高壓直流輸電工程共用接地極運(yùn)行風(fēng)險及防范措施工程應(yīng)用

劉茂濤，嚴(yán)海健，徐攀騰，朱 博，李果明，龍建華

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510663）

引言

接地極是直流輸電工程的重要組成部分[1]，當(dāng)直流系統(tǒng)單極大地回線運(yùn)行時，接地極為運(yùn)行電流提供通路。隨著我國高壓直流輸電工程建設(shè)的快速發(fā)展，換流站接地極選擇困難的問題越來越突出，采用共用接地極，減少占地、節(jié)約投資，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯，在國內(nèi)已有廣泛的工程應(yīng)用[2]。共用接地極的多回直流輸電系統(tǒng)既相互獨(dú)立又相互影響，一回直流輸電系統(tǒng)的入地電流，可能造成另一回直流輸電系統(tǒng)保護(hù)動作跳閘或設(shè)備損壞，極端情況下還可能對人身安全造成威脅[3]。因此，必須采取措施加以防范。

1 共用接地極分流回路原理分析

1.1 共用接地極分流回路原理分析

多回直流共用接地極時，雖然通過接地極電氣上互相有連接，但是各回直流獨(dú)立運(yùn)行，互不影響[4]。當(dāng)直流處于雙極平衡運(yùn)行或單極金屬回線時，接地極不流過入地電流，因此不會通過接地極對另一回直流產(chǎn)生影響；當(dāng)直流處于單極大地回線時，接地極雖然有電流流過，但是在另一回直流沒有通路，因此也不會通過共用接地極分流至另一回直流[5]。

然而，若由于某些特殊原因或特定方式，一回直流單極大地回線運(yùn)行（為方便描述稱為直流系統(tǒng)A），另一回直流（為方便描述稱為直流系統(tǒng)B）換流站內(nèi)存在兩個接地點(diǎn)時，如接地極線路刀閘00500 和高速接地開關(guān)0040 同時合上，接地極和站內(nèi)接地網(wǎng)同時接入系統(tǒng)，此時共用接地極、接地極線路、站內(nèi)接地網(wǎng)將形成分流回路，直流系統(tǒng)A 的電流將有一部分流入直流系統(tǒng)B，見圖1。

圖1 分流等效電路

根據(jù)歐姆定律及基爾霍夫定律，IA=IE+IB 且IE*R1=IB*(RL+R2)，計算可得：

式中：IA 為直流系統(tǒng)A 單極大地運(yùn)行電流；IB 為直流系統(tǒng)B 分流電流；R1 為共用接地極電阻；RL 為直流系統(tǒng)B 接地極線路電阻；R2 為直流系統(tǒng)B 站內(nèi)接地網(wǎng)電阻。目前，南方電網(wǎng)在運(yùn)的共有三個共用接地極，均是逆變站共用，根據(jù)式（1）及各回直流接地極、直流線路、站內(nèi)接地網(wǎng)電阻，可計算得出各回直流單極大地滿燮荷運(yùn)行時另一回直流分流值見表1。

表1 系統(tǒng)A 單極大地滿燮荷運(yùn)行系統(tǒng)B 分流情況表

1.2 形成分流回路的情況分析

1.2.1 單極金屬與單極大地方式轉(zhuǎn)換

在單極金屬轉(zhuǎn)單極大地時，逆變站合上接地極線路隔離刀閘00500 后、斷開高速接地開關(guān)0040 前；單極大地轉(zhuǎn)單極金屬時，逆變站合上高速接地開關(guān)0040后、拉開接地極線路隔離刀閘00500 前，接地極和站內(nèi)接地網(wǎng)同時接入，逆變站形成兩個接地點(diǎn)，為分流回路提供條件[6]。

1.2.2 接地極開路保護(hù)動作合上高速接地開關(guān)

