500kV林楓直流輸電系統(tǒng)雙極閉鎖案例分析

梁志峰

(國家電力調(diào)度控制中心，北京　100031)

Case Study on Bipolar Blocking of 500kV Linfeng HVDC Transmission SystemLIANG Zhifeng

(National Electric Power Dispatching and Communication Centre, Beijing 100031, China)

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500kV林楓直流輸電系統(tǒng)雙極閉鎖案例分析

梁志峰

(國家電力調(diào)度控制中心，北京100031)

0引言

截止2013年10月，國家電網(wǎng)公司已建成的高壓直流輸電工程有十五條，“十二五”期間，還將規(guī)劃新建十余個(gè)直流輸電工程，高壓直流輸電已在我國電力網(wǎng)絡(luò)中起著舉足輕重的作用[1-4]，直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的影響日益顯著。

林楓直流輸電系統(tǒng)于2011年5月2日正式投入商業(yè)運(yùn)行，雙極額定功率3 000MW，額定電壓±500kV，額定電流3 000A，每極采用兩組6脈動(dòng)換流閥串聯(lián)。林楓直流輸電線路全長(zhǎng)978km，其中908km與葛南直流輸電線路同桿并架，與龍政直流龍泉換流站共用青臺(tái)接地極，接地極線路長(zhǎng)33.9km。楓涇換流站通過2回500kV交流線路與特高壓練塘站直接相連。

本文詳細(xì)介紹了2013年8月19日500kV林楓直流因換相失敗保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致的雙極閉鎖故障，分析總結(jié)故障深層次原因，并提出相關(guān)建議，對(duì)直流輸電工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理具有一定的參考意義。

1故障概況

1.1故障前運(yùn)行方式

故障發(fā)生前，林楓直流系統(tǒng)以雙極大地回線方式運(yùn)行，功率控制方式為雙極功率控制，運(yùn)行電壓為額定±500kV，雙極輸送功率為華中送華東172萬kW；三峽電廠共21臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，全廠上網(wǎng)電力1 336萬kW；受端華東電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)19 075萬kW，系統(tǒng)頻率49.99Hz；送端華中電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)12 500萬kW，系統(tǒng)頻率50.00Hz。楓涇站直流結(jié)構(gòu)見圖1所示。圖1(a)所示為500kV林楓直流楓涇換流站的直流接線圖，圖1(b)為楓涇站極I閥廳內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

1.2故障基本情況

2013年8月19日10:00:34，楓涇站林楓直流發(fā)生11次連續(xù)換相失敗，換相失敗保護(hù)動(dòng)作閉鎖直流，損失功率172萬kW；直流送端安控裝置動(dòng)作切除三峽2臺(tái)機(jī)組，合計(jì)出力127萬kW。華中電網(wǎng)頻率由50.00Hz升高至50.03Hz，華東電網(wǎng)頻率由49.99Hz最低至49.91Hz。10:13，三峽電廠被安控切除機(jī)組相繼恢復(fù)并網(wǎng)；10:15，林楓直流損失功率由宜華、龍政、葛南直流轉(zhuǎn)帶支援華東電網(wǎng)。故障時(shí)刻，華東電網(wǎng)上海地區(qū)1 000kV特高壓練塘站正在進(jìn)行1 000kV 練塘#2主變500kV側(cè)充電試驗(yàn)。

2故障過程分析

2.1林楓直流換相失敗保護(hù)配置情況

換相失敗保護(hù)用于檢測(cè)交流系統(tǒng)故障或其他異常換相條件引起的換相失敗故障[5-6]。6脈動(dòng)橋換相失敗的明顯特征是交流側(cè)相電流降低，而直流側(cè)電流升高。換相失敗可能是由一種或多種故障引起，如閥控脈沖發(fā)送錯(cuò)誤、交流電網(wǎng)故障等[7-8]。

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。發(fā)生換相失敗時(shí)，保護(hù)首先告警，并采取一定措施防止連續(xù)換相失敗。保護(hù)動(dòng)作順序：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→移相閉鎖直流。在正常情況下投旁通對(duì)時(shí)，換相失敗保護(hù)功能會(huì)自動(dòng)退出。林楓直流換相失敗保護(hù)的判據(jù)如下：

