錦屏—蘇南±800kV特高壓直流工程交流濾波器投入異常分析和應(yīng)對(duì)措施

賈軒濤，嚴(yán)兵，張愛玲，姚進(jìn)波，吳寶生

(1.許繼電氣股份有限公司，河南省許昌市 461000;2.國網(wǎng)運(yùn)行有限公司上海超高壓管理處，上海市 201413)

0 引言

2012年6月5日，錦屏—蘇南±800kV特高壓直流輸電工程(簡(jiǎn)稱錦蘇工程)同里換流站在進(jìn)行站系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，在極1低端換流變壓器(簡(jiǎn)稱換流變)充電操作過程中，無功控制系統(tǒng)由交流系統(tǒng)低電壓監(jiān)視(Umin)功能發(fā)出交流濾波器/電容器投入命令，處于熱備用狀態(tài)的交流濾波器/電容器5612、5611、5634、5633、5643、5644、5613、5614、5631、5632、5641、5642依次投入(當(dāng)時(shí)第2大組濾波器處于冷備用)。12組濾波器/電容器相繼投入后，交流母線電壓由505 kV升至550 kV以上，交流濾波器母線過壓保護(hù)動(dòng)作，跳開第4大組濾波器后無功控制(reactive power control，RPC)重新將其投入運(yùn)行，最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總指揮命令，運(yùn)行人員手動(dòng)啟動(dòng)緊急停運(yùn)(emergency stop off，ESOF)按鈕，跳開換流變進(jìn)線開關(guān)并手動(dòng)拉開所有交流濾波器使交流電壓恢復(fù)正常。

此次事件暴露的問題主要有:交流濾波器/電容器異常投入、交流濾波器母線過電壓保護(hù)跳閘時(shí)序與程序不符、交流濾波器/電容器未完全放電的情況下再次被投入、控制功能缺少相應(yīng)的聯(lián)鎖邏輯等。

1 換流站無功控制策略

直流輸電工程無功功率控制的目的是保證交直流系統(tǒng)的無功交換滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)減輕換流站諧波對(duì)交直流系統(tǒng)及主設(shè)備的危害。實(shí)際工程中無功控制主要通過對(duì)交流濾波器小組等無功單元的投切實(shí)現(xiàn)，需要考慮的因素有交直流系統(tǒng)無功交換的平衡、交流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓的限制、基本濾波條件的保證和濾波性能的優(yōu)化、無功單元投切的均衡性、投切過程對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)等［1］。同里換流站共配置了4個(gè)大組、12個(gè)小組交流濾波器/電容器，具體參數(shù)及類型如圖1所示。

圖1 同里換流站交流濾波器配置Fig.1 Configuration of AC filters in Tongli Converter Station

直流輸電無功功率控制主要有:絕對(duì)最小濾波器控制;Umax、Umin控制;Qmax控制;最小濾波器控制;Q控制、U控制。其中，絕對(duì)最小濾波器控制主要是指由設(shè)備額定應(yīng)力來決定投入的濾波器;Umax、Umin是為了監(jiān)視和穩(wěn)定交流母線電壓;Qmax是為了限制投入濾波器的數(shù)量;最小濾波器控制則是投入足夠的濾波器用于滿足濾除特征諧波的要求;Q控制、U控制是通過控制與交流系統(tǒng)的無功交換量或者控制交流母線電壓在參考值的死區(qū)范圍內(nèi)［2-3］。

上述無功控制功能的優(yōu)先級(jí)則是按照順序由上至下依次遞減。其中前2項(xiàng)控制不受無功控制自動(dòng)或手動(dòng)模式限制，同時(shí)絕對(duì)最小濾波器控制僅在換流器具備解鎖條件(空載升壓試驗(yàn)除外)或者功率輸送狀態(tài)下起作用，Umax、Umin在交流母線帶電或者換流變帶電條件下有效;后3項(xiàng)功能僅在直流系統(tǒng)解鎖后，功率輸送狀態(tài)下起作用。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)過程，在極1低端換流變壓器充電時(shí)，閥組未解鎖的狀態(tài)下，無功控制中起作用的僅有Umax、Umin功能，該部分軟件邏輯如圖2所示。

