同塔雙回直流融冰裝置感應(yīng)電壓分析與應(yīng)對措施

張瑞，甘戰(zhàn)，陳慧

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

某電站送電廣東直流輸電工程，即牛從直流輸電系統(tǒng)是世界上首個±500 kV同塔雙回直流輸電工程，包括牛從甲、牛從乙兩回直流輸電系統(tǒng)。牛從甲、牛從乙直流輸電線路部分區(qū)段為雙回同桿架設(shè)，線路總長超過1200 km，沿途經(jīng)過多段20 mm、30 mm重冰區(qū)，其地線每年出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰情況?！?00 kV牛寨換流站為牛從直流輸電系統(tǒng)送端換流站，雙回共站建設(shè)，站內(nèi)配置一套固定式直流融冰裝置（35 kV#1融冰裝置），可對牛從甲、乙回直流輸電線路地線進行融冰。為提高直流通道送電能力，一般采取需融冰回停運、另一回保持運行的方式進行融冰。2021年初融冰過程中，出現(xiàn)融冰裝置啟動過程中受感應(yīng)電壓影響跳閘情況，導(dǎo)致融冰功能不可用，嚴(yán)重影響冰期線路安全穩(wěn)定運行和電力供應(yīng)。

1 35 kV #1融冰裝置受感應(yīng)電壓影響

1.1 融冰裝置及功能概況

牛寨換流站35 kV #1融冰裝置額定容量60 MW、額定電壓±20 kV、額定電流1500 A，2014年1月投運。融冰裝置換流閥由Y橋和D橋串接組成，Y橋、D橋各6個橋臂，每個橋臂11只晶閘管串聯(lián)。為保護換流閥，每個橋臂檢測到2只及以上晶閘管擊穿故障時，融冰裝置跳閘。各晶閘管配置一塊TE板，TE板接收來自脈沖柜發(fā)出的光編碼信號，光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生門極強觸發(fā)脈沖觸發(fā)可控硅，觸發(fā)的同時監(jiān)視晶閘管的工作狀態(tài)，并把信號傳回脈沖柜供其檢測。TE板由RC阻尼回路從晶閘管兩端取能。融冰換流變進線開關(guān)合上后，閥控系統(tǒng)開始晶閘管擊穿檢測。正常工作時，每個周波在晶閘管兩端會產(chǎn)生一定幅值的截止電壓，TE板將該電壓轉(zhuǎn)換為光信號并輸入至脈沖柜內(nèi)的擊穿檢測板監(jiān)測。晶閘管被擊穿后，截止電壓會消失，脈沖柜內(nèi)的擊穿檢測板接收不到截止電壓信號，判斷該晶閘管擊穿。

圖1 晶閘管級接線示意圖

該裝置可為牛從甲、乙直流輸電線路地線及牛寨側(cè)接地極線路進行融冰。其中，對牛從直流輸電線路地線進行融冰時，可通過雙回同停和一回運行一回停運方式開展。

圖2 牛從直流輸電系統(tǒng)雙回同桿架設(shè)示意圖（其中，I回指牛從甲、II回指牛從乙）

圖3為牛寨站35 kV #1融冰裝置接線示意圖。圖中，3141為融冰換流變交流側(cè)進線刀閘，314為融冰換流變交流側(cè)進線開關(guān)，05201為融冰裝置正極母線牛從乙直流極1線路選線刀閘，05202為融冰裝置負極母線牛從乙直流極2線路選線刀閘。

圖3 牛寨站35 kV #1融冰裝置接線示意圖

1.2 融冰裝置啟動跳閘分析

2021年1月，牛從甲直流雙極運行、牛從乙直流雙極停運，利用牛寨站35 kV #1融冰裝置對停運的牛從乙直流輸電線路地線進行融冰，融冰裝置操作合上牛從乙直流線路選線刀閘后，監(jiān)控后臺報“1#整流閥1號臂3、8晶閘管擊穿”，融冰裝置換流變進線開關(guān)跳開?，F(xiàn)場檢查融冰裝置直流極母線避雷器外觀正常，正、負極線路避雷器各動作1次。查看波形，穩(wěn)定時正極母線感應(yīng)電壓最大值負40 kV、負極母線感應(yīng)電壓最大值負30 kV。對全部晶閘管進行導(dǎo)通試驗和直流電阻測試，結(jié)果正常。

牛從甲直流運行、牛從乙直流停運工況下，對牛從乙直流線路感應(yīng)電壓進行持續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)停運回線路不同程度存在感應(yīng)電壓，最高超過100 kV。