式中：IacY、IacD為換流變閥側(cè)電流；Id=max[IdP,IdNC]；IdP為直流極母線電流；IdNC為中性母線電流；K1、K2為廠家設(shè)定值(參考K1取0.1，K2取0.65)。

換相失敗保護(hù)定值包括告警段和跳閘段。

告警段：延時(shí)3ms，仍檢測(cè)到換相失敗告警時(shí)，同時(shí)增大熄弧角。

跳閘段：延時(shí)1.8s，切換極控系統(tǒng)；延時(shí)2.6s，緊急閉鎖直流(展寬500ms)。

2.2楓涇站換相失敗保護(hù)動(dòng)作過程分析

2.2.1換相失敗動(dòng)作過程事件記錄

圖2　練塘站1000kV#2主變500kV側(cè)三相勵(lì)磁涌流波形圖

2013年8月19日10:00:34:015(圖2的起始零時(shí)刻)，華東電網(wǎng)練塘變電站1 000kV #2主變500kV側(cè)空充時(shí)，產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，最大峰值達(dá)約4 600A，持續(xù)時(shí)間超過10s(大于直流換相失敗保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間)，引起楓涇站母線電壓畸變。練塘站#2主變勵(lì)磁涌流波形如圖2所示。10:00:34:048(圖3～圖7的起始零時(shí)刻)開始，楓涇站林楓直流極I、極II的換相失敗保護(hù)告警11次，同時(shí)增大熄弧角。

10:00:35:847，楓涇站林楓直流極I、極II換相失敗保護(hù)切換段動(dòng)作，切換極控系統(tǒng)。

10:00:36:658，楓涇站林楓直流極I、極II的換相失敗保護(hù)跳閘動(dòng)作閉鎖直流。詳細(xì)事件記錄詳見表1。

表1　楓涇站林楓直流換相失敗保護(hù)動(dòng)作情況

2.2.2楓涇站換相失敗保護(hù)動(dòng)作情況分析

從事件記錄可知，楓涇站林楓直流雙極從第一次換相失敗到直流閉鎖時(shí)間為2.6s，在這2.6s內(nèi)共發(fā)生11次雙6脈動(dòng)換流器換相失敗，每次換相失敗間隔時(shí)間220～260ms。換相失敗告警段動(dòng)作1.8s后，切換極控系統(tǒng)；2.6s后，跳閘段動(dòng)作閉鎖直流。

林楓直流極I換相失敗電流峰值達(dá)到6 335A，極II換相失敗電流峰值達(dá)到6 465A，滿足直流雙橋換相失敗保護(hù)動(dòng)作條件，直流保護(hù)系統(tǒng)按設(shè)定邏輯正常動(dòng)作。極I的換相失敗錄波圖如圖3所示。換相失敗期間，楓涇站運(yùn)行工作站還報(bào)出大量“閥非正常關(guān)斷，重觸發(fā)”信號(hào)。

第一次換相失敗發(fā)生后，換相失敗保護(hù)功能起作用，逆變側(cè)觸發(fā)角由148°下降至118°，降幅30°；在后續(xù)換相失敗中，逆變側(cè)觸發(fā)角由139°下降至118°，降幅21°，如圖4所示。換相失敗造成的最大直流電流為6 850A，在每次換相失敗恢復(fù)過程中，直流電壓恢復(fù)至425kV左右，直流電流恢復(fù)至3 200A左右。而按照定功率控制指令值計(jì)算，此時(shí)直流電流指令大于按功率指令和實(shí)際直流電壓計(jì)算出的參考值約為2 030A，由此可推斷此時(shí)參與計(jì)算的直流電壓值偏小。也就是說在發(fā)生換相失敗后直流恢復(fù)過程中極控系統(tǒng)的電流指令值過高，也會(huì)在一定程度上促使后續(xù)換相失敗的發(fā)生。