在直流系統(tǒng)雙極運(yùn)行或單極大地運(yùn)行時，接地極及接地極線路接入系統(tǒng)，為防止接地極線路斷線導(dǎo)致系統(tǒng)失去接地點(diǎn)，進(jìn)而造成站內(nèi)中性母線過壓，通常配置有接地極開路保護(hù)59EL，59EL 動作均會合上0040[7]。除非燮制保護(hù)系統(tǒng)測量故障或保護(hù)誤動，此時應(yīng)及時開展對應(yīng)檢查，及時明確排查并解除故障，必要時申請直流停運(yùn)。

1.2.3 接地極線路檢修

當(dāng)直流系統(tǒng)B 接地極線路需要檢修時，需將接地極線路隔離（拉開00500），對應(yīng)的直流系統(tǒng)B 的狀態(tài)為雙極停運(yùn)或單極金屬回線運(yùn)行。若直流系統(tǒng)A 單極大地運(yùn)行，將有直流電流流過接地極線路，此時將直接威脅在接地極線路上檢修人員的人身安全[8]。

2 共用接地極分流風(fēng)險分析

2.1 共用接地極對燮制保護(hù)系統(tǒng)風(fēng)險分析

查閱各直流工程設(shè)計規(guī)范相關(guān)研究表明共用接地極對閉環(huán)和開環(huán)燮制均無影響[9]，本節(jié)重點(diǎn)分析對保護(hù)系統(tǒng)的影響。

由上文分析可知，共用接地極產(chǎn)生的分流電流主要反應(yīng)在Idee1、Idee2 和IdSG，因此本節(jié)討論也是基于判據(jù)中采集上述3 個電流的相關(guān)保護(hù)，主要有接地網(wǎng)過流保護(hù)76SG、接地極不平衡保護(hù)60EL、接地極過流保護(hù)76EL、接地極母線差動保護(hù)87EB。其中，分流電流平均流過兩條接地極線路，Idee1、Idee2 電流相等，因此60EL 不會動作；分流電流遠(yuǎn)小于76EL 保護(hù)定值，因此76EL 也不會動作。87EB 動作判據(jù)還需結(jié)合刀閘位置進(jìn)行判斷，也不會動作。因此，受影響的主要是76SG 保護(hù)，各回直流76SG 保護(hù)定值見表2。

表2 各回直流76SG 保護(hù)定值

2.2 對設(shè)備安全運(yùn)行的影響分析

接地極線路刀閘00500 為隔離刀閘，不具備電流分?jǐn)嗄芰?。高速接地開關(guān)0040 結(jié)構(gòu)上沒有滅弧燮，也不具備電流分?jǐn)嗄芰10]。根據(jù)設(shè)備技術(shù)規(guī)范，00500 和0040 具備一定的電流轉(zhuǎn)移能力，應(yīng)具有將雙極運(yùn)行時不平衡電流轉(zhuǎn)移到接地極的能力，一般情況下，換流站雙極不平衡電流按照小于額定電流的1%設(shè)計。

2.3 對人身安全的影響分析

獨(dú)立接地極的直流輸電系統(tǒng)，接地極線路檢修時安措為拉開站內(nèi)接地極線路隔離刀閘00500、合上接地極線路地刀0050017，但是對于共用接地極的直流輸電系統(tǒng)，該安措不足，還需拉開共用接地極側(cè)刀閘（如00602），徹底斷開接地極線路與接地極之間的電氣聯(lián)系。若直流系統(tǒng)A 單極大地運(yùn)行，將有直流電流流過接地極線路，直接威脅在接地極線路上檢修人員的人身安全[11]。

3 共用接地極風(fēng)險防范措施

3.1 優(yōu)化運(yùn)行方式和倒閘操作方式

當(dāng)共用接地極直流系統(tǒng)A 為單極大地運(yùn)行時，不應(yīng)進(jìn)行直流系統(tǒng)B 單極金屬和單極大地的互相轉(zhuǎn)換。若因特殊原因一定要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，應(yīng)盡快采取措施消除直流系統(tǒng)A 的入地電流，如將運(yùn)行中的單極閉鎖或?qū)⑵滢D(zhuǎn)金屬回線運(yùn)行或恢復(fù)雙極平衡運(yùn)行，待消除入地電流后再進(jìn)行直流系統(tǒng)B 的轉(zhuǎn)換操作。

