交流系統(tǒng)接地故障對(duì)直流換相的影響

尹廣力，李干

(國(guó)網(wǎng)北京昌平供電公司，北京 102200)

交流系統(tǒng)接地故障對(duì)直流換相的影響

尹廣力，李干

(國(guó)網(wǎng)北京昌平供電公司，北京 102200)

利用序分量法詳細(xì)推導(dǎo)了交流系統(tǒng)發(fā)生不同接地故障時(shí)換相電壓與線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)偏移的變化情況，比較系統(tǒng)地分析了各種交流側(cè)接地故障對(duì)換相失敗的影響。分析結(jié)果表明：不同的故障類(lèi)型對(duì)閥的換相過(guò)程影響不同；隨著過(guò)渡電阻的變化，換相電壓過(guò)零點(diǎn)偏移可能會(huì)從超前轉(zhuǎn)為滯后；并基于理論分析結(jié)果對(duì)關(guān)斷角的表達(dá)式進(jìn)行了相應(yīng)的修正。最后以國(guó)際大電網(wǎng)國(guó)際會(huì)議HVDC標(biāo)準(zhǔn)仿真模型，驗(yàn)證了結(jié)論的正確性；并利用仿真結(jié)果對(duì)影響換相失敗的兩大因素，即換相電壓和過(guò)零點(diǎn)偏移的影響程度進(jìn)行了探討。

換相失??；序分量法；過(guò)渡電阻；換相電壓；相位偏移

0 前言

換相失敗是高壓直流輸電系統(tǒng)中最常見(jiàn)的故障之一，它將導(dǎo)致直流電壓降低、輸送功率減少、電流增大、換流閥壽命縮短、換流變壓器直流偏磁及逆變側(cè)弱交流系統(tǒng)過(guò)電壓等不良后果[1]。若采取的控制措施不當(dāng)，還會(huì)引發(fā)后繼的換相失敗，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致直流傳輸功率中斷，使整個(gè)系統(tǒng)失去穩(wěn)定，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行[2-5]。引發(fā)直流輸電系統(tǒng)換相失敗的原因可分為2大類(lèi)：第1類(lèi)是直流輸電系統(tǒng)自身的故障；第2類(lèi)是受端交流系統(tǒng)故障或擾動(dòng)。其中換相失敗對(duì)交流系統(tǒng)的故障尤為敏感，交流側(cè)故障是誘發(fā)換相失敗的主要原因[6]。因此研究交流側(cè)故障對(duì)換相失敗的影響具有重大意義。

本文利用序分量法，充分考慮了實(shí)際短路故障中存在過(guò)渡電阻的因素，比較系統(tǒng)地分析了各種接地故障對(duì)換相失敗的影響，并詳細(xì)推導(dǎo)了交流系統(tǒng)故障時(shí)換相電壓幅值和過(guò)零點(diǎn)偏移角度之間的關(guān)系，同時(shí)對(duì)關(guān)斷角的表達(dá)式進(jìn)行了相應(yīng)的修正。最后基于EMTDC/PSCAD仿真模型驗(yàn)證了結(jié)論的正確性，并探討了換相電壓與過(guò)零點(diǎn)偏移對(duì)換相失敗不同的影響程度。

1 換相失敗的機(jī)理

當(dāng)兩個(gè)橋臂之間換相結(jié)束后，剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)，如果未能恢復(fù)阻斷能力或在反向電壓期間換相過(guò)程一直未能進(jìn)行完畢，這兩種情況在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r(shí)，被換相的閥都將向原來(lái)預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相，即換相失敗[1]。換相失敗的根本原因是關(guān)斷角γ過(guò)小[9]。當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障并使換相電壓過(guò)零點(diǎn)前移角度φ時(shí)，逆變器關(guān)斷角的表達(dá)式為[10]：

式中k為換流變壓器的變比，Xc為換相電抗，UL為換流母線(xiàn)線(xiàn)電壓有效值，β為越前觸發(fā)角。顯然，發(fā)生對(duì)稱(chēng)性故障時(shí)φ=0。

當(dāng)γ＜γmin時(shí)表示直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗。其中γmin對(duì)應(yīng)換流閥恢復(fù)阻斷能力所需的時(shí)間，考慮到串聯(lián)元件的誤差，一個(gè)可控硅閥的恢復(fù)時(shí)間γmin≈10°[8]。

2 交流側(cè)接地故障對(duì)換相失敗影響

交流側(cè)故障對(duì)換相失敗的影響主要體現(xiàn)在換相電壓幅值變化和線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)偏移 (不對(duì)稱(chēng)故障)兩個(gè)方面，因此下面的分析主要圍繞這兩個(gè)方面展開(kāi)。需要指出的是：HVDC輸電系統(tǒng)一般采用12脈動(dòng)換流器，為了便于分析，本文以Y型換流器為例，D型換流器的分析方法與此相同，不再贅述。

2.1 單相接地短路

圖1 三相橋式逆變器等效電路

則網(wǎng)側(cè)的三相線(xiàn)電壓表達(dá)式為：

在直流系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)換相失敗的情況下，如果交流側(cè)發(fā)生A相接地故障，那么由故障分析可知，短路點(diǎn)的各序電流、電壓為：