圖3　楓涇站林楓直流極I連續(xù)換相失敗故障錄波圖

圖4　楓涇站極I觸發(fā)角、關(guān)斷角、電壓及電流等波形圖

2.2.3楓涇站換相失敗原因分析

以林楓直流極I Y橋波形為例，如圖5所示。T1故障時(shí)刻前，上橋臂閥4導(dǎo)通，下橋臂閥5導(dǎo)通。T1時(shí)刻，上橋臂由閥4向閥6換相，受反相電壓影響，流過橋臂閥4電流逐漸減小，流過橋臂閥6電流逐漸增加；在T1到T2時(shí)刻間，流過閥4電流短暫為零后又重新增加，此時(shí)閥6由于受反相電壓作用，流過閥6電流過零后關(guān)斷；在T2時(shí)刻，下橋臂流過閥5電流過零關(guān)斷，閥1開始導(dǎo)通；T2時(shí)刻后，由于上橋臂閥4導(dǎo)通，下橋臂閥1導(dǎo)通，A相橋臂形成旁通對(duì)，導(dǎo)致直流側(cè)短路，直流電流升高，換流變閥側(cè)電流均為零。綜上所述，極I Y橋的第一次換相失敗發(fā)生在閥4向閥6換相時(shí)刻。

經(jīng)過對(duì)每一次換相失敗波形的仔細(xì)分析，在本次故障中換相失敗的發(fā)生有兩種情況，一種為由交流電壓畸變引起換相失??；另一種為閥控系統(tǒng)誤觸發(fā)引起換相失敗。

以下選擇了兩種情況下的典型波形進(jìn)行分析。

圖5　楓涇站林楓直流極I換相失敗波形圖

圖6　楓涇站林楓直流極I第1次換相失敗波形

圖7　楓涇站林楓直流極II第5次換相失敗波形

交流電壓波形畸變引起的換相失敗如圖6所示，由于交流電壓發(fā)生畸變，Y橋閥1在關(guān)斷過程中承受反向電壓時(shí)間變短，測(cè)得關(guān)斷角為9°，推測(cè)未正常關(guān)斷，在UA大于UB、線電壓UAB過零之后，承受正向電壓，又重新導(dǎo)通(閥1電流在0附近的持續(xù)時(shí)間有0.8ms)；在閥Y4正常觸發(fā)導(dǎo)通后，形成閥Y1、閥Y4旁通對(duì)，直流短路，發(fā)生換相失敗。閥重觸發(fā)引起的換相失敗如圖7所示，對(duì)于Y橋，閥3和閥4在故障前正處于正常導(dǎo)通狀態(tài)，之后發(fā)生短路，呈現(xiàn)與投旁通相一致的波形；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)事件信息，報(bào)“極II閥1(B)閥非正常關(guān)斷，重觸發(fā)——產(chǎn)生”，閥1對(duì)應(yīng)Y橋閥1，由于之前閥3，閥4導(dǎo)通，閥1在觸發(fā)之后與閥4形成旁通對(duì)，導(dǎo)致?lián)Q相失敗的發(fā)生。圖7中極II D橋?yàn)榻涣麟妷夯円鸬膿Q相失敗，閥2未正常關(guān)斷，在閥5導(dǎo)通之后形成短路。

2.3楓涇站11次換相失敗原因統(tǒng)計(jì)

楓涇站林楓直流雙極各11次換相失敗發(fā)生原因統(tǒng)計(jì)如表2所示，其中帶顏色底紋的表格表示在該次換相失敗中先發(fā)生故障的6脈動(dòng)閥組，淺灰色底紋表示該次換相失敗中由交流電壓畸變引起的故障，深灰色底紋表示該次換相失敗中由誤觸發(fā)引起的故障，兩個(gè)6脈動(dòng)閥組底紋均有顏色表示兩個(gè)6脈動(dòng)閥組同時(shí)發(fā)生故障。

表2　楓涇站林楓直流換相失敗發(fā)生原因統(tǒng)計(jì)

根據(jù)事件列表對(duì)比可以看出，閥誤觸發(fā)引起短路是換相失敗的重要原因之一。比如：

第2次換相失敗：10:00:34:265報(bào)極I D橋1閥重觸發(fā)，此時(shí)2、3、4閥均在導(dǎo)通，故1和4形成短路，發(fā)生換相失敗。

第5次換相失?。?0:00:34:947報(bào)極2的1閥也就是Y橋1閥重觸發(fā)，此時(shí)3、4在導(dǎo)通，故1和4形成短路，發(fā)生換相失敗。

