基于一起跳閘事故的換流閥電壓應(yīng)力保護(hù)分析

施紀(jì)棟

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇　南京　211100）

1　事故過程

某特高壓換流站[1]發(fā)生極 2低端閥組（Y／Y 接）A相換流變[2]分接開關(guān)控制回路繼電器故障，導(dǎo)致?lián)Q流變檔位不一致，現(xiàn)場按照規(guī)程就地調(diào)節(jié)同步分接開關(guān)位置時，電壓應(yīng)力限制功能啟動分接開關(guān)降檔，造成極2低端換流變檔位相差過大，換流變飽和保護(hù)動作。故障前，雙極三閥組運(yùn)行輸送功率5 000 MW，故障后雙極高端閥組3 950 MW大地方式運(yùn)行，安控裝置正確動作，切除電廠機(jī)組兩組[3]。

事故的直接原因?yàn)锳相換流變分接頭檔位故障且停留在了高檔位上，換流閥的電壓應(yīng)力保護(hù)動作，降低分接頭檔位時導(dǎo)致分接頭失步，進(jìn)而產(chǎn)生偏磁電流。故障錄波顯示，電壓應(yīng)力保護(hù)動作時理想空載電壓 Udi0達(dá)到 239 kV[4]，超過 Udi0L定值[5]。 現(xiàn)場手動切分接頭操作回路電源時，極2低端A相換流變檔位26檔，其余5相均為15檔，導(dǎo)致?lián)Q流變中性點(diǎn)偏磁電流達(dá)到換流變飽和保護(hù)II段定值0.098 A，延時280 s動作出口。故障錄波及事件顯示保護(hù)動作行為正確。

2　電壓應(yīng)力保護(hù)簡介

2.1　電壓應(yīng)力保護(hù)功能配置

ABB 路線單獨(dú)配置電壓應(yīng)力保護(hù)[6]（Voltage Stress Protection），防止穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時換流變網(wǎng)側(cè)電壓過高導(dǎo)致晶閘管承受過電壓或避雷器動作[7]。電壓應(yīng)力動作結(jié)果包括禁止升分接頭（Udi0＞Udi0G，延時 2 s），強(qiáng)制降分接頭（Udi0＞Udi0L），系統(tǒng)切換（Udi0＞VSP_trip，延時 155 s），跳交流斷路器（Udi0＞VSP_trip，延時 185 s），出口限制優(yōu)先級高于正常的分接頭控制[8]。

南瑞繼保出口功能與ABB相同，禁止升、強(qiáng)制降分接頭延時100 ms出口，系統(tǒng)切換延時165 s，跳閘延時195 s。

許繼將電壓應(yīng)力保護(hù)放在換流器控制的分接頭控制當(dāng)中，動作結(jié)果包括禁止升（無延時）、強(qiáng)制降、Udi0高告警，典型應(yīng)用于溪浙工程。禁止升動作出口無延時取消升分接頭準(zhǔn)備允許位 （包括手動和自動模式），強(qiáng)制降出口具有最高優(yōu)先級不需要分接頭同步信號。

2.2　保護(hù)的定值整定

在換流變壓器參數(shù)設(shè)計[9]中，需要確定的主要參數(shù)包括額定空載直流電壓Udi0N、換流變額定容量、理想空載直流電壓限制和設(shè)計電壓、有載調(diào)壓分接頭檔位數(shù)。工程應(yīng)用時，首先根據(jù)換流變設(shè)計參數(shù)計算出正常運(yùn)行中出現(xiàn)Udi0的最大值，然后整流側(cè)以Udi0max作為Udi0G，增加一定裕度后作為Udi0L和一次設(shè)備的設(shè)計值 （一般向上取整）；逆變側(cè)以Udi0max作為Udi0L，考慮裕度后作為電壓應(yīng)力保護(hù)的動作值。

以特高壓晉南工程為例，表1列出計算用到的控制參數(shù)，表2列出設(shè)計時考慮的測量誤差。

表1　控制系統(tǒng)參數(shù)

表2　用于設(shè)計計算的最大誤差

2.2.1　晉北站保護(hù)定值計算

整流側(cè)額定直流電壓800 kV，對于1個6脈動閥組有

代入計算得額定空載電壓Udi0N=232.12 kV，由于實(shí)際運(yùn)行中存在控制和制造偏差，空載直流電壓將發(fā)生偏離，而由式（2）決定：

為得到最大的空載電壓，目前常用的計算工況為整流側(cè)定電流控制，逆變側(cè)定γ角控制，定功率方式運(yùn)行，選取最不利測量偏差

空載電壓只取決于交流系統(tǒng)電壓和分接頭檔位，當(dāng)直流電壓最大時整流側(cè)觸發(fā)角處于正常運(yùn)行的最小值。

據(jù)此由式（2）得到Udi0max=233.062 kV為晉北站的最大空載電壓，整流站取Udi0G=Udi0max，取Udi0L增加1.5倍分接頭步長，晉北站換流變?yōu)?.25%。