3.2 優(yōu)化接地方式，避免形成分流回路

直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行或者方式轉(zhuǎn)換過程中，需確保始終有可靠的接地點(diǎn)，雙極及單極大地運(yùn)行時接地點(diǎn)為接地極，單極金屬回線運(yùn)行時接地點(diǎn)為逆變站站內(nèi)接地網(wǎng)，在單極金屬與單極大地轉(zhuǎn)換過程中，部分時間逆變站兩個接地點(diǎn)同時存在。鑒于轉(zhuǎn)換過程中，兩個接地點(diǎn)同時存在，有分流的風(fēng)險，因此可考慮接地點(diǎn)不進(jìn)行切換，單極金屬回線運(yùn)行時逆變站仍采用接地極接地。

3.3 配置直流斷路器，切斷分流電流

由2.2 節(jié)分析可知，共用接地極分流電流可能損壞00500 設(shè)備，或者導(dǎo)致0040 斷開失敗，根本原因是該設(shè)備不具備開斷直流電流的能力。因此，可參考換流站中性母線開關(guān)HSNBS、金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)MRTB（MRS），配備專門的振蕩回路和吸能避雷器，將高速接地開關(guān)改造為具有直流電流切換能力的開關(guān)，同時在接地極線路及站內(nèi)中性母線之間增加配置高速開關(guān)（與00500 串聯(lián)）。

3.4 加裝限流電阻，減小分流電流

根據(jù)式（1）可增大分母，即在高速接地開關(guān)刀閘00401 兩側(cè)加裝并聯(lián)限流電阻，通過與00401 刀閘的配合操作，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電阻的接入和退出，見圖2 及圖3，最終降低分流電流。按照將分流電流限制在10A 來燮制，根據(jù)式（1）及各回直流相關(guān)電阻參數(shù)，可計算出興安、楚穗、高肇、普僑、牛從直流分別需加裝的電阻為69Ω、68Ω、69Ω、65Ω、74Ω。

圖2 限流電阻接入示意圖

圖3 限流電阻退出示意圖

4 共用接地極改造工程應(yīng)用

南方電網(wǎng)公司各直流工程逆變側(cè)站前期采用3.1節(jié)方案一優(yōu)化運(yùn)行方式和操作方式管理型防范措施。

2020 年4 月至2021 年4 月，南方電網(wǎng)公司牛從、普僑、祿高肇、興安、新東、楚穗直流工程陸續(xù)完成共用接地極加裝限流電阻改造項(xiàng)目施工，實(shí)際工程應(yīng)用如圖4 所示。

圖4 高壓直流工程加裝限流電阻實(shí)際應(yīng)用

各直流工程加裝限流電阻改造項(xiàng)目完成后進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，調(diào)試項(xiàng)目包括直流系統(tǒng)A 單極大地回線方式下進(jìn)行直流系統(tǒng)B 的單極大地與單極金屬回線方式轉(zhuǎn)換，相關(guān)直流保護(hù)均未動作，試驗(yàn)結(jié)果均符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合南方電網(wǎng)在運(yùn)的直流輸電工程，從理論上分析共用接地極分流回路的原理，并定量計算了滿燮荷情況下共用接地極各回直流分流電流的大小，分別分析對燮制保護(hù)、設(shè)備運(yùn)行、人身安全存在的風(fēng)險，并從倒閘操作、設(shè)備配置、系統(tǒng)設(shè)計方面，提出在運(yùn)工程、新改建工程風(fēng)險防范措施并得以實(shí)際工程應(yīng)用。各項(xiàng)防范措施有利于保證電網(wǎng)、設(shè)備、人身的安全，對后續(xù)共用接地極直流工程的系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備運(yùn)維具有重大的借鑒意義。