交流系統故障對直流系統影響分析及改進措施

梁天明

(中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣州市 510405)

0 引言

直流輸電具有傳送功率大、線路造價低、控制性能好等優點，是目前發達國家作為高電壓、大容量、長距離送電和異步聯網的重要手段［1］。隨著國內電網的迅速發展，我國已經形成跨越幾千km的交直流混合互聯系統，聯系起多個能源中心與負荷中心。交、直流系統共存，并相互影響，是當前大電網的重要特點。總結運行維護實踐經驗，掌握交直流混合輸電系統運行規律，對于保證電網的安全穩定運行具有重要意義。本文以南方電網交直流混聯系統運行維護實例為基礎，著重分析交流系統故障對換流閥、閥冷卻系統、直流保護等直流系統薄弱環節造成的影響，并針對具體的影響提出運行維護建議及初步改進意見。

1 交流系統故障引起換流閥換相失敗

南方電網目前同時運行維護天廣直流、高肇直流、興安直流、云廣直流等4個直流輸電系統，且4條直流落點均在廣東省珠三角負荷中心。密集的直流落點帶來新的問題，交流系統的故障引起換流站交流母線電壓波動，可能對多條直流同時造成影響，導致多直流同時換相失敗(commutation failure，CF)事件，甚至導致直流系統停運，對電網的安全穩定造成威脅。從目前的運行維護經驗來看，這個問題越來越突出。

1.1 換相失敗原理

換相失敗是高壓直流輸電系統常見的故障現象之一。由于換流器交流側電感的存在，換流器換相時，電流轉移需要一定的時間才能完成，換相過程持續的時間一般用換相角(μ)來表示。當換流閥的2個橋臂之間換相結束后，剛退出導通的閥在反向電壓作用的一段時間內未能恢復阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程沒有能進行完畢，在閥電壓轉變為正向時被換相的閥將向原來預定退出導通的閥進行倒換相，這就是換相失敗［2-3］。從閥關斷到閥上電壓由負變正的過零點之間的電角度為關斷角或熄弧角，用γ來表示。交流系統對稱時，逆變器的關斷角為

式中:k為換流變壓器的變比;UL為逆變器交流側母線線電壓有效值;Id為直流電流;XC為等效換相電抗;β為超前觸發角。

當逆變側交流系統發生不對稱故障，換相線電壓過零點前移角度Φ時，逆變器的關斷角為

由式(1)、(2)可知，關斷角的大小與交流電壓、直流電流、超前觸發角、換流變壓器變比和等效換相電抗有關，在交流系統發生非對稱故障時，還與電壓過零點偏移角度有關。

在實際運行過程中，排除設備本身故障，導致換相失敗的因素主要是交流系統故障，交流系統故障換流母線電壓幅值下降和電壓過零點的漂移［4］。交流低電壓導致逆變側換相電壓的降低，從而致使本應導通的閥無法導通，最終導致換相失敗。不同類型的故障如三相短路故障、單相短路故障和相間短路故障等對換相失敗的影響不同。此外，交流系統故障的發生地點和故障的嚴重程度對換相失敗的影響亦不同。離故障點電氣距離越近的逆變站發生換相失敗的情況越嚴重［5-6］。

1.2 多直流換相失敗情況統計分析

1.2.1 交流系統故障導致直流換相失敗統計

近些年交流系統故障導致多直流同時換向失敗的事件在南方電網運維直流工程中較為常見。對2012年此類故障進行統計，如表1所示。

由表1可知，500kV交流線路及主變發生故障跳閘是誘發直流換相失敗的主要原因，這些交流故障呈現以下特點:

(1)故障設備與換流站電氣距離較近。多為換流站內或鄰近變電站內重載交流設備故障。

(2)故障設備電壓等級比較高，均為500kV輸變電設備，目前尚未出現220 kV及以下設備及線路故障導致換相失敗的案例。

表1 南方電網2012年多直流換相失敗統計Tab.1 Statistics of multiple DC commutation failure in China Southern Power Grid during 2012

1.2.2 多直流換相失敗典型案例分析

2012年5月3日，500kV安莞線(安莞線為興安直流寶安換流站內重載線路)主保護動作，線路重合閘動作成功。興安直流寶安換流站、天廣直流廣州換流站、云廣直流穗東換流站同一時刻發生換向失敗。3個直流工程逆變側交流系統電壓波形如圖1～3所示。