在圖2中，ENERGIZEN為交流母線帶電或者換流變壓器充電信號(hào);UAC_BUS1、UAC_BUS2分別是500kV交流場(chǎng)I母、II母AB相的線電壓;U_MAX_LIMIT為Umax參考值，本工程該值取550 kV;U_MIN_LIMIT為Umin參考值，本工程該值取475 kV。

當(dāng)交流場(chǎng)帶電或者換流變壓器帶電后，如果交流母線電壓大于550 kV，無功控制系統(tǒng)Umax功能發(fā)出交流濾波器切除命令;如果交流母線電壓低于475 kV，無功控制系統(tǒng)Umin功能發(fā)出交流濾波器投入命令。

圖2 無功功率控制Umax/Umin邏輯圖Fig.2 Logic of Umax/Uminfunction in reactive power control

2 交流濾波器投入異常的分析

2.1 交流濾波器投入異常的過程

事件發(fā)生前現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)的工況:交流場(chǎng)I母、II母已帶電，線電壓為505 kV左右;第1、3、4大組交流濾波器共12個(gè)小組處于熱備用狀態(tài);極1低端換流變壓器準(zhǔn)備進(jìn)行充電操作，其余換流變壓器還未完成安裝或本體調(diào)試;相關(guān)的控制保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。

當(dāng)運(yùn)行人員手動(dòng)合上換流變進(jìn)線開關(guān)進(jìn)行充電操作后，無功控制系統(tǒng)將所有處于熱備用的12組交流濾波器/電容器在30 s內(nèi)全部投入。交流電壓上升到550 kV以上，交流濾波器母線過電壓保護(hù)動(dòng)作，將第4大組濾波器全部切除。切除后的濾波器/電容器還未完全放電，無功控制系統(tǒng)又將其全部投入。最后運(yùn)行人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指揮按下緊急停運(yùn)按鈕，跳開換流變進(jìn)線開關(guān)后，手動(dòng)拉開所有交流濾波器/電容器小組開關(guān)。

2.2 交流濾波器投入異常的原因

在特高壓直流工程中，直流控制系統(tǒng)分為3層:雙極層/站層(BCP)、極層(PCP)、閥組層(CCP)，其中雙極層控制主要負(fù)責(zé)兩極間的協(xié)調(diào)控制和全站的無功功率控制，極層控制主要完成本極2個(gè)閥組的協(xié)調(diào)控制，閥組層控制主要完成換流閥控制脈沖的發(fā)生等功能［4-7］。

由于無功控制位于BCP，用于檢測(cè)交流場(chǎng)電壓的UAC_BUS1、UAC_BUS2由其直接采集，而換流變帶電信號(hào)(邏輯信號(hào)，1為已帶電、0為未帶電)由CCP完成判斷并送至PCP，再由PCP送至BCP用于無功控制的邏輯判斷。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)問題發(fā)生后，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)用于無功控制的交流母線電壓測(cè)量值UAC_BUS1、UAC_BUS2輸入回路的屏內(nèi)測(cè)試端子連片被打開，造成UAC_BUS1與UAC_BUS2測(cè)量值為0。對(duì)圖2進(jìn)行分析:當(dāng)極1低端換流變壓器充電后ENERGIZEN條件被滿足，由于UAC100取交流場(chǎng)I母、II母線電壓的最大值為0，低于Umin參考值475 kV，因此Umin控制功能一直發(fā)出交流濾波器投入命令，將處于熱備用條件下的12組濾波器/電容器依次投入。

其原因也可以解釋為用于無功控制的交流母線電壓測(cè)量回路開路，在換流變充電后雙極控制系統(tǒng)將處于熱備用的濾波器/電容器小組誤投入。RCP交流電壓輸入回路如圖3所示。

圖3 RPC交流電壓輸入回路Fig.3 Input circuit of AC voltage for reactive power control

2.3 電壓測(cè)量回路開路引起濾波器誤投入的解決措施

由于交流濾波器/電容器小組的誤投入，使站內(nèi)交流系統(tǒng)過電壓達(dá)到550 kV以上，嚴(yán)重影響江蘇省電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于現(xiàn)場(chǎng)指揮及操作人員應(yīng)急處理及時(shí)、得當(dāng)，避免了事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，在不改變現(xiàn)有的外部電纜接線和控制保護(hù)程序分層結(jié)構(gòu)下，以盡可能小的改動(dòng)來解決問題，并做出如下更改。