第6次換相失?。?0:00:35:166報(bào)極I Y橋1閥重觸發(fā)，此時(shí)2、3、4閥均在導(dǎo)通，故1和4形成短路，發(fā)生換相失?。?0:00:35:170報(bào)極II D橋2閥重觸發(fā)，此時(shí)3、4、5閥均在導(dǎo)通，故2和5形成短路，發(fā)生換相失敗。

第7次換相失?。?0:00:35:526報(bào)極2的8閥也就是D橋5閥重觸發(fā)，此時(shí)1、2、6閥均在導(dǎo)通，故2和5形成短路，發(fā)生換相失敗。

第8次換相失?。?0:00:35:824報(bào)極2的1閥也就是Y橋1閥重觸發(fā)，此時(shí)3、4閥均在導(dǎo)通，故1和4形成短路，發(fā)生換相失敗。

第9次換相失?。?0:00:36:111報(bào)極II D橋2閥重觸發(fā)，此時(shí)3、4、5閥均在導(dǎo)通，故2和5形成短路，發(fā)生換相失??；10:00:36:028報(bào)極II Y橋3閥重觸發(fā)，此時(shí)4、5、6閥均在導(dǎo)通，故3和6形成短路，發(fā)生換相失??；10:00:36:043報(bào)極I Y橋1閥重觸發(fā)，此時(shí)2、3、4閥均在導(dǎo)通，故1和4形成短路，發(fā)生換相失敗。

第11次換相失敗：10:00:36:645報(bào)極I D橋1閥重觸發(fā)，此時(shí)2、3、4閥均在導(dǎo)通，故1和4形成短路，發(fā)生換相失敗。

2.4楓涇站連續(xù)換相失敗保護(hù)動(dòng)作分析結(jié)論

通過對(duì)2013年8月19日楓涇站林楓直流因換相失敗保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致直流雙極閉鎖事件的詳細(xì)分析，得出如下結(jié)論：

① 林楓直流雙極閉鎖事件中共發(fā)生11次換相失敗，引發(fā)換相失敗的原因有兩：一是交流電壓畸變引起換相失敗，二是閥誤觸發(fā)引起換相失敗。從第一次換相失敗到直流閉鎖時(shí)間為2.6s，達(dá)到換相失敗保護(hù)閉鎖條件，保護(hù)動(dòng)作正確。

② 在換相失敗后，直流電流恢復(fù)指令值過大，有可能對(duì)后續(xù)過程產(chǎn)生不利影響，需對(duì)功率控制模式下電流指令計(jì)算中直流電壓測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。

③ 閥控系統(tǒng)重觸發(fā)功能的非正常關(guān)斷判斷邏輯存在一定缺陷，需進(jìn)一步優(yōu)化。在林楓直流極 I雙橋換相失敗期間，極I的閥控制單元誤判斷已關(guān)斷閥為非正常關(guān)斷，重新發(fā)出已關(guān)斷閥的觸發(fā)脈沖，使極I已關(guān)斷的閥在承受正向電壓時(shí)由于誤觸發(fā)而重新導(dǎo)通，在之后同一橋臂閥換相時(shí)與其形成旁通對(duì)，導(dǎo)致逆變器換相失敗。

3改進(jìn)措施及相關(guān)建議

通過對(duì)2013年8月19日林楓直流雙極閉鎖事件認(rèn)真分析，提出如下改進(jìn)措施：對(duì)直流控制系統(tǒng)的換相失敗預(yù)測(cè)功能、低壓限流等功能進(jìn)行優(yōu)化，暫時(shí)取消VBE閥控系統(tǒng)重觸發(fā)閥保護(hù)功能(在TE門極觸發(fā)板卡中也有閥重觸發(fā)功能，故不會(huì)對(duì)直流運(yùn)行帶來影響)，同時(shí)對(duì)兩端換流站極控與閥控的接口采取抗干擾措施，以期避免這種周期性換相失敗。