將各序分量疊加后即可得到故障點(diǎn)處的ABC三相電壓，而換相電壓實(shí)際為換流變閥側(cè)線(xiàn)電壓，因此需分析故障前后閥側(cè)線(xiàn)電壓的變化情況。但注意到對(duì)于Y型換流變壓器，假設(shè)變比為1，則原、副邊的相電壓幅值、相位均相同，因此僅需分析網(wǎng)側(cè)的線(xiàn)電壓變化情況即可。另外，通常假設(shè)電力系統(tǒng)的正負(fù)序阻抗近似相等，即x1∑=x2∑，由此得到的故障后網(wǎng)側(cè)各個(gè)線(xiàn)電壓如式 (5)：

經(jīng)推導(dǎo)對(duì)于形如1/(R+jx)的表達(dá)式，當(dāng)x不變，R從0增大到∞時(shí)的軌跡是復(fù)平面上的半圓，直徑為1/x。于是，由式 (5)可得AB的變化軌跡如圖2所示，其中半圓的直徑｜AD｜=

圖2 AB的變化軌跡圖

由圖2可知：

1)隨著Rf從0逐漸增大為∞，AB的相位從超前變化到滯后AB｜0｜，C為臨界變化點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻，可稱(chēng)為中值電阻。

由上述分析可知，隨著Rf的不斷增加，AB將由超前變化為滯后于AB｜0｜，其偏移的角度φAB計(jì)算如下：

由式 (8)可得：

將其代入式 (9)中，即得：

式 (11)即為故障后的AB線(xiàn)電壓超前時(shí)電壓幅值與過(guò)零點(diǎn)偏移角度之間的關(guān)系。

圖3 CA的變化軌跡圖

1)隨著過(guò)渡電阻Rf從0增大到∞，CA的幅值mCA先增大后減小，即在弧AC上，mCA隨著Rf的增大而增大，在弧CD上，mCA隨著Rf的增大而減小，幅值最大值出現(xiàn)在C點(diǎn)。當(dāng)k=3時(shí)，1.249≤mCA≤1.780。

設(shè)G為半圓上任一點(diǎn)，則｜OG｜=mCA，則CA相對(duì)CA｜0｜的相位偏移φCA與幅值的關(guān)系：

其中：R= 3-mCAcosφCA，S=mCAsinφCA。

表1給出了交流側(cè)發(fā)生A相接地故障時(shí)，換相電壓的幅值與過(guò)零點(diǎn)偏移角度之間的關(guān)系。

表1 A相接地故障時(shí)線(xiàn)電壓幅值與相位偏移的關(guān)系

其中φ(Rf)表示線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)偏移的角度是過(guò)渡電阻的函數(shù)，前移時(shí)取負(fù)號(hào)，后移時(shí)取正號(hào)。

3)隨著過(guò)渡電阻的增大，三個(gè)線(xiàn)電壓的幅值降落減小，過(guò)零點(diǎn)后移，由式 (14)可知γ增大，因而發(fā)生換相失敗的可能性大為降低。

兩相接地故障和三相接地故障分析過(guò)程與上述方法相同，限于篇幅，只給出相應(yīng)的結(jié)論。

2.2 兩相接地短路

由故障分析可得短路后的線(xiàn)電壓為：

圖4 兩相故障時(shí)的線(xiàn)電壓變化軌跡圖

其中：R=1.5-mABcosφ′，S=mABsinφ′。

表2給出了BC兩相接地故障時(shí)換相電壓的幅值與相位偏移之間的關(guān)系。

表2 BC兩相接地故障時(shí)換相電壓的幅值與相位偏移的關(guān)系

2.3 三相接地短路

發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)性故障時(shí)，換流母線(xiàn)處的各個(gè)線(xiàn)電壓為：

當(dāng)Rf從0變化到∞時(shí)，0≤A≤1，-900＜θ≤0°。可見(jiàn)故障后每個(gè)線(xiàn)電壓幅值都降低，過(guò)零點(diǎn)后移。因此理論上講，三相短路時(shí)對(duì)每個(gè)閥的換相過(guò)程影響相同。

其中φφ表示AB、BC、CA。

由式 (17)可知，三相線(xiàn)電壓在故障前后，幅值相位均有所變化，且變化幅度及趨勢(shì)相同。不妨設(shè)

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型

采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC，基于國(guó)際大電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型，搭建了如圖4所示仿真模型。仿真模型采用單級(jí)運(yùn)行方式，換流站采用12脈動(dòng)換流器接線(xiàn)。

圖4 HVDC仿真模型

由圖1可以看出，UAB決定閥V1，V4的換相情況；UCA決定閥V5，V2的換相情況；UBC決定閥V3，V6的換相情況。通過(guò)仿真模型可以準(zhǔn)確提取閥電流波形，通過(guò)閥電流波形可以準(zhǔn)確定位每個(gè)閥的換相情況。

