一起換相失敗導(dǎo)致直流閉鎖故障分析及其閥控策略優(yōu)化研究

蔣智宇

（南方電網(wǎng)公司超高壓輸電公司廣州局，廣州 510405）

一起換相失敗導(dǎo)致直流閉鎖故障分析及其閥控策略優(yōu)化研究

蔣智宇

（南方電網(wǎng)公司超高壓輸電公司廣州局，廣州 510405）

文章研究了直流輸電系統(tǒng)中針對(duì)換相失敗的閥控策略，指出現(xiàn)有控制策略在臨界條件下存在極控系統(tǒng)檢測(cè)不到交流低電壓信號(hào)，VBE無(wú)法閉鎖回檢信號(hào)的檢測(cè)而造成跳閘的隱患。通過(guò)詳細(xì)分析網(wǎng)內(nèi)交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致?lián)Q流站直流換相失敗而閉鎖的故障過(guò)程，進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)有閥控策略的隱患。文章最后針對(duì)采樣回路進(jìn)行優(yōu)化。

換相失?。坏碗妷簷z測(cè)；回檢信號(hào)；采樣回路；閥控策略

換相失敗是直流輸電系統(tǒng)中高發(fā)故障之一，觸發(fā)脈沖丟失、交流系統(tǒng)故障以及閥片故障等都是造成換相失敗的原因［1-2］。南方電網(wǎng)具有強(qiáng)直流、弱交流的電網(wǎng)特征，發(fā)生交流故障時(shí)，直流輸電系統(tǒng)容易受到擾動(dòng)而發(fā)生換相失敗?，F(xiàn)階段通過(guò)加強(qiáng)電網(wǎng)的交流系統(tǒng)建設(shè)來(lái)減少交流系統(tǒng)故障對(duì)直流輸電系統(tǒng)的影響的方法不具備可行性，通過(guò)優(yōu)化換流站控制保護(hù)裝置的配合、改進(jìn)對(duì)于換相失敗的控制策略來(lái)增強(qiáng)直流系統(tǒng)抗干能力更具有優(yōu)越性［3］。

1　換相失敗特征及危害

一般來(lái)說(shuō)，單次次換相失敗有以下故障特征：短接位于在交流同一相上的一對(duì)閥同時(shí)導(dǎo)通，直流電流短時(shí)增大，交流側(cè)電流減少，在換相失敗瞬時(shí)間，直流側(cè)電流上升，直流電壓下降；兩次連續(xù)換相失敗有以下故障特征：閥V1和閥V2連續(xù)導(dǎo)通一個(gè)周波，逆變器直流電壓反向半周，直流電流持續(xù)流過(guò)換流變，產(chǎn)生偏磁，工頻分量進(jìn)入直流系統(tǒng)［4］。

在系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)的換相失敗，故障恢復(fù)后，直流系統(tǒng)通常都能恢復(fù)正常運(yùn)行。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)換相失敗，則可能引起直流系統(tǒng)電壓電流的長(zhǎng)時(shí)間不正常，引發(fā)閥塔設(shè)備損壞、二次控制保護(hù)設(shè)備損壞，從而對(duì)交直流輸電系統(tǒng)造成較大沖擊［5］。

2　換相失敗閥控策略及隱患分析

2.1直流換相失敗控制策略

換相失敗可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)一、二次設(shè)備損壞，控制保護(hù)設(shè)備在監(jiān)測(cè)到長(zhǎng)時(shí)間換相失敗后應(yīng)切除故障［6］。目前國(guó)內(nèi)高壓直流系統(tǒng)針對(duì)換相失敗制定的控制策略主要有以下兩大類。

1）以貴廣Ⅱ回高壓直流輸電系統(tǒng)為例，極控系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)熄弧角判斷換相失?。?］。當(dāng)發(fā)生單次換相失敗時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自行恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間換相失敗時(shí)，極控系統(tǒng)會(huì)延時(shí)300ms切換極控系統(tǒng)，若換相失敗已導(dǎo)致直流系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù)正常運(yùn)行，則通過(guò)直流保護(hù)將直流閉鎖［7］。此類控制策略中換相失敗不會(huì)直接跳閘，而是在造成影響后直流保護(hù)跳閘。

