云南異步聯(lián)網(wǎng)工程直流避雷器異常動作原因分析及改進措施研究

楊躍輝，王 磊，楊貴軍，葛 菁，鄧柱鋒，鐘正旋，王 坤，陳田濟帆

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義562400）

0 引言

云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程魯西背靠背換流站（簡稱魯西站）采用常規(guī)直流和柔性直流并列運行，是云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)架異步聯(lián)網(wǎng)的北通道，是南方電網(wǎng)主網(wǎng)架與云南電網(wǎng)之間的安全閥，投運后可以提高整個南方電網(wǎng)主網(wǎng)架的安全穩(wěn)定運行。

常規(guī)直流在運行過程中，不考慮換相過沖時換流閥上承受的電壓最大值達到換流器理想空載直流電壓的 3π倍，即換流變閥側繞組線電壓的峰值[1-6]。由于交流系統(tǒng)暫態(tài)過電壓、換流器換相失敗或丟失脈沖等故障時，在直流側可能產生較大的過電壓。為了防止直流過電壓對換流閥的威脅，通常在換流閥上并聯(lián)非線性好、滅弧能力強、通流容量大的氧化鋅避雷器，釋放能量，緩解換流閥上存在的應力[7-13]。

魯西站常規(guī)直流于2016年6月份開始調試，在調試過程中，在交流系統(tǒng)短路故障、模擬丟失除觸發(fā)脈沖等試驗時，多次出現(xiàn)換流閥上并聯(lián)的直流避雷器動作。筆者結合魯西站常規(guī)直流調試過程中的直流避雷器動作情況進行分析，查找避雷器動作原因，提出改進措施。

1 避雷器動作情況

1.1 魯西站直流避雷器配置情況

在背靠背高壓直流換流站站中，直流側通常配置閥避雷器（V）。魯西站常規(guī)直流采用對稱單極極限方式，云南側通過避雷器（E）直接地，廣西側直接接地，換流器采用12脈動的四重閥結構，在每個換流閥上并聯(lián)直流避雷器（V），E型避雷器和V避雷器的峰值連續(xù)運行電壓CCOV分別為120.2 kV和210 kV，魯西站共配置E型避雷器1臺、V型避雷器24臺。

1.2 調試期間直流避雷器動作情況

2016年06月18日魯西站常規(guī)直流調試工作啟動后，在調試期間，常規(guī)直流換流閥上并聯(lián)的直流避雷器多次動作，動作情況統(tǒng)計見表1。從表1可以看出，在常規(guī)單元在運行過程中，因換相失敗、觸發(fā)脈沖丟失等故障情況下，直流避雷器動作了4次，云南側的E避雷器動作，廣西側的換流閥并聯(lián)的避雷器動作。

表1 魯西站常規(guī)直流調試期間避雷器動作情況Table 1 Action of lightning arrester during regular DC debugging operation in Luxi Station

2 原因分析

2.1 避雷器檢查情況

在避雷器動作后，利用停電機會對魯西站常規(guī)直流單元的閥避雷器進行檢查，發(fā)現(xiàn)避雷器的動作次數(shù)確實增加，并對常規(guī)直流閥廳內的所有避雷器進行外觀檢查、絕緣電流測試和交流泄露電流測試等工作[14-15]，均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，可以判斷非避雷器故障引起的直流避雷器動作。

2.2 故障錄波分析

圖1為2016年07月02日20時07分常規(guī)換相失敗時的錄波，從故障錄波可以看出，換相失敗在直流電流降低后，由于整流側為電流控制模式，為了穩(wěn)定直流電流，整流側將降低觸發(fā)提升直流，直至觸發(fā)角逐漸降至最小值5°，整流側進入最小觸發(fā)角控制模式，此時逆變側則接管電流控制模式，由于此時電流為零，電流控制將逆變側的低觸發(fā)角降至110°，造成換流閥上電壓較高，超過換流閥上并聯(lián)的直流避雷器動作閥值，引起避雷器動作。

