西北電網(wǎng)主變充電引起青藏直流閉鎖的原因分析及對(duì)策

種芝藝，粟小華，劉寶宏

(1.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京市 100052;2.國家電網(wǎng)西北調(diào)控分中心，西安市 710048)

0 引言

青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程兩端接入的交流系統(tǒng)都是弱系統(tǒng)［1-5］，系統(tǒng)諧波水平較高，耐受擾動(dòng)的能力較差，使得青藏直流工程的運(yùn)行條件較惡劣，容易降低直流系統(tǒng)的能量可用率［6-8］。

青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程本期建設(shè)規(guī)模雙極為600MW，直流電壓為±400kV，直流電流為750 A，于2011年11月11日投入試運(yùn)行。2011年11月16日官廳變750 kV主變充電，直流100 Hz諧波保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致雙極閉鎖。將柴達(dá)木站極2的100 Hz諧波保護(hù)動(dòng)作時(shí)間從3 s延長至6 s后，2011年12月11日武勝變750 kV主變充電，青藏直流極1的100 Hz保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致單極閉鎖，直流系統(tǒng)2次強(qiáng)迫停運(yùn)都與西北電網(wǎng)750 kV主變充電有關(guān)。在弱交流系統(tǒng)中大容量主變充電將產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流［9-10］，涌流含有數(shù)值較大的諧波分量，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時(shí)間越長，諧波電壓分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)水平，對(duì)直流系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生較大危害。

因此，有必要研究西北電網(wǎng)主變充電導(dǎo)致青藏直流諧波保護(hù)動(dòng)作的原因，并提出可行的解決措施。

1 故障現(xiàn)象

2011－11－16T21:01，青藏直流系統(tǒng)雙極大地回線運(yùn)行，直流電壓為±400kV，直流電流為125 A，雙極輸送功率為100MW，功率方向?yàn)椴襁_(dá)木—拉薩。在21:01:29時(shí)，官廳2號(hào)750 kV主變首次充電。在21:01:32時(shí)，柴達(dá)木換流變電站2個(gè)極的100 Hz保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)致雙極閉鎖。藏中電網(wǎng)安穩(wěn)裝置動(dòng)作正確，共切除106 MW負(fù)荷，頻率最低至49.65 Hz，最高至50.36 Hz，奪底變220 kV母線電壓由230.24 kV升至231.46 kV。

2011－12－11T00:55，青藏直流系統(tǒng)雙極大地回線運(yùn)行，直流降壓±280 kV運(yùn)行，直流電流為75 A，雙極輸送功率為42 MW，功率方向?yàn)椴襁_(dá)木—拉薩。在00:55:18時(shí)，武勝750 kV主變檢修后首次充電。在00:55:21時(shí)，柴達(dá)木換流變電站極1直流諧波保護(hù)(100 Hz)動(dòng)作，執(zhí)行Y閉鎖。極1閉鎖后極2功率轉(zhuǎn)代成功，直流沒有損失功率，藏中電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2 2次諧波分析

官廳2號(hào)主變和武勝主變檢修后首次充電時(shí)，都出現(xiàn)了較大的勵(lì)磁涌流，2次諧波電壓含量很高。官廳變合閘后5個(gè)周波時(shí)的750 kV母線諧波含量和同一時(shí)刻柴達(dá)木換流站330 kV母線電壓諧波含量如表1所示。對(duì)比2站諧波電壓含量，官廳變充電產(chǎn)生的諧波電壓在柴達(dá)木換流站被放大，尤其是2次諧波分量，在官亭變含量為3.2%，在柴達(dá)木換流站則達(dá)到了8.1%，放大了約2.5倍。

表1 合閘后5個(gè)周波時(shí)的諧波電壓含量Tab.1 Harmonic voltage content in 5 cycles after transformer switching-in

西北電網(wǎng)750 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，柴達(dá)木換流站位于750 kV交流系統(tǒng)末端，距西寧變超過700 km，周圍除龍羊峽水電站外，無交流電源支撐，易受交流系統(tǒng)擾動(dòng)影響。

圖1 西北電網(wǎng)750 kV網(wǎng)架Fig.1 750 kV grid in northwest China power grid

對(duì)柴達(dá)木換流站進(jìn)行諧波阻抗掃描，各次諧波下的系統(tǒng)阻抗如圖2所示，2次諧波阻抗較高，接近于并聯(lián)諧振點(diǎn)。對(duì)于2次諧波，柴達(dá)木換流站2次負(fù)載阻抗較高，近似于空載線路末端，將產(chǎn)生線路容升效應(yīng)，導(dǎo)致末端2次諧波電壓升高，形成尾翹現(xiàn)象。采用EMTDC模型進(jìn)行仿真計(jì)算，在西寧變附近750 kV注入2次諧波，柴達(dá)木換流站330 kV母線2次諧波含量將放大2.3或2.5倍，與官廳主變充電引起的柴達(dá)木換流站2次諧波含量升高現(xiàn)象類似。