考慮測量誤差的設(shè)備設(shè)計電壓為

取整后一次設(shè)備設(shè)計值為240 kV，設(shè)置跳閘定值時，南瑞繼保Udi0absmax取整后的1.05倍，ABB取動作值1.02Udi0absmax=244.59 kV，西門子通過延遲數(shù)環(huán)節(jié)0.02 pu動作值與ABB相同。

2.2.2　南京站動作定值計算

逆變側(cè)空載電壓

主回路參數(shù)計算時考慮完整雙極平衡運(yùn)行方式，線路電阻取額定值Rd=4.191 Ω時，得到逆變側(cè)額定空載電壓Udi0NI=223.70 kV，UdI=779.05 kV，逆變側(cè)分接頭為Udi0控制。為得到最大的空載電壓同樣取公式（3）的計算工況，由于逆變側(cè)為定熄弧角控制，取熄弧角測量誤差的最不利情況 γ=γN+δγ=18°，線路電阻取最小Rdmin=3.29 Ω。計算得到南京站Udi0max=229.48 kV。

逆變站取Udi0L=Udi0max，考慮裕度得到Udi0G為

設(shè)備設(shè)計電壓即電壓應(yīng)力保護(hù)跳閘定值計算方法與整流側(cè)相同

一次設(shè)備設(shè)計值取232 kV，采用1.02 pu時動作值為236.41 kV。

2.2.3　分層接入工程的定值計算方法差異

錫泰工程逆變站高低閥組分接頭步長分別為1.25%和0.65%，計算整流側(cè)UdR最大值時考慮高低閥組換流變同時調(diào)節(jié)一檔，直流電壓增大0.95%，直流電流下降0.95%保持功率不變。因此相比常規(guī)特高壓直流，分層接入的整流側(cè)一次設(shè)備設(shè)計電壓值更高。

3　Udi0參數(shù)計算

式中：k為額定檔位下的換流變變比；TCstep為換流變分接頭步長，對非分層接入的換流變分接頭一般為1.25%；TCP為控制保護(hù)接收到的換流變分接頭實(shí)際檔位；TCPN為換流變分接頭額定檔位；UV為換流變網(wǎng)側(cè)電壓。在直流控制保護(hù)裝置中，Udi0的計算采用標(biāo)幺值。

由于受到單臺單相三繞組變壓器容量生產(chǎn)能力以及運(yùn)輸條件的限制，目前的直流工程均采用了單相雙繞組變壓器。值得注意的是，電壓應(yīng)力保護(hù)對每個12脈動閥組只計算唯一的Udi0，并且雖然每相換流變都上送各自的檔位BCD碼，不同控制保護(hù)廠家對計算Udi0時的分接頭檔位處理卻有所區(qū)別。ABB路線計算Udi0時，TCP采用換流變六相分接頭檔位值取平均；西門子路線則直接取Y／Y接A相換流變分接頭檔位，如果控制保護(hù)系統(tǒng)與采集A相分接頭

理想空載額定電壓Udi0的物理意義是不考慮觸發(fā)角、換相角和晶閘管正向壓降，加在換流閥上的直流電壓平均值。Udi0的大小僅取決于交流系統(tǒng)電壓和換流變分接頭檔位。

理想空載電壓Udi0的計算公式為BCD碼的分布式測控裝置通信異常則取Y／Y接B相檔位。

僅在電壓應(yīng)力保護(hù)跳閘邏輯中，與跳閘定值比較的Udi0需要根據(jù)交流系統(tǒng)頻率做出修正

式中：Udi0_100為低通濾波后的空載電壓值。

4　功能改進(jìn)

錦屏換流站電壓應(yīng)力保護(hù)動作的直接原因是，Y／Y接 A相換流變分接頭操作回路繼電器故障，故障相分接頭檔位停留在了高檔位上?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)根據(jù)分接頭檔位計算出的Udi0超過了Udi0L，發(fā)出強(qiáng)制降分接頭指令。正常的5相正常執(zhí)行降分接頭操作，故障的A相由于分接頭操作回路故障檔位一直無法降低?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)根據(jù)A相分接頭檔位計算出的Udi0值一直大于Udi0L，導(dǎo)致運(yùn)行人員手動斷開操作回路電源前，其他5相一直在執(zhí)行降分接頭動作。各相分接頭檔位相差過大以后，保護(hù)動作出口。

理想空載電壓由換流變閥側(cè)電壓決定，理想運(yùn)行狀態(tài)下每個橋臂承受的電壓為導(dǎo)通相閥側(cè)線電壓的一半，實(shí)際由于觸發(fā)角和換相角以及晶閘管正常導(dǎo)通時不需要承受反向電壓，換流閥上承受的電壓明顯小于理想空載電壓值。而且一次設(shè)備的設(shè)計電壓值為Udi0L增加1%測量誤差裕度。因此從保護(hù)一次設(shè)備的角度考慮，一相換流變檔位計算出的理想空載電壓值高于強(qiáng)制降分接頭動作值不會在換流閥上形成超出設(shè)備承受范圍的過電壓，不應(yīng)造成閥組閉鎖。為防止此類跳閘事故發(fā)生，需要對電壓應(yīng)力保護(hù)做出優(yōu)化改進(jìn)。