圖1 換相失敗的故障錄波Fig.1 Failure recording of commutation failure

3 改進措施

通過上述分析，可以判斷非設備故障引起的避雷器動作，可以考慮改善控制系統(tǒng)的控制策略，降低零電流時換流閥上電壓應力，避免直流避雷器動作，對此，對魯西站常規(guī)直流控制系統(tǒng)進行以下兩方面的優(yōu)化。

3.1 調整最小觸發(fā)角的策略

原有程序中，最小觸發(fā)角固定為5°，從前面的分析可知，換相失敗過程中，電流降為零時整流側進入最小觸發(fā)角模式，在換流閥上產生較高的電壓應力，對此，修改最小觸發(fā)角的控制策略，在直流電流低于0.08 pu，將最小觸發(fā)角提升至10°，可以減小直流斷流期間，通過整流側換流器輸出并作用于逆變側換流閥上的電壓應力，防止避雷器動作。

3.2 修改Gamma0功能的啟動策略

當電流為零后，整流側進入最小觸發(fā)角控制，逆變側接管電流控制，將降低逆變站熄弧角至Al?pha min inv，此時逆變站類似于峰值整流，直流電壓會增大到一個反極性的非常大的水平，不利于故障的恢復。逆變側配置Gamma0功能的目的是當直流系統(tǒng)經歷交直流故障、需要重新建立電壓、電流時，快速將逆變側觸發(fā)角拉高到最小熄弧角的位置，以幫助直流電壓快速建立。當直流電壓降低到0.6 pu以下時，啟動逆變側Gamma0邏輯，進入最小熄弧角控制。

對程序邏輯進行修改，當直流電流低于0.08 pu或直流電壓到0.6 pu以下時，啟動逆變側Gamma0邏輯。當直流電流斷流時，啟動逆變側Gamma0功能，進入最小觸發(fā)角控制，可以防止逆變側觸發(fā)角過小，造成閥上出現(xiàn)較大應力，降低直流避雷器動作概率。

4 仿真及現(xiàn)場運行驗證

4.1 RTDS系統(tǒng)仿真驗證

對魯西站常規(guī)直流控制系統(tǒng)升級后，在RTDS系統(tǒng)上進行仿真驗證，結果見表2，從表2中可以看出，在不同的傳輸功率下，模擬丟失觸發(fā)脈沖和交流系統(tǒng)短路故障，結果正常。

表2 不同功率下不同故障仿真結果Table 2 Different fault simulation results under different power

圖2至圖4分別為逆變側丟失觸發(fā)脈沖、逆變側單相接地、整流側三相接地故障的錄波，從錄波中可以看出，進行邏輯修改后，沒有對故障的恢復造成影響，當電流為零時，觸發(fā)角、熄弧角變化與預期的一致。

圖2 逆變側丟失觸發(fā)脈沖Fig.2 Inverter side loss trigger pulse

4.2 現(xiàn)場運行驗證

2016年7月14日，對魯西站常規(guī)單元控制系按照上述策略進行了修改，7月25日21時32分，由于交流系統(tǒng)故障，魯西站常規(guī)直流廣西側發(fā)生換相失敗，故障錄波見圖5，監(jiān)控系統(tǒng)無避雷器動作信號。8月13日，魯西站常規(guī)直流停電消缺期間，對常規(guī)直流閥廳內的直流避雷器檢查，未發(fā)現(xiàn)動作記錄。

圖3 逆變側交流單相短路Fig.3 AC single-phase short-circuit in inverter side

圖4 整流側交流系統(tǒng)三相短路Fig.4 Three-phase short-circuit of rectifier side AC system

圖5 逆變側交流系統(tǒng)故障導致?lián)Q相失敗Fig.5 Inverter side AC system failure leads to commutation failure

5 結語

結合魯西站常規(guī)直流調試期間直流避雷器多次異常動作進行分析，查找直流避雷器異常動作的原因，結合工程實際情況，提出修改最小觸發(fā)角的控制策略，在零電流時將最小觸發(fā)角的定值由原來的5°改成10°，并啟動逆變側的Gamma0功能，以降低零電流時的直流電壓，避雷器直流避雷器頻繁動作。將修改后的控制策略在RTDS系統(tǒng)上針對不同功率、不同的故障類型進行仿真，結果正常，不影響故障后的電流、電壓的恢復，滿足控制要求。另外，現(xiàn)場將邏輯更新后，逆變側發(fā)生換相失敗故障時避雷器未再動作，驗證了邏輯修改的合理性。

參考文獻:

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]戴熙杰.直流輸電基礎[M].北京:水利電力出版社，1990.