2）以牛從直流為例，見(jiàn)表1，牛從直流采用的是分段保護(hù)原理進(jìn)行控制。以星側(cè)換相失敗保護(hù)為例，主極控系統(tǒng)在860ms內(nèi)檢測(cè)到20次換相失敗，延時(shí)400ms切換極控系統(tǒng)；在860ms內(nèi)檢測(cè)到30次換相失敗，延時(shí)600ms將相應(yīng)極退至備用狀態(tài)。該類控制策略增加了計(jì)次原理進(jìn)行控制，同時(shí)針對(duì)嚴(yán)重的換相失敗情況增加了換相失敗跳閘保護(hù)。

表1　牛從直流換相失敗控制策略

2.2閥監(jiān)控策略及交流母線低電壓檢測(cè)原理分析

閥控系統(tǒng)的主要組成部分為VBE、TVM板、MSC和RPU單元，VBE包括處理器、TC&M板、光發(fā)射與接收板、RPU單元控制及極控接口部分［7-8］。VBE與閥片的光路連接如圖1所示。TVM板的作用為監(jiān)視閥片的運(yùn)行情況，并在閥片正常情況下發(fā)送回檢信號(hào)至極控TC&M板中。當(dāng)晶閘管發(fā)生電壓過(guò)低時(shí)，TVM板不會(huì)發(fā)出回檢信號(hào)，VBE檢測(cè)不到回檢信號(hào)時(shí)便開(kāi)始根據(jù)時(shí)間計(jì)時(shí)，在連續(xù)三個(gè)完整出發(fā)周期檢測(cè)不到閥片級(jí)的回檢信號(hào)，便會(huì)發(fā)閥無(wú)回檢信號(hào)。累計(jì)達(dá)到和超過(guò)4塊閥無(wú)回檢信號(hào)，VBE跳閘。

圖1　VBE與晶閘管光路連接示意圖

換相失敗極有可能引發(fā)閥塔設(shè)備損壞、二次控制保護(hù)設(shè)備損壞，一次設(shè)備、二次設(shè)備的損壞以及控制保護(hù)的邏輯錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致閥片故障。為了防止換相失敗期間VBE先檢測(cè)到一定數(shù)量的閥片無(wú)回檢信號(hào)跳閘而先于極控?fù)Q相失敗控制策略未動(dòng)作，極控系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)交流母線電壓跌落信息，用于閉鎖VBE對(duì)于回檢信號(hào)的檢測(cè)。以從西站為例，從西站交流低電壓檢測(cè)邏輯如圖2所示。在極運(yùn)行時(shí)，當(dāng)主極控檢測(cè)到換流變交流側(cè)三相電壓（采樣電壓在軟件內(nèi)濾波）均大于比較基值，發(fā)“換流器交流母線低交流電壓off”信號(hào)給VBE系統(tǒng)，此時(shí)VBE系統(tǒng)正常檢測(cè)閥回檢信號(hào)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到交流側(cè)三相電壓（采樣電壓在軟件內(nèi)濾波）任意一相小于比較基值時(shí)，延時(shí)8ms“換流器交流母線低交流電壓被檢測(cè)到”告警信號(hào)出現(xiàn)，由此鎖定VBE的對(duì)于回檢信號(hào)的監(jiān)視功能。

圖2　從西站交流低電壓檢測(cè)邏輯示意圖

2.3閥監(jiān)控策略隱患分析

無(wú)論是第一類還是第二類控制策略，當(dāng)檢測(cè)到長(zhǎng)時(shí)間換相失敗，控制保護(hù)才進(jìn)行切極控或閉鎖直流等保護(hù)行為。由于控制系統(tǒng)檢測(cè)換相失敗延時(shí)較長(zhǎng)，極端情況中，若換相失敗已導(dǎo)致了閥片故障致使TVM板無(wú)回檢信號(hào)送至VBE系統(tǒng)，同時(shí)交流母線電壓并未跌落至定值以下，極控系統(tǒng)不會(huì)閉鎖VBE對(duì)于回檢信號(hào)的檢測(cè)，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致VBE檢測(cè)不到閥回檢信號(hào)，閥內(nèi)出現(xiàn)4塊以上閥片檢測(cè)不到回檢信號(hào)時(shí)，相應(yīng)極跳閘。此時(shí)存在控制策略失效的隱患。