4.1　優(yōu)化方案

采用6相換流變檔位平均值計算Udi0時，一方面分接頭失步時不能反映一次設(shè)備上實(shí)際承受的電壓，另一方面如發(fā)生僅2相或3相空載電壓超過跳閘值，可能由于計算的Udi0偏小導(dǎo)致電壓應(yīng)力保護(hù)拒動。直接選取Y／Y接A相換流變分接頭檔位則具有盲目性，仿真系統(tǒng)模擬錦屏站相同故障，電壓應(yīng)力保護(hù)動作強(qiáng)制降分接頭使得非故障相分接頭一直降到最低。

方案一。強(qiáng)制降低分接頭出口增加分接頭同步作為條件，當(dāng)非故障相分接頭動作后，由于故障相分接頭未動作導(dǎo)致分接頭失步，保護(hù)不能繼續(xù)出口，防止分接頭檔位相差過大引起偏磁電流。

方案二?？紤]泰州站，利用分接頭動作的監(jiān)視信號作為Udi0計算時選擇換流變檔位的判據(jù)。當(dāng)發(fā)出分接頭操作命令后監(jiān)視時間內(nèi)未檢測到A相換流變檔位變化，則認(rèn)為該相換流變分接頭故障，切換到B相進(jìn)行計算。經(jīng)過仿真試驗(yàn)，分接頭失步兩檔后切換到B相，空載電壓低于定值停止分接頭動作。

方案三。控制保護(hù)系統(tǒng)中已有12脈動各相換流變的分接頭的檔位，因此可以優(yōu)化為每相單獨(dú)計算Udi0，分別與強(qiáng)制降分接開關(guān)電壓定值比較，當(dāng)3臺及以上Udi0值超過Udi0L時，則延時5s向本閥組所有換流變發(fā)出降分接開關(guān)信號，3臺以下超過定值時，不發(fā)出降分接開關(guān)信號；禁止升分接開關(guān)、系統(tǒng)切換和跳閘則采用同一閥組6臺換流變中檔位最高值計算得到Udi0，再與定值進(jìn)行比較。保護(hù)所有出口邏輯與是否同步及手動／自動信號無關(guān)。

方案一的弊端在于未以保護(hù)一次設(shè)備為首要考慮條件，可能出現(xiàn)各相分接頭空載電壓超過動作定值，而保護(hù)因分接頭失步不能出口。

比較方案二和三，空載電壓過高而某一相分接頭操作故障時，兩個方案都動作其他相下降至正常范圍停止 （如果故障相為A相則方案二超調(diào)2檔）。當(dāng)兩相分接頭故障時，方案三動作其他四相降低至正常范圍停止；方案二如果故障的不是A和B相則其他四相降低至正常范圍停止；如果故障在A和B相則其他四相一直下降直至跳閘。不考慮三相分接頭故障。

綜合考慮方案三為推薦方案，但是從一次設(shè)備電壓考慮，如果兩相分接頭故障且發(fā)生在同一個六脈動閥組，考慮測量誤差換流閥橋臂上承受的電壓可能超過設(shè)備設(shè)計值，保護(hù)不會動作。如改為兩相空載電壓越限動作降分接頭則會導(dǎo)致分接頭檔位差過大。

4.2　監(jiān)控告警事件配置

采用每相分接頭單獨(dú)計算空載電壓后，應(yīng)該從每個閥組報電壓應(yīng)力保護(hù)動作告警改為每一相單獨(dú)設(shè)置Udi0禁止升、強(qiáng)制降、切換跳閘告警。保證分接開關(guān)異常停止在高檔位時，提醒運(yùn)檢人員故障相以及實(shí)際的電壓水平，為就地操作提供依據(jù)。

5　結(jié)語

基于特高壓換流站換流閥電壓應(yīng)力保護(hù)動作引起的跳閘事故，分析了ABB與西門子兩種主要控制保護(hù)設(shè)備路線的電壓應(yīng)力保護(hù)定值和邏輯設(shè)置。

單相換流變分接開關(guān)故障導(dǎo)致理想空載電壓過高時，控制保護(hù)系統(tǒng)電壓應(yīng)力保護(hù)啟動其他相分接頭動作至正常范圍后停止，不引起閥組閉鎖。

晉北和南京站一次設(shè)備設(shè)計的絕對最大空載直流電壓分別為240 kV和232 kV。分層接入的整流站一次設(shè)備設(shè)計值高于常規(guī)直流。

12脈動各相換流變單獨(dú)計算Udi0并分別與強(qiáng)制降分接開關(guān)功能定值比較，當(dāng)3臺及以上Udi0值超過Udi0L時，則延時5 s向本閥組所有換流變發(fā)出降分接開關(guān)信號。

禁止升分接開關(guān)、系統(tǒng)切換和跳閘則采用同一閥組6臺換流變中檔位最高值計算得到Udi0，再與定值進(jìn)行比較。

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