圖2 柴達(dá)木換流站諧波阻抗Fig.2 Harmonic impedance in Chaidamu converter station

750 kV主變充電時(shí)產(chǎn)生的2次諧波電壓是由合閘勵(lì)磁涌流引起，勵(lì)磁涌流的衰減時(shí)間與變壓器容量、鐵心的飽和程度、系統(tǒng)強(qiáng)度有關(guān)。變壓器容量越大、鐵心飽和程度越高、交流系統(tǒng)強(qiáng)度越弱，則勵(lì)磁涌流的衰減時(shí)間越長，大容量變壓器勵(lì)磁涌流的衰減時(shí)間可能長達(dá)十幾s甚至幾十s。依據(jù)西寧—柴達(dá)木換流站沿線的錄波圖，750 kV主變合閘引起的2次諧波分量衰減較慢，經(jīng)過約25 s后才逐漸衰減至0。

社會(huì)認(rèn)知論是社會(huì)心理學(xué)的重要理論之一，與讀心術(shù)有著或多或少的關(guān)系。實(shí)用性利潤重視商品的效用、價(jià)值。感知性利潤重視購買者的自我體驗(yàn)。例如，在兒童節(jié)節(jié)日時(shí)，某廠家品牌的兒童奶粉價(jià)格進(jìn)行8.5折促銷活動(dòng)。當(dāng)那些需求奶粉的購買者看見此品牌價(jià)格促銷進(jìn)行時(shí)，他們通常會(huì)觀察期商品的保質(zhì)期、成分等，并核實(shí)在8.5折之后的奶粉具體價(jià)格，能夠優(yōu)惠多少金錢。倘若此奶粉品牌在贈(zèng)品促銷時(shí)，對(duì)買一罐奶粉的購買者都贈(zèng)與兒童玩具，購買者看到可以獲得贈(zèng)品，會(huì)感到非常合適，就會(huì)增加對(duì)廠家品牌的認(rèn)可。價(jià)格促銷能提升產(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)值本質(zhì)，贈(zèng)品促銷能夠提升額外和驚喜感知。

3 保護(hù)動(dòng)作分析

在原諧波保護(hù)程序［11］中，100 Hz保護(hù)檢測(cè)頻寬為80～200 Hz，涵蓋了2～4次諧波，將各次諧波峰值疊加作為檢測(cè)出的諧波電流值。保護(hù)定值設(shè)定如式(1)和表2所示。

式中:ID100Hz_amp為直流諧波電流峰值;ID為實(shí)際運(yùn)行電流;IDnom為額定直流電流，為750 A。

表2 100 Hz保護(hù)定值Tab.2 100 Hz protection setting

根據(jù)換流器諧波變換［12-13］原理，交流側(cè)n次正序諧波電壓，在直流側(cè)產(chǎn)生n－1次諧波;交流側(cè)n次負(fù)序諧波電壓，在直流側(cè)產(chǎn)生n+1次諧波。官廳主變充電，勵(lì)磁涌流產(chǎn)生負(fù)序2次諧波，在直流系統(tǒng)中產(chǎn)生3次諧波，在柴達(dá)木換流站極1和極2保護(hù)程序中檢測(cè)到的100 Hz諧波分量為100 A，如圖3(a)所示，大于70 A的保護(hù)動(dòng)作定值，如圖3(b)所示。保護(hù)系統(tǒng)在0.35 s后切換控制系統(tǒng)，2 s后發(fā)出降功率指令，將直流功率降至0.3 pu，由于故障前直流單極功率為0.167 pu，系統(tǒng)沒有執(zhí)行降功率指令，3 s后直流雙極跳閘，保護(hù)動(dòng)作正確。

圖3 極保護(hù)100 Hz諧波保護(hù)曲線Fig.3 Curve of 100 Hz harmonic protection

4 抑制勵(lì)磁涌流的措施

西北電網(wǎng)官廳變和武勝變的750 kV主變合閘產(chǎn)生了衰減很慢的負(fù)序2次諧波電壓是導(dǎo)致直流閉鎖的根本原因，因此，降低750 kV主變合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流是防止主變合閘時(shí)直流閉鎖的根本措施。可采取以下方法來抑制750 kV主變合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流［14-17］:(1)在主變合閘前做好去磁措施，降低變壓器中的剩磁;(2)主變斷路器安裝合閘電阻，抑制勵(lì)磁涌流的峰值;(3)從330 kV側(cè)對(duì)750 kV主變合閘充電，利用較強(qiáng)的330 kV電網(wǎng)加快勵(lì)磁涌流衰減。

5 保護(hù)優(yōu)化方案

為了提高青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程適應(yīng)弱交流系統(tǒng)的能力，可在直流系統(tǒng)設(shè)備承受能力范圍內(nèi)和交流系統(tǒng)安全穩(wěn)定的條件下，對(duì)直流保護(hù)配置進(jìn)行優(yōu)化，降低直流系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)的幾率。

根據(jù)系統(tǒng)研究結(jié)論，直流回路產(chǎn)生的2次和3次功率振蕩在10 s內(nèi)對(duì)藏中電網(wǎng)產(chǎn)生的影響不大，系統(tǒng)能夠維持安全穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)換流變、平波電抗器、換流閥、直流沖擊電容器等直流設(shè)備耐受諧波的能力，直流系統(tǒng)承受諧波電流的時(shí)間不宜超過6 s，取直流諧波保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間上限為6 s。