表1 一回運行、一回停運工況下停運回線路感應(yīng)電壓監(jiān)測統(tǒng)計表

相同工況下，現(xiàn)場在停運回線路感應(yīng)電壓基本為零時開展牛寨站35 kV #1融冰裝置帶停運回線路地線融冰，結(jié)果正常。

1.3 融冰裝置跳閘原因分析

1.3.1 融冰裝置歷史運行分析

牛從直流部分線路采用同塔雙回架設(shè)方式，牛寨站35 kV #1融冰裝置工程設(shè)計階段，地線融冰時需雙回直流停運進行人工接線。2016年11月，牛從直流線路完成地線融冰自動接線裝置改造，此后牛從直流地線融冰不需雙回同停。統(tǒng)計2018年以來融冰情況，在一回停運、一回運行方式下共開展過融冰操作34次，其中融冰成功31次，2021年1月9日至10日融冰失敗3次。融冰成功情況下，停運回線路電壓低于25 kV。3次融冰失敗情況下，停運回線路感應(yīng)直流電壓大于35 kV。

感應(yīng)電壓在24 kV以下的有22次，占比78%，全部融冰成功；感應(yīng)電壓位于24 kV和35 kV之間的3次，占比11%，全部融冰成功；感應(yīng)電壓大于35 kV的3次，占比11%，全部融冰失敗，感應(yīng)電壓分別為40 kV、60 kV、38 kV?？梢姡袘?yīng)電壓控制在24 kV以下可有效確保融冰裝置正常運行。

1.3.2 融冰裝置跳閘原因

根據(jù)統(tǒng)計分析情況，結(jié)合融冰裝置晶閘管擊穿功能原理，判斷造成牛寨站35 kV #1融冰裝置在一回直流運行、一回直流停運工況下，對停運線路開展融冰操作過程中跳閘原因為：合上融冰裝置選線刀閘后，直流線路感應(yīng)電壓沿融冰管母傳遞至換流閥直流側(cè)，與交流側(cè)換相電壓疊加，導(dǎo)致?lián)Q流閥晶閘管取能回路不能正常取能，進而不能向閥控系統(tǒng)反饋正確的晶閘管兩端電壓信息，判斷晶閘管不可用，超過保護設(shè)定值后跳閘，換流變進線開關(guān)跳開。且感應(yīng)電壓小于24 kV時，可正常實現(xiàn)融冰功能。

2 線路融冰受感應(yīng)電壓影響應(yīng)對

2.1 感應(yīng)電壓影響因素分析

回間差異方面。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，牛從甲運行、牛從乙融冰接線方式時，牛從乙感應(yīng)電壓為負電壓；牛從乙運行、牛從甲融冰接線方式下，牛從甲感應(yīng)電壓為正電壓。且乙回線路更加容易耦合出較高感應(yīng)電壓，主要是由于甲乙回并非全線路對稱架設(shè)所導(dǎo)致。

表2 不同回線路感應(yīng)電壓水平統(tǒng)計表

運行工況和環(huán)境條件方面。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)融冰回路平均覆冰厚度比值和感應(yīng)電壓無明顯線性關(guān)系，融冰回路平均溫度和感應(yīng)電壓無明顯線性關(guān)系，融冰回路平均濕度和感應(yīng)電壓無明顯線性關(guān)系，運行回功率大小和停運回線路感應(yīng)電壓無明顯線性關(guān)系。但可發(fā)現(xiàn)，不論甲回停運還是乙回停運，其感應(yīng)電壓最大值均出現(xiàn)在下午15:00-18:00之間，最小值均出現(xiàn)在凌晨5:00-10:00之間。

運行方式方面。經(jīng)過仿真分析，牛從甲直流雙極運行、牛從乙直流雙極停運時，牛從甲直流極2降壓70%運行時在牛從乙直流線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最低。牛從乙直流雙極運行、牛從甲直流雙極停運時，牛從乙直流極1降壓70%運行時在牛從甲直流線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最低。

2.2 應(yīng)對措施

因造成融冰裝置跳閘的原因為停運回感應(yīng)電壓影響，故圍繞抑制感應(yīng)電壓研究應(yīng)對措施。

2.2.1 技術(shù)措施

1）通過融冰裝置母線并聯(lián)放電間隙，限制過高靜電耦合電壓，確保設(shè)備安全和正常融冰功能。

2）增加兩組旁路開關(guān)，并聯(lián)于上、下六脈動閥組兩側(cè)，通過旁路開關(guān)形成導(dǎo)線接地鉗位點，降低靜電耦合電壓。地線融冰啟動時按以下步驟執(zhí)行：合上旁路開關(guān)、合上選線刀閘、斷開旁路開關(guān)的同時解鎖換流閥。

3）將零功率試驗隔離開關(guān)改造為直流轉(zhuǎn)換開關(guān)。地線融冰啟動時按以下步驟執(zhí)行：零功率試驗?zāi)Ｊ较乱宰钚‰娏鹘怄i、合上選線刀閘、斷開直流轉(zhuǎn)換開關(guān)。

4）在融冰線路或融冰母線構(gòu)建高阻接地降低靜電耦合電壓。地線融冰啟動時按以下步驟執(zhí)行：通過開關(guān)將接地電阻接入融冰母線、合上選線刀閘、融冰裝置地線融冰模式下最小電流解鎖、斷開接地電阻開關(guān)。