3　一起換相失敗導(dǎo)致直流閉鎖事故案例分析

2015年08月20日13時(shí)55分，南方電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)500kV增穗甲線A相故障跳閘，造成從西換流站牛從直流雙回四極、廣州換流站天廣直流雙極和隧洞換流站楚穗直流雙極四閥組同時(shí)發(fā)生換相失敗。期間從西換流站SER報(bào)牛從乙線直流極1Y4換流閥27至78號(hào)晶閘管故障，Y4換流閥無(wú)晶閘管冗余，極1VBE系統(tǒng)發(fā)跳閘請(qǐng)求，牛從乙線直流極1閉鎖，其余直流在交流系統(tǒng)擾動(dòng)結(jié)束后均恢復(fù)正常運(yùn)行。

如圖3至圖5錄波可見(jiàn)，穗東站增穗甲線A相跳閘后，穗東站交流母線出現(xiàn)了電壓跌落現(xiàn)象，此時(shí)直流雙極共四閥組均出現(xiàn)了直流電流上升，直流電壓下降，熄弧角集聚減小的情況，由此引發(fā)換相失敗。錄波中可以看出，故障持續(xù)時(shí)間較短，在直流系統(tǒng)發(fā)生單次換相失敗后，很快恢復(fù)了穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖3　增穗甲線A相故障跳閘重合成功錄波

圖4　穗東站極1高端閥組故障時(shí)刻錄波（以極1為例）

圖5　牛從乙線極1故障時(shí)刻換相錄波

從西站交流母線電壓A相有明顯跌落，由于直流電動(dòng)勢(shì)E的存在，在Y4橋臂本該關(guān)段的時(shí)間段里它仍然開(kāi)通，Y6本開(kāi)開(kāi)通時(shí)由于Y4依然導(dǎo)通，Y6短時(shí)導(dǎo)通后就關(guān)斷，這樣就造成了Y4、Y5橋壁的短路，直流側(cè)電流上升，直流電壓下降。此時(shí)由于Y4橋臂27號(hào)至78號(hào)晶閘管發(fā)故障信號(hào)，由于同一橋臂超過(guò)4塊晶閘管故障，直流跳閘。

通過(guò)分析從西站工作站事件記錄，牛從甲、乙線直流四極八套極控系統(tǒng)中，故障時(shí)刻共有五套極控系統(tǒng)檢測(cè)到交流母線電壓低告警，且每條直流每一極至少一套極控系統(tǒng)檢測(cè)到了此告警，但只有牛從乙線極1跳閘。具體情況見(jiàn)表2。

表2　故障時(shí)刻各極控系統(tǒng)檢測(cè)到低電壓的情況

圖6至圖9為故障時(shí)刻牛從甲、乙線主極控系統(tǒng)錄波，由錄波可見(jiàn)，故障時(shí)刻，牛從甲、乙線極控均檢測(cè)到電壓有所跌落，但幅度不大。牛從甲線極1、極2和牛從乙線極2在出現(xiàn)波動(dòng)后均回復(fù)正常運(yùn)行，牛從乙線極1在出現(xiàn)波動(dòng)后無(wú)法恢復(fù)正常運(yùn)行而跳閘。

圖6　牛從甲線極1極控故障時(shí)刻錄波

圖7　牛從甲線極2極控故障時(shí)刻錄波

圖8　牛從乙線極1極控故障時(shí)刻錄波

圖9　牛從乙線極2極控故障時(shí)刻錄波

結(jié)合上表和故障錄波情況可得出：

1）四極交流側(cè)電壓均有跌落，但幅度并不大；交流電壓處于低電壓被檢測(cè)到的臨界值，由于單極兩套極控采用的不同采樣回路，極控檢測(cè)量存在差異，因此可能導(dǎo)致部分極控檢測(cè)交流側(cè)電壓未達(dá)到定值而未發(fā)“檢測(cè)到交流低電壓”信號(hào)。

2）四極都有至少一套極控系統(tǒng)檢測(cè)到交流低電壓信號(hào)，但唯獨(dú)牛從乙線的極1在運(yùn)行的極控系統(tǒng)未檢測(cè)到，這就導(dǎo)致極1極控系統(tǒng)未能閉鎖VBE對(duì)回檢信號(hào)的檢測(cè)，VBE在3個(gè)周期內(nèi)未檢測(cè)到回檢信號(hào)，發(fā)閥無(wú)回檢信號(hào)，累計(jì)達(dá)到額定數(shù)量閥片，于是發(fā)生跳閘。

4　閥控策略改進(jìn)意見(jiàn)