為檢驗(yàn)改進(jìn)措施的實(shí)際功效，于8月24、25日進(jìn)行了林楓直流低功率下的功能驗(yàn)證試驗(yàn)，于9月17日進(jìn)行了林楓直流雙極額定300萬kW工況下功能驗(yàn)證試驗(yàn)，期間對(duì)練塘1 000kV#2主變500kV側(cè)充電，勵(lì)磁涌流幅值5 500A，林楓雙極換相失敗1次；對(duì)練塘1 000kV#4主變500kV側(cè)充電，勵(lì)磁涌流幅值2 300A，林楓直流發(fā)生1次換相失敗，未發(fā)生周期性換相失敗，期間直流運(yùn)行平穩(wěn)。

直流系統(tǒng)換相失敗的產(chǎn)生較多由交流系統(tǒng)擾動(dòng)造成的，然而本文的故障警示我們?cè)诤罄m(xù)的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，應(yīng)加強(qiáng)直流閥控系統(tǒng)深層次隱患排查。為了提高直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，避免因直流連續(xù)換相失敗而閉鎖[9-11]，減少高壓直流輸電系統(tǒng)的故障率，提出以下建議：

① 深度優(yōu)化控保系統(tǒng)配置。直流輸電的控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)的中樞，對(duì)極控、閥控等控保邏輯、參數(shù)設(shè)置等進(jìn)行深度分析與驗(yàn)證，不斷優(yōu)化直流控制和保護(hù)軟件，使直流在換相失敗時(shí)能夠快速準(zhǔn)確地抑制故障電流，減少直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的產(chǎn)生，并在運(yùn)行中對(duì)控制保護(hù)配置的合理性進(jìn)行評(píng)估并適時(shí)調(diào)整，最大限度地提高直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

② 提高交流電網(wǎng)穩(wěn)定水平。交流系統(tǒng)故障或擾動(dòng)是影響直流系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，在進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)需要充分考慮，可通過構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能交流電網(wǎng)來提高直流系統(tǒng)穩(wěn)定水平。

③ 強(qiáng)化運(yùn)行人員素質(zhì)。增強(qiáng)調(diào)度人員對(duì)交直流交互系統(tǒng)特性變化的敏感性，提前做好故障預(yù)案，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的巡視，不斷積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行缺陷，避免直流系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)。

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梁志峰(1984—)，男，高級(jí)工程師, 研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理,E-mail: liang-zhifeng@sgcc.com.cn。

(責(zé)任編輯：楊秋霞)

Case Study on Bipolar Blocking of 500kV Linfeng HVDC Transmission SystemLIANG Zhifeng

(National Electric Power Dispatching and Communication Centre, Beijing 100031, China)

摘要：換相失敗是高壓直流輸電系統(tǒng)常見的故障之一，可導(dǎo)致直流換流閥壽命縮短及逆變側(cè)弱交流系統(tǒng)過電壓等不良后果，嚴(yán)重情況下可能引發(fā)直流閉鎖等。本文以2013年8月19日500kV林楓直流系統(tǒng)楓涇站因換相失敗保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致直流雙極閉鎖為案例，通過對(duì)換相失敗保護(hù)配置及保護(hù)動(dòng)作過程的詳盡分析，總結(jié)本次故障深層次原因，提出改進(jìn)措施并驗(yàn)證其可行性。最后，針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際提出了相關(guān)建議，為直流輸電工程的工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理提供參考。

關(guān)鍵詞：林楓直流；換相失?。浑p極閉鎖

Abstract：Commutation failure is one of the most common faults in high-voltage direct current (HVDC) transmission system, which will shorten life span of the converter valves and cause over-voltage of weak AC system at inverter-side, and it will also result in HVDC blocking fault and other serious problems in severe conditions. The bipolar blocking of 500 kV Linfeng HVDC system caused by continuous commutation failures on August 19 2013 is described as a case here. Through detail discussing the protection configuration in commutation failure and the protection action process of this fault, the deep reason of this fault is summarized, and recommendations and improvements are put forward, whose feasibility is verified. In the end, the related suggestions for real operation of power grid are presented, which provides reference for project design and operation management for HVDC project.

Keywords：linfeng HVDC transmission system; commutation failure; bipolar blocking

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2014-06-18

文章編號(hào)：1007-2322(2015)03-0081-07

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TM722