以上4類技術(shù)方案均能有效限制線路感應(yīng)電壓對融冰裝置的影響，但考慮經(jīng)濟性、時效性、緊迫性，現(xiàn)場選取了融冰裝置母線加裝放電間隙的措施并完成現(xiàn)場實施及試驗。其他3類方案可作為科技創(chuàng)新方向進行深入研究。融冰裝置正負極母線均加裝放1-30 mm可調(diào)電間隙，在牛從甲直流雙極運行、牛從乙直流停運工況下，合上融冰裝置選線刀閘，間隙可有效抑制線路侵入的感應(yīng)電壓，且驗證間隙與電壓的對應(yīng)關(guān)系為3.4 kV/mm。表3為現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。

表3 放電間隙調(diào)試試驗數(shù)據(jù)記錄表

2.2.2 管理措施現(xiàn)場參照仿真結(jié)論

在牛從甲直流運行、牛從乙直流停運工況下進行實際運行試驗驗證，結(jié)論與仿真結(jié)果一致，牛從甲直流極1全壓、牛從甲直流極2降壓70%時在牛從乙直流線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最小。表4為現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。

表4 牛從甲降壓運行對牛從乙線路感應(yīng)電壓影響試驗記錄表

圖4為牛從甲直流雙極全壓運行、牛從乙直流雙極停運時電壓波形圖，為現(xiàn)場錄波在錄波分析軟件上的回放。圖中示出牛從甲直流極2線路電壓和牛從乙直流極1線路電壓。從圖中可看出，牛從甲直流極2線路為額定電壓-500 kV，牛從乙直流極1線路電壓近50 kV?！癤”、“O”所示值為牛從乙直流極1線路兩個不同時刻電壓值，橫坐標(biāo)為時間（s）。

圖4 牛從甲直流雙極全壓運行、牛從乙直流雙極停運時牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓波形

圖5為牛從甲直流極1全壓運行、牛從甲直流極2 80%額定電壓運行，牛從乙直流雙極停運時電壓波形圖，為現(xiàn)場錄波在錄波分析軟件上的回放。圖中示出牛從甲直流極2線路電壓和牛從乙直流極1線路電壓。從圖中可看出，牛從甲直流極2線路電壓為80%額定電壓即-400 kV，牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓為22 kV左右?！癤”、“O”所示值為牛從乙直流極1線路兩個不同時刻電壓值，橫坐標(biāo)為時間（s）。

圖5 牛從甲直流極1全壓、牛從甲直流極2 80%降壓運行時牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓波形

圖6為牛從甲直流極1全壓運行、牛從甲直流極2降壓70%運行，牛從乙直流雙極停運工況下電壓波形圖。圖中示出牛從甲直流極2線路電壓和牛從乙直流極1線路電壓。從圖中可看出，牛從甲直流極2線路電壓為70%額定電壓即-350 kV，牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓為13 kV左右?！癤”、“O”所示值為牛從乙直流極1線路兩個不同時刻電壓值，橫坐標(biāo)為時間（s）。

圖6 牛從甲直流極1全壓、牛從甲直流極2 70%降壓運行時牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓

3 結(jié)束語

經(jīng)過分析研究，得出如下結(jié)論：

1）同塔雙回直流輸電線路一回運行、一回停運工況下，開展停運回線路地線融冰時，融冰裝置會受停運回線路上侵入的感應(yīng)電壓影響導(dǎo)致晶閘管監(jiān)測回路不能正常取能，進而誤判多個晶閘管擊穿故障跳閘。

2）根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，直流輸電線路感應(yīng)電壓與運行回直流功率、環(huán)境溫濕度、覆冰厚度等無明顯線性關(guān)系，但感應(yīng)電壓最大值基本出現(xiàn)在每日15:00-18:00之間，最小值基本出現(xiàn)在凌晨5:00-10:00之間，可選擇有利時段開展融冰。

3）通過在直流融冰裝置母線加裝放電間隙，并設(shè)定合適間隙值，可有效將停運回線路感應(yīng)電壓限制至融冰裝置正常運行條件內(nèi)，此為最經(jīng)濟最有效的措施。本文中提出的在融冰裝置閥組中增加兩組旁路開關(guān)、改造融冰裝置零功率試驗隔離開關(guān)、在融冰線路或融冰母線構(gòu)建高阻接地3種方案也可有效限制感應(yīng)電壓，可在后續(xù)進一步深入研究。

4）對于同塔雙回直流輸電工程，運行回采取合適降壓運行模式時，可有效抑制停運回線路上感應(yīng)電壓。

5）本文基于同塔雙回直流輸電系統(tǒng)進行直流融冰裝置受線路感應(yīng)電壓影響分析，單獨架設(shè)的同走廊多回直流、交叉跨越直流等系統(tǒng)及交流輸電線路融冰裝置受感應(yīng)電壓影響也可借鑒本文研究結(jié)果。同時，建議直流融冰裝置母線均裝設(shè)放電間隙，并調(diào)試設(shè)定合理間隙值，以有效避免線路感應(yīng)電壓侵入影響融冰設(shè)備及功能。