直流系統(tǒng)發(fā)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(yè)學(xué)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(wǎng)間電能交換的跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)工程，2002年4月25日開工建設(shè)，2004年6月6日正式投產(chǎn)。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(xiàn)均采用ABB公司MACH2系統(tǒng)[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(tǒng)。本文簡要介紹了故障發(fā)生時的設(shè)備運行情況，結(jié)合故障發(fā)生后線路尋線結(jié)果，對直流系統(tǒng)在發(fā)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(nèi)功率反向保護的動作原因，再此基礎(chǔ)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(fā)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(jīng)查極II直流線路在故障時刻遭受正電荷雷擊。現(xiàn)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(gòu)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(dāng)正電荷雷擊中極II直流線路時，雷電波沿線路傳播。根據(jù)運行人員現(xiàn)場檢查，江陵站站內(nèi)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(xù)沿線路傳播到江陵站內(nèi)。查看極II故障錄波圖如圖2所示。

正雷電波傳播到站內(nèi)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?yōu)?500KV。由于此時換流閥還處在整流狀態(tài)，UDN同時被抬高到約450KV。極II直流場區(qū)域內(nèi)各測量電流均受雷電波影響出現(xiàn)較大的峰值。之后直流線路再啟動邏輯開始緊急移相，觸發(fā)角ALPHA變?yōu)?60度。此時換流閥變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，雷電能量開始通過逆變過程經(jīng)換流變向交流系統(tǒng)釋放[3-4]。

極II換流變交流進線開關(guān)跳開前至緊急移向后，由錄波圖上可以清楚的看到，當(dāng)ALPHA角變?yōu)?60度后UDL經(jīng)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(cè)進線開關(guān)跳開。同時隨著雷電能量向交流系統(tǒng)釋放IDL、IDP、IDNE、IDNC均出現(xiàn)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(jīng)以上四個測點且在以上四個測點范圍內(nèi)無其他泄流通道。查看極II換流變閥側(cè)電流如圖3所示。

由圖3看出換流變閥側(cè)電流在緊急移相后至交流開關(guān)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(tǒng)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(guān)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(cè)電流波形

圖4 緊急移相至交流進線開關(guān)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(jīng)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(fā)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(fā)生約270MS后，極II換流變進線側(cè)開關(guān)跳開。此時雷電波能量無法繼續(xù)送往交流系統(tǒng)，逆變過程停止。雷電波少量殘余能量繼續(xù)保存在線路上并將線路電壓保持在110KV左右。

隨后控制系統(tǒng)繼續(xù)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(guān)跳開后的數(shù)秒后才執(zhí)行完成，超出錄波時間范圍。）

五、總結(jié)

本次故障中極II線路遭受正電荷雷擊，避雷器未動作導(dǎo)致雷電能量無法通過避雷器釋放。只能沿線路傳遞至站內(nèi)，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(qū)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(xiàn)與江陵站相同的波動，但IDL、IDP、IDNE、IDNC均為零。此次雷擊若為負(fù)電荷雷擊則惠州站將會出現(xiàn)與江陵站相同情況。

根據(jù)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(tài)，對整流站來說，其狀態(tài)由整流變?yōu)槟孀儯舸藭r線路上有能量需要釋放，則整流站變?yōu)槟孀冋荆瑢?dǎo)致功率反向保護動作閉鎖單極。為避免此類情況的發(fā)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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力自動化設(shè)備,2005,25(9):10-14.

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2004.

[3]浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組.直流輸電[M].北京:電力工業(yè)出版社,1982.

[4]吳娜.高壓直流輸電系統(tǒng)分析與控制初探[D].昆明理工大學(xué),2005.