直流系統發生緊急移相遇雷擊故障時功率反向保護動作分析

三峽電力職業學院 王麗麗 王 濤

湖北超高壓輸變電公司 戴 迪

一、引言

江陵-鵝城高壓直流輸電工程（簡稱江城直流工程）是華中與南方電網間電能交換的跨區聯網工程，2002年4月25日開工建設，2004年6月6日正式投產。江城直流工程雙極額定容量3000MW，額定電壓±500KV，雙極換流閥采用12脈動接線方式，兩端換流站中直流控制、保護功能的實現均采用ABB公司MACH2系統[1-2]。2011年7月26日，江城直流線路因雷擊故障造成江陵站功率反向保護動作閉鎖極II直流系統。本文簡要介紹了故障發生時的設備運行情況，結合故障發生后線路尋線結果，對直流系統在發生緊急移相后，遭受雷擊故障后的能量釋放過程進行了詳細分析，合理的解釋了換流站內功率反向保護的動作原因，再此基礎上，提出了避免功率反向保護誤動的改進方法，避免了該類故障的再次發生。

二、故障描述

2011年7月26日江陵站功率反向保護動作，極II直流閉鎖。經查極II直流線路在故障時刻遭受正電荷雷擊。現場檢查功率反向保護的動作條件判斷本次功率反向保護動作正確。下面將對正電荷雷擊后，雷擊能量如何釋放及泄流通道的構成進行分析。

三、雷電流泄流回路分析

江陵站極II直流線路主接線圖如圖1所示。

當正電荷雷擊中極II直流線路時，雷電波沿線路傳播。根據運行人員現場檢查，江陵站站內無避雷器動作。故雷電波無法通過避雷器將雷電能量泄入大地，只能繼續沿線路傳播到江陵站內。查看極II故障錄波圖如圖2所示。

正雷電波傳播到站內后，在緊急移相未開始前極II直流線路電壓UDL受正雷電波影響由原來的-500KV變為+500KV。由于此時換流閥還處在整流狀態，UDN同時被抬高到約450KV。極II直流場區域內各測量電流均受雷電波影響出現較大的峰值。之后直流線路再啟動邏輯開始緊急移相，觸發角ALPHA變為160度。此時換流閥變為逆變狀態，雷電能量開始通過逆變過程經換流變向交流系統釋放[3-4]。

極II換流變交流進線開關跳開前至緊急移向后，由錄波圖上可以清楚的看到，當ALPHA角變為160度后UDL經過一個較大電壓幅值的震蕩后，電壓從約550KV逐步震蕩衰減，直至換流變交流側進線開關跳開。同時隨著雷電能量向交流系統釋放IDL、IDP、IDNE、IDNC均出現震蕩衰減。錄波圖中IDL、IDP、IDNE、IDNC幅值及方向基本相同，表明雷電流流經以上四個測點且在以上四個測點范圍內無其他泄流通道。查看極II換流變閥側電流如圖3所示。

由圖3看出換流變閥側電流在緊急移相后至交流開關跳開前有電流存在，證明在此期間的雷電流能量通過換流變往交流系統釋放。由以上分析及錄波圖電流方向，在緊急移相至交流開關跳開期間的雷電流泄流回路如圖4所示。

圖2 極II故障錄波圖

圖1 江陵站一次主接線圖

圖3 換流變閥側電流波形

圖4 緊急移相至交流進線開關跳開前雷電流回路圖

圖5 極I直流故障錄波圖

圖6 極II直流故障錄波圖

雷電流流經換流閥后與接地極電流合流，流入極I中性母線，完成泄流過程。

四、算例驗證

查看極I、極II直流錄波圖如圖5，圖6所示。

選取極II故障錄波發生時刻的斷面，觀察IDEL電流值為2130A，極II IDNE電流為2340A，二者之和恰為極I IDNE電流值4400A。證明圖3雷電波泄流回路正確。

在緊急移相發生約270MS后，極II換流變進線側開關跳開。此時雷電波能量無法繼續送往交流系統，逆變過程停止。雷電波少量殘余能量繼續保存在線路上并將線路電壓保持在110KV左右。

隨后控制系統繼續完成極隔離操作，極II直流閉鎖。（換流變分接頭及刀閘拉開過程均為交流開關跳開后的數秒后才執行完成，超出錄波時間范圍。）

五、總結

本次故障中極II線路遭受正電荷雷擊，避雷器未動作導致雷電能量無法通過避雷器釋放。只能沿線路傳遞至站內，并通過緊急移相后的換流閥將能量釋放，其雷電流本身則通過換流閥流入極中性區域完成泄流過程。

惠州站由于換流閥通流方向與江陵站相反，雷電流無法流過惠州站，故惠州站錄波僅UDL出現與江陵站相同的波動，但IDL、IDP、IDNE、IDNC均為零。此次雷擊若為負電荷雷擊則惠州站將會出現與江陵站相同情況。

根據以上分析，本次故障的根本原因在于，直流線路再啟動過程中換流閥處于緊急移相狀態，對整流站來說，其狀態由整流變為逆變，若此時線路上有能量需要釋放，則整流站變為逆變站，導致功率反向保護動作閉鎖單極。為避免此類情況的發生，可在直流線路再啟動過程中閉鎖功率反向保護，防止保護動作造成直流閉鎖。

[1]田杰.高壓直流控制保護系統的設計與實現[J].電力自動化設備,2005,25(9):10-14.

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京:中國電力出版社,2004.

[3]浙江大學發電教研組直流輸電科研組.直流輸電[M].北京:電力工業出版社,1982.

[4]吳娜.高壓直流輸電系統分析與控制初探[D].昆明理工大學,2005.