在Umax、Umin軟件邏輯中增加低電壓閉鎖功能，以防止交流電壓測(cè)量回路開路引起的RPC誤動(dòng)作，如圖4所示。在圖4中UAC_N為正常交流電壓，該值取505 kV，當(dāng)交流母線電壓測(cè)量值UAC_100小于正常電壓的0.2倍時(shí)，將閉鎖Umax和Umin功能。

圖4 更改后的無功功率控制Umax/Umin邏輯圖Fig.4 Logic of Umax/Uminfunction in updated reactive power control

由此可見，軟件邏輯在更改后能夠有效避免因?yàn)殡妷簻y(cè)量回路開路引起的交流濾波器誤投入。

3 交流濾波器異常投入引發(fā)的其他相關(guān)問題

第1、3、4大組共12個(gè)小組交流濾波器/電容器依次投入后，交流母線電壓最高上升至575 kV左右，第4大組交流濾波器母線過電壓保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)跳開第4大組共4個(gè)小組交流濾波器/電容器，1 s后RPC Umin功能將4個(gè)小組依次投入。在此過程中，除了交流濾波器/電容器異常投入外還存在如下問題:交流濾波器大組過電壓保護(hù)跳閘時(shí)序不對(duì);交流濾波器在跳閘后還未完全放電的情況下又被重新投入。

3.1 交流濾波器母線過電壓保護(hù)跳閘

直流工程換流站中交流濾波器的設(shè)置主要是為換流器提供無功補(bǔ)償和濾除諧波用的，由于當(dāng)時(shí)并無直流功率輸送，12組交流濾波器/電容器產(chǎn)生的無功功率通過交流場(chǎng)交流出線進(jìn)入江蘇電網(wǎng)系統(tǒng)，造成交流電壓隨著濾波器/電容器的投入逐步升高，在此過程中由于電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)吸收少量無功功率，故在某一階段電壓會(huì)有小幅回落，但總體上保持快速上升趨勢(shì)。

與國內(nèi)常規(guī)交流濾波器保護(hù)不同，錦蘇工程中交流濾波器保護(hù)是按大組進(jìn)行配置的。每大組濾波器(包含各小組)配置了2套冗余的濾波器保護(hù)屏柜，每套保護(hù)裝置負(fù)責(zé)本大組連線保護(hù)和各個(gè)小組的保護(hù)，其中母線過電壓保護(hù)的定值如表1所示。

表1 同里站交流濾波器母線過電壓保護(hù)定值表Tab.1 Setting for AC filter over-voltage protection in Tongli Converter Station

在表1中1段為告警，其余段為跳閘;其中2～5段逐級(jí)跳開各大組交流濾波器，6段是同時(shí)跳開所有交流濾波器/電容器。以2段為例，其電壓定值為1.15 pu(1 pu為505 kV)，即相電壓為453.5 kV;第1大組母線過電壓保護(hù)如果檢測(cè)到電壓超過定值10 s后，跳開本大組所有小組開關(guān);第2大組則需20 s延時(shí);第3、4分別需要30、40 s延時(shí);在延時(shí)過程中，如果電壓低于定值，延時(shí)時(shí)間需要重新進(jìn)行計(jì)時(shí)［8-11］。

12組交流濾波器/電容器投入后過電壓水平低于1.15 pu，故僅有2段跳閘出口。理論上10 s后應(yīng)先跳開第1大組濾波器，但實(shí)際上只有第4大組過電壓保護(hù)動(dòng)作，與母線過電壓保護(hù)時(shí)序(第1、2、3、4大組按順序依次跳閘)邏輯不符。

