(diào)試進(jìn)行極I單極保護(hù)出口閉鎖試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員人工設(shè)置27DC直流低電壓保護(hù)使極I閉鎖，極I閉鎖后3.2 s，直流功率由閉鎖前約4905 MW快速降到3500 MW(極II三秒過(guò)負(fù)荷1.4 pu)，因直流功率大幅降低，換流器消耗無(wú)功功率相應(yīng)大幅減少，導(dǎo)致楚雄換流站交流電壓快速升高至612 kV左右，直流站控過(guò)電壓限制控制邏輯啟動(dòng)切交流濾波器小組 (交流母線電壓大于588 kV后延時(shí)1秒啟動(dòng)，約160 ms切除一組ACF小組)，共切除4小組D型交流濾波器，楚雄站交流電壓在極I閉鎖后約1.72 s被控制在580 kV左右。

極I閉鎖后3.2 s，極2經(jīng)過(guò)3 s的1.4倍過(guò)負(fù)荷后，極II輸送功率降為1.1倍過(guò)負(fù)荷，因有功功率再次大幅降低導(dǎo)致閥組消耗無(wú)功再次大幅減少，導(dǎo)致楚雄站500 kV交流母線電壓由582 kV左右快速升高至605 kV以上，從現(xiàn)場(chǎng)錄波TFR可見(jiàn)，此時(shí)直流站控過(guò)電壓限制控制邏輯再次啟動(dòng)發(fā)出切交流濾波器小組命令，但因PSD故障而使交流濾波器小組未能切除，極II三秒過(guò)負(fù)荷結(jié)束后約2 s，楚雄站運(yùn)行中的全部8小組A、B型交流濾波器因過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘，從而使直流運(yùn)行不滿足最小交流濾波器要求 (無(wú)A、B型濾波器)，導(dǎo)致極II因FASOFF動(dòng)作最終閉鎖。從故障錄波波形上看，500 kV 563、564、571、572、581、582、594、595小組濾波器首端CT電流在故障時(shí)間內(nèi)三相交替或同時(shí)大于保護(hù)定值272 A(二次值0.68 A)，且持續(xù)時(shí)間均達(dá)到動(dòng)作時(shí)間2 s，滿足動(dòng)作邏輯，保護(hù)動(dòng)作正確。595小組濾波器保護(hù)的錄波如圖2所示，其余小組濾波器的錄波與此類似。

圖2 595小組濾波器保護(hù)錄波圖

圖中可看出，單極閉鎖后，交流場(chǎng)母線電壓最高達(dá)到640.2 kV，頻率最高達(dá)到55.2 Hz，交流濾波器首端電流上升到292 A(二次值為0.73 A)左右。

從此次保護(hù)動(dòng)作行為上看，雖然另一極閉鎖原因是由于PSD裝置故障未發(fā)小組濾波器切除指令而導(dǎo)致A、B小組濾波器過(guò)流，但是單極閉鎖后電壓和頻率均會(huì)升高，對(duì)交流濾波器的影響必須加以考慮，即原來(lái)的定值0.68 A/2 s(A、B型)需要作出調(diào)整，以適應(yīng)之后的孤島運(yùn)行方式。

4 過(guò)流保護(hù)整定原理

4.1 穩(wěn)態(tài)額定值計(jì)算原理

穩(wěn)態(tài)額定值計(jì)算的原理如圖3所示。

圖3 交流濾波器定值計(jì)算原理圖

圖3中為等效的系統(tǒng)諧波源，為等效的換流器諧波源，、分別是等效的系統(tǒng)阻抗和濾波器阻抗。定值計(jì)算首先要考慮換流器諧波。斷開(kāi)K1，閉合K2、K3，計(jì)算系統(tǒng)阻抗與濾波器阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，換流器諧波在濾波器元件上引起的應(yīng)力。斷開(kāi)K2，閉合K1、K3，計(jì)算系統(tǒng)阻抗與濾波器阻抗發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，系統(tǒng)諧波在濾波器元件上引起的應(yīng)力。根據(jù)上述兩種諧波源影響下濾波器元件上所受到的應(yīng)力，來(lái)確定濾波器元件定值參數(shù)。

4.2 穩(wěn)態(tài)額定值計(jì)算

在性能計(jì)算得到滿足要求的交流濾波器配置和確定投切策略之后，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)額定值計(jì)算，最終決定交流濾波器穩(wěn)態(tài)額定值結(jié)果。性能計(jì)算和穩(wěn)態(tài)額定值計(jì)算的流程圖如圖4所示。在穩(wěn)態(tài)額定值計(jì)算之后，計(jì)算交流濾波器暫態(tài)額定值，以確定交流濾波器元件的最終定值。

按照上述方法，計(jì)算出的A型交流濾波器的電容器電壓電流值如表1。

圖4 性能計(jì)算和穩(wěn)態(tài)額定值計(jì)算流程圖

直流交流濾波器接線方式及參數(shù)如圖5。

圖5 ±800 kV楚雄換流站交流濾波器接線及參數(shù)

表1 換流站A型電容穩(wěn)態(tài)額定值計(jì)算結(jié)果 (均方根)

根據(jù)上述參數(shù)，在PSCAD軟件上進(jìn)行仿真分析，正常運(yùn)行時(shí)交流濾波器首端電流均在200 A(變比400/1，二次值為0.5 A)左右.孤島運(yùn)行方式下單極閉鎖的情況，A、B型交流濾波器的首端電流都能在4 s內(nèi)下降到272 A(二次值0.68 A)以下，C型交流濾波器能在2 s內(nèi)降到320 A(二次值0.8 A)以下，D型交流濾波器能在2 s內(nèi)降到316 A(二次值0.79 A)以下。同時(shí)，交流濾波器首端最大電流還應(yīng)考慮各元件允許的最大運(yùn)行電流。綜合上述各種因素，A、B型交流濾波器過(guò)流保護(hù)的電流定值設(shè)置為0.68 A是合適的，但是時(shí)間延時(shí)應(yīng)由2 s改為4 s較為合適，C型與D型交流濾波器過(guò)流保護(hù)的定值分別為0.8 A/2 s、0.79 A/2 s。

針對(duì)換流站在孤島運(yùn)行方式下出現(xiàn)的過(guò)壓和高頻的情況，應(yīng)更改A、B型交流濾波器的過(guò)流保護(hù)定值，宜將過(guò)流保護(hù)延時(shí)由2 s改為4 s，確保一次設(shè)備在可承受的電壓電流條件下，不發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)交流濾波器穩(wěn)態(tài)額定值計(jì)算原理和模型，計(jì)算出合適的過(guò)流保護(hù)定值，使楚雄換流站在孤島運(yùn)行方式下，不會(huì)因電壓和頻率的升高而誤動(dòng)，減少由單極閉鎖發(fā)展成雙極閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)。

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