4.1缺陷描述

從西換流站案例說(shuō)明在發(fā)生臨界情況下?lián)Q相失敗確有可能導(dǎo)致VBE跳閘先于極控控制策略動(dòng)作的隱患，該情況說(shuō)明了現(xiàn)有閥控策略有以下缺陷：

1）閥控策略與保護(hù)配合存在隱患。控制系統(tǒng)檢測(cè)換相失敗延時(shí)較長(zhǎng)，若換相失敗已導(dǎo)致了閥片故障致使TVM板無(wú)回檢信號(hào)送至VBE系統(tǒng)，同時(shí)交流母線電壓并未跌落至定值以下，極控系統(tǒng)不會(huì)閉鎖VBE對(duì)于回檢信號(hào)的檢測(cè)。

2）采樣回路無(wú)冗余配置。從西站兩套極控系統(tǒng)對(duì)于三相交流電壓的采樣均有獨(dú)立采樣回路，如圖10所示。因此兩個(gè)站在發(fā)生交流電壓跌落到臨界值時(shí)，均有可能出現(xiàn)一套系統(tǒng)檢測(cè)到低電壓而另一套系統(tǒng)不能檢測(cè)到低電壓，并且在低電壓期間閉鎖VBE對(duì)閥的檢測(cè)功能均由主極控系統(tǒng)執(zhí)行，因此可能存在案例事件中極控?zé)o法閉鎖VBE監(jiān)控功能而引發(fā)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。

圖10　原采樣回路中極控系統(tǒng)閉鎖回檢信號(hào)功能流程

4.2優(yōu)化建議

針對(duì)此情況可對(duì)采樣回路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)采用兩套系統(tǒng)的測(cè)量值進(jìn)行判定，如圖11所示。兩套極控系統(tǒng)分別進(jìn)行交流側(cè)電壓采樣，通過(guò)比較器對(duì)比兩套系統(tǒng)電壓采樣值是否偏差過(guò)大。如果偏差過(guò)大，仍然采用主系統(tǒng)的采樣值進(jìn)行判定；若偏差在正常范圍內(nèi)，則通過(guò)比較兩套系統(tǒng)的采樣值后，取低值出口。該優(yōu)化方案的優(yōu)越性在于不增加回路的基礎(chǔ)上將采樣回路進(jìn)行冗余化配置，在一定程度上避免原采樣方式中由于單套采樣回路發(fā)生故障造成控制系統(tǒng)不正常運(yùn)行。

圖11　優(yōu)化后極控系統(tǒng)閉鎖回檢信號(hào)功能流程

5　結(jié)論

在強(qiáng)直弱交的電網(wǎng)系統(tǒng)中，交流系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致多條直流的換相失敗。從西站此次故障是由于在換相失敗期間出現(xiàn)由于電壓跌落至臨界點(diǎn)，主極控系統(tǒng)未檢測(cè)到低電壓而未閉鎖VBE對(duì)回檢信號(hào)的檢測(cè)，導(dǎo)致閥無(wú)冗余相應(yīng)極跳閘的極端情況。該事故暴露出該該站控制策略不嚴(yán)謹(jǐn)、交流電壓采樣回路無(wú)多重配置等問(wèn)題。本文最后從邏輯上優(yōu)化了從西站交流電壓采樣回路，提出由原有每一套極控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)單一的采樣回路的設(shè)計(jì)優(yōu)化為將兩套極控系統(tǒng)的采樣回路同時(shí)進(jìn)行采樣，互為冗余，可以大大降低該類事故發(fā)生的概率，為今后超高壓直流輸電系統(tǒng)類似邏輯提供參考。

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The HVDC Faults Caused by End of Current Failure Analysis and its Valve Control Strategy Optimization Resurch

Jiang Zhiyu
（Guangzhou Bureau， CSG EHV Power Transmission Company， Guangzhou 510405）

This paper analyses End of Current Failure corresponding valve control strategy in HVDC. It is pointed out that a potential risk existed which can causes check-back signal can't be decteted by VBE and causes HVDC tripping in existing control strategy when low AC voltage cannot be detected by pole control systems under some critical conditions. Then this paper analyzes a HVDC tripping accident caused by AC system fault in order to validate this control strategy risk. In the last part of this paper， optimization of sampling circuit is proposed.

end of current failure； low voltage detection； check-back signal； sampling circuit； valve control strategy

蔣智宇（1990-），男，湖南永州人，本科，工程師，主要從事高壓直流輸電運(yùn)行及維護(hù)工作。