[3]韓民曉，文俊，徐永海.高壓直流輸電原理與運行[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[4]國家質量技術監(jiān)督局.交流無間隙金屬氧化物避器：GB 11032-2000[S].北京：中國標準出版社，2000.

[5]國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.高壓直流換流站無間隙金屬氧化物避雷器導則：GB/T 22389-2008[S].北京：中國標準出版社，2008

[6]中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司.高壓直流設備基礎[M].北京：中國電力出版社，2011.

[7]荊勇，歐開健，任震.交流單相故障對高壓直流輸電換相失敗的影響[J].高電壓技術，2004，30（3）:60-62.Jing Yong，Ou Kaijian，Ren Zhen.Analysis on influence of ac single phase faults on HVDC commutation failure，High Voltage Engineering，2004，30（3）:60-62.

[8]周沛洪，修木洪，谷定變，等.±800 kV直流系統(tǒng)過電壓保護和絕緣配合研究[J].高電壓技術，2006，32（12）:125-132.ZHOU Peihong，XIU muhong，GU Dinxie，et al.study on overvo-ltage protection and insulation coordination for±800 kV HVDC Transmission Sytstem[J].High Voltage ngi?neering ，2006，32（12）:125-132.

[9]謝超，左干清，石延輝，盛康.一例超高壓直流避雷器發(fā)熱的分析[J].電瓷避雷器，2015（1）:125-127.XIE Chao，ZUO Ganqing，SHI Yanhui，SHENG Kang.Analysis on a case of HVDC arrester heatin[J]，Insulators and Surge Arresters，2015（1）:125-127.

[10]謝鵬，張國棟.金屬氧化物避雷器試驗測試方法的發(fā)展及應用[J].電瓷避雷器，2006（5）:36-41.XIE Peng，ZHANG Guodong.Development and applica?tion of MOA testing methods[J].Insulatorsand Surge Ar?resters，2005（5）:36-41.

[11]郝躍東，倪汝冰.HVDC換相失敗影響因素分析[J].高電壓技術，2006，32（9）:38-41.HAO Yuedong，NI Rubing.Analysis on influence factors of commutation failure in HVDC[J].High Voltage ngineer?ing，2006，32（9）:38-41.

[12]何朝榮，李興源，金小明，等.高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗的判斷標準[J].電網(wǎng)技術，2006，30（22）:19-23.HE Chaorong，LI Xingyuan，JIN Xiaoming，et al.Criteria for commutation failure in HVDC transmission system[J].Power System Technology，2006，30（22）:19-23.

[13]馮鶇，羅海志;楊潔民;郭琦.高壓直流輸電系統(tǒng)接地極過壓保護機理及改進措施研究[J].高電壓技術，2011，47（12）:49-55.FENG Dong，LUO Hai-zhi，YANG Jie-min，GUO Qi.The experimental study on the resistance ability of MOV under AC/DC voltage[J].High Voltage ngineering，2011，47（12）:49-55.

[14]郭磊，張科，陳瑞，張曉鵬.金屬氧化物避雷器狀態(tài)評價方法及應用分析[J].電瓷避雷器，2013（6）:95-99.GUO Lei，ZHANG Ke，CHEN Rui，ZHANG Xiao-peng.The Method and Application Analysis of the Metal Oxide Arrester Condition Evaluation[J].Insulators and Surge Ar?resters，2013（6）:95-99.

[15]楊仲江，李強，張棖，趙軍.MOV在交直流電壓下耐受能力的試驗研究[J].電瓷避雷器，2013（3）:42-47.YANG ZhongJiang，LI Qiang，ZHANG Cheng，ZHAO Jun.The Experimental Study on the resistance ability of MOV under AC/DC voltage[J].Insulators and Surge Arresters，2013（3）:42-47.