3.2 仿真結(jié)果

單就一次故障而言，故障時(shí)刻會(huì)影響到閥的換相情況。為了從整體上分析不同閥的換相失敗情況，采取如下措施：故障以脈沖的形式在一個(gè)工頻周期內(nèi)施加在換流母線(xiàn)上10次，脈沖寬度為1/8個(gè)周波。每施加一次就仿真一次，以確定哪個(gè)閥發(fā)生了換相失敗故障。然后從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)分析每個(gè)閥的換相失敗情況。

表3 A相接地故障換相失敗概率統(tǒng)計(jì)

由表3可以得出如下結(jié)論：

1)A相接地故障時(shí)，閥V1，閥V4發(fā)生換相失敗的概率最大；

2)過(guò)渡電阻較小時(shí)，由于其他閥的換流母線(xiàn)電壓值比較低，因此也有可能發(fā)生換相失敗故障；

3)隨著過(guò)渡電阻的增大，閥V1，閥V4發(fā)生換相失敗的概率降低；

4)當(dāng)過(guò)渡電阻增大到一定值時(shí)，不再發(fā)生換相失敗故障。

表4 BC兩相接地故障換相失敗概率統(tǒng)計(jì)

由表4可以得出以下結(jié)論：

3)同樣的，當(dāng)過(guò)渡電阻較大時(shí)，由于電壓降非常有限，因此不再發(fā)生換相失敗。

表5 三相接地故障換相失敗概率統(tǒng)計(jì)

通過(guò)表5可以看出：

1)三相故障時(shí)每個(gè)閥都有發(fā)生換相失敗的情況，不同的故障時(shí)間會(huì)引發(fā)不同閥發(fā)生換相失敗故障；

2)同樣的，當(dāng)過(guò)渡電阻較大時(shí)，由于電壓降非常有限，因此不再發(fā)生換相失敗。

3.3 對(duì)換相失敗的影響探討

通過(guò)關(guān)斷角的表達(dá)式可以看出，換相電壓與過(guò)零點(diǎn)偏移是影響換相失敗的兩個(gè)重要因素。通過(guò)表1可得，CA線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)雖然始終處于滯后狀態(tài)，但由表3可以看出，閥V2在過(guò)渡電阻較小時(shí)也發(fā)生了換相失敗故障；同時(shí)由表2可以得到，在BC接地故障下，由于CA線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)始終處于超前狀態(tài)，而且超前的角度很大，因此閥2與閥5可能會(huì)發(fā)生換相失敗故障，但由表4可以看出，隨著過(guò)渡電阻的增大，此時(shí)兩個(gè)閥也不再發(fā)生換相失敗故障；理論分析表明對(duì)稱(chēng)性故障時(shí)換相電壓幅值下降，雖然線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)始終滯后，但由表5可得換相電壓幅值下降較大時(shí)仍然會(huì)引發(fā)換相失敗故障。綜合上面三種情況可以得出，換相電壓幅值對(duì)換相失敗的影響程度最大，過(guò)零點(diǎn)偏移僅僅是個(gè)輔助因素，并不是決定性因素。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)交流系統(tǒng)故障容易引發(fā)換相失敗。單相接地故障時(shí)，與故障相相連的閥發(fā)生換相失敗的概率最大；兩相接地短路時(shí)，由兩故障相線(xiàn)電壓決定換相的閥發(fā)生換相失敗的概率最大；三相接地短路時(shí)，每個(gè)閥發(fā)生換相失敗的概率是均等的。

2)由于過(guò)渡電阻的影響，換相電壓與故障前電壓的相位偏移關(guān)系可能會(huì)由超前變?yōu)闇蟆?/p>

3)換相電壓與線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)偏移都會(huì)影響到閥的換相過(guò)程，但前者起主導(dǎo)作用。

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Analysis on The Effects of AC Grounding Faults on HVDC Commutation Failure

YIN Guangli，LI Gan
(Changping State Grid of Beijing，Beijing 102200，China)

Detailed analysis of the relationship between commutation voltage reduction and line voltage zero-crossing point drift is given when various types of grounding faults occur in the AC system by using sequence components method.Thus systemic analysis about the impacts of grounding faults on commutation failure is presented.The results indicate that the influence on commutation process varies with fault types；the phase of commutation voltage may change from lead to lag compared to the voltage before faults as the transition resistance changes.The expression for extinction angle is modified correspondingly based on the theoretical analysis results.A simulation model based on CIGRE HVDC is built in PSCAD/EMTDC，verifying the correctness of the conclusion.Further discussion is presented about the effects of commutation voltage reduction and line voltage zero-crossing point phase shift on the commutation failure based on simulation results.

commutation failure；sequence components method；transition resistance；commutation voltage；phase-shift

TM74

B

1006-7345(2015)03-0029-06

2014-12-02

尹廣利 (1978)，男，工程師，國(guó)網(wǎng)北京昌平供電公司，主要從事輸電專(zhuān)業(yè) (e-mail)yinguangli1978＠163.com。

李干 (1988)，男，助理工程師，國(guó)網(wǎng)北京昌平供電公司，主要從事輸電運(yùn)行管理等工作(e-mail)692076921＠qq.com。