根據(jù)圖5的故障錄波來看，當(dāng)?shù)?大組母線過電壓跳閘時(shí)，交流母線電壓已經(jīng)穩(wěn)定在1.104 pu，與2段定值非常接近，由于測(cè)量系統(tǒng)存在測(cè)量誤差，對(duì)保護(hù)測(cè)量誤差要求為±0.5%，由此可以推斷:某一時(shí)段第1、3大組(第2大組冷備用)電壓測(cè)量值低于1.1 pu，延時(shí)時(shí)間未達(dá)到設(shè)定值并反復(fù)進(jìn)行重新計(jì)數(shù)，所以過電壓保護(hù)未跳閘。同時(shí)根據(jù)后臺(tái)監(jiān)控事件中跳閘時(shí)間推算，第4大組跳閘發(fā)生在5641投入40 s后，與程序跳閘延時(shí)一致。

圖5 第4大組過電壓保護(hù)跳閘故障錄波圖Fig.5 Fault record of over-voltage trip of the fourth filter bank

因此交流濾波器母線過電壓保護(hù)跳閘時(shí)序異常的原因可以歸結(jié)為:電壓測(cè)量回路的誤差。

3.2 交流濾波器未完全放電狀況下再投入

正常情況下，交流濾波器/電容器切除后要將能量充分釋放才能再次投入到系統(tǒng)中，其目的是為了保證交流系統(tǒng)的穩(wěn)定和避免設(shè)備本體過應(yīng)力受損。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作過程中，交流濾波器母線過電壓保護(hù)不同于其他保護(hù)(如過流、差動(dòng)、電抗器過負(fù)荷等)，過流、差動(dòng)、電抗器/電阻器過負(fù)荷、電容器不平衡等保護(hù)反應(yīng)的是設(shè)備元器件確實(shí)出現(xiàn)故障，因此保護(hù)跳閘后會(huì)鎖定相應(yīng)的斷路器，禁止其再次合閘。當(dāng)故障排除后，必須經(jīng)運(yùn)行人員手動(dòng)回歸后，該斷路器才能再次投入運(yùn)行。而交流母線過電壓保護(hù)僅在反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況出現(xiàn)異常時(shí)啟動(dòng)，而保護(hù)跳閘后并不會(huì)鎖定斷路器，這一設(shè)計(jì)理念在直流工程中已被大家認(rèn)可。

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)交流濾波器母線過電壓保護(hù)跳開小組開關(guān)后，RPC立即將可用的交流濾波器/電容器再次投入，由此可見，在軟件邏輯設(shè)計(jì)方面存在不足之處，需要增加相應(yīng)的聯(lián)鎖邏輯。RPC對(duì)濾波器/電容器進(jìn)行投入操作的前提是該小組是可用的，“濾波器小組可用”信號(hào)由交流濾波器控制(AC filter control，AFC)進(jìn)行判斷并通過CAN總線上送給RPC功能所在的BCP控制主機(jī)。

在圖6所示邏輯中，當(dāng)交流濾波器母線過電壓保護(hù)跳閘后，由于不會(huì)鎖定斷路器，所以當(dāng)其余條件滿足后“濾波器小組可用”信號(hào)即為1;結(jié)合以往工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可在AFC上述的程序中增加相應(yīng)的聯(lián)鎖條件，使設(shè)備能夠更加可靠地運(yùn)行。

如圖7所示，當(dāng)AFC檢測(cè)到小組斷路器分閘狀態(tài)，經(jīng)延時(shí)10 min后“濾波器小組可用”信號(hào)才能為“1”，并送至RPC。因此，無論是無功控制切除濾波器、保護(hù)跳閘、遠(yuǎn)方手動(dòng)分閘還是就地操作等，小組開關(guān)跳開后濾波器/電容器有充足的時(shí)間進(jìn)行能量釋放。

4 結(jié)語

錦蘇工程系統(tǒng)調(diào)試期間交流濾波器/電容器異常投入及反復(fù)投切的原因主要是，由于無功控制及交流濾波器控制系統(tǒng)軟件的邏輯設(shè)計(jì)不完善所致，在軟件中增加了低電壓監(jiān)視和相應(yīng)的聯(lián)鎖邏輯后，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的軟件能夠有效地避免交流電壓測(cè)量回路開路引起的Umin誤投入交流濾波器/電容器小組，同時(shí)徹底解決了交流濾波器/電容器小組在切除后還未完全放電的情況下再次被投入的問題和隱患。

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