5.1 100 Hz保護(hù)定值優(yōu)化

100 Hz保護(hù)主要作為交流系統(tǒng)單相或相間故障時(shí)直流系統(tǒng)的后備保護(hù)，避免互聯(lián)電網(wǎng)之間出現(xiàn)持續(xù)功率振蕩。

100 Hz保護(hù)電流定值維持控制保護(hù)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)時(shí)的定值不變?？紤]到直流一極故障后，另一極功率轉(zhuǎn)代成功，可有效減少雙極同時(shí)停運(yùn)的幾率。因此，2極保護(hù)宜采用不同跳閘時(shí)間，一極跳閘時(shí)間為3 s，另一極跳閘時(shí)間為6 s。

5.2 新增150 Hz保護(hù)

由于在交流系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)序2次諧波電壓，在直流側(cè)出現(xiàn)3次諧波分量，3次諧波增加設(shè)備發(fā)熱可能導(dǎo)致直流電流斷續(xù)，同時(shí)引起互聯(lián)電網(wǎng)之間出現(xiàn)持續(xù)功率振蕩，因此新增設(shè)置150 Hz保護(hù)。

150 Hz保護(hù)的采樣帶寬為130～170 Hz，保護(hù)定值為ID150Hz=0.85 ID，下限為63.75 A，上限定值為200 A，依據(jù)設(shè)備能力確定。時(shí)間定值為0.35 s時(shí)切換系統(tǒng)，2極采用不同的跳閘時(shí)間，即一極為3 s，另一極為6 s。

據(jù)此150 Hz諧波保護(hù)定值，將官廳變充電事件回放，直流系統(tǒng)150 Hz保護(hù)檢測(cè)到的諧波電流為90 A，小于電流動(dòng)作定值106.25 A，保護(hù)不動(dòng)作;將武勝變充電事件回放，150 Hz保護(hù)檢測(cè)到的諧波電流峰值為61 A，小于電流動(dòng)作定值63.75 A，保護(hù)不動(dòng)作。

5.3 50 Hz保護(hù)定值優(yōu)化方案

主變合閘可能產(chǎn)生負(fù)序2次諧波電壓，也可能產(chǎn)生正序2次諧波電壓。在主變充電引發(fā)正序2次諧波電壓較大時(shí)，直流功率將出現(xiàn)50 Hz分量，影響藏中電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，危害直流設(shè)備安全。原直流50 Hz諧波保護(hù)［11］配置的目的是作為換流閥丟脈沖的后備保護(hù)，沒有考慮到交流系統(tǒng)存在較大正序2次諧波的情況，當(dāng)交流系統(tǒng)出現(xiàn)較大正序2次諧波時(shí)，存在直流雙極閉鎖的可能性。因此，50 Hz保護(hù)需新增針對(duì)交流系統(tǒng)出現(xiàn)較大正序2次諧波時(shí)的保護(hù)功能。

通過檢測(cè)交流系統(tǒng)正序2次諧波電壓分量，區(qū)分是換流閥丟脈沖還是交流系統(tǒng)出現(xiàn)正序2次諧波。由于直流系統(tǒng)自身丟脈沖產(chǎn)生的50 Hz分量在交流系統(tǒng)產(chǎn)生的正序2次諧波分量中不超過1%，因此，可以采用3%的檢測(cè)門檻鑒別是換流閥丟脈沖還是交流系統(tǒng)出現(xiàn)正序2次諧波。當(dāng)正序2次諧波分量小于3%時(shí)，50 Hz保護(hù)維持原保護(hù)定值不變。當(dāng)正序2次諧波分量不小于3%時(shí)，采用50 Hz保護(hù)新增功能的定值為ID150Hz=0.85 ID，下限為63.75 A，上限定值為200 A。時(shí)間定值為0.35 s切換系統(tǒng)，2極采用不同的跳閘時(shí)間，即一極為3 s，另一極為6 s。優(yōu)化后的50 Hz保護(hù)既能有效保護(hù)直流設(shè)備又可以盡量減少直流停運(yùn)的幾率。

6 結(jié)語

本文分析了西北電網(wǎng)主變充電與直流諧波保護(hù)動(dòng)作之間的關(guān)系，指出了西北電網(wǎng)750 kV主變合閘產(chǎn)生衰減很慢的2次諧波電壓是導(dǎo)致直流閉鎖的根本原因。在直流系統(tǒng)設(shè)備承受能力范圍內(nèi)和交流系統(tǒng)安全穩(wěn)定的條件下，對(duì)直流諧波保護(hù)配置進(jìn)行優(yōu)化，降低了直流系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)的概率，提高了青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程適應(yīng)弱交流系統(tǒng)的能力。

本文提出的諧波保護(hù)優(yōu)化方法已經(jīng)應(yīng)用到青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程中，可為其他接入弱交流系統(tǒng)的直流輸電工程提供參考。

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