圖1 寶安換流站交流系統電壓波形Fig.1 Voltage waveform of AC system in Baoan converter station

圖2 廣州換流站交流系統電壓波形Fig.2 Voltage waveform of AC system in Guangzhou converter station

錄波顯示故障時刻寶安換流站、廣州換流站、穗東換流站交流系統A、B、C相電壓波形均有異常，其中B相電壓跌落最為明顯。以寶安換流站為例，直流量變化如圖4所示，通過熄弧角的變化可以看出，故障發生后寶安換流站極二發生換相失敗，導致極二的直流電壓迅速降低;直流電流升高，直流功率短時大幅降低。

圖3 穗東換流站交流系統電壓波形Fig.3 Voltage waveform of AC system in Suidong converter station

圖4 寶安換流站極二電壓、電流、熄弧角波形Fig.4 Voltage，current and extinction angle waveform in Baoan converter station

一般交流系統保護能正確動作切除故障，或瞬時跳閘重合成功。直流系統的換相失敗也能自動恢復，不會對電網運行和電力供應造成嚴重影響。但換相失敗造成直流功率短時大幅下降，對直流系統兩端交流電網造成沖擊，且短路電流對直流設備造成損傷，影響直流設備的使用壽命。因此避免換相失敗或最大限度降低其影響是目前常規換流技術中最受重視的課題之一。

目前通過直流控制策略，電流調節器能在10 ms左右將換相失敗故障電流減至額定值或以下，以期維持渡過交流系統的擾動期。在三常直流工程中，還加設了一個換相失敗預測控制功能，即根據交流電壓零序分量以及表明其矢量變化程度的α/β分量來預測單相/三相交流電壓可能將發生故障，并因此來增大逆變側的熄弧角以避免換相失敗的發生［7］。

在換流站日常維護過程中，鑒于目前500kV交流系統故障引發多條直流同時換相失敗的問題日益嚴重，對系統造成較大的影響，有必要在全網范圍內對與換流站電氣距離較近的500kV重載交流設備制定特殊維護方案。發現問題及時調整負荷并停電檢修，提高其運行穩定性，有效減少多直流換相失敗的發生。

1.3 交流系統電氣操作引發換相失敗

電氣操作過程中，由于電氣設備接地不合理、局部放電等因素，可能造成電壓的小幅局部波動，如果電壓波動部位與換流變饋線電氣距離較近，可能造成直流系統換相失敗。

2013年05月31日，寶安換流站拉開50732刀閘時(50732刀閘電氣接線如圖5所示)，換流變饋線電壓發生波動，極二發生換相失敗，如圖6所示。

圖5 50732刀閘所在間隔電氣接線Fig.5 Electric connection of Switch 50732

圖6 刀閘拉開過程交流電壓、直流電流和電壓波形Fig.6 AC voltage，DC current and voltage in switch operation

從故障錄波可以看出，50732刀閘拉開時，B相交流電壓發生波動，電壓跌落最小峰值為222 kV(正常峰值為430 kV)，波動持續時間約100 ms，導致換相失敗。這種情況在實際運行維護中罕有發生，屬于偶發現象，且影響范圍比較小，一般不會造成多直流換相失敗，初步判斷為換流變壓器交流側刀閘一次設備存在缺陷，電氣操作過程中存在局部放電所致。建議對一次設備進行解體檢查。

2 交流系統故障導致閥冷卻系統故障

站用電系統是換流站內最重要的輔助設備，為雙極閥冷主泵、冷卻塔、換流變冷卻器等非常重要的負荷提供電源，近區交流系統故障可能造成站用電電壓波動，嚴重時站用電全部丟失，將直接造成雙極閉鎖［9］。

2012年12月15日，500kV硯都站2主變相間故障，高肇直流肇慶換流站站用電擾動并恢復，恢復過程中極二閥冷系統2臺主泵交流電源均跳開，極二閥冷系統判定無主泵運行，導致極二停運。肇慶換流站三回站用電均由外部供電。且三回站用電上級電源均與500kV硯都變電站相關。當硯都站電壓出現擾動，肇慶換流站三回站用電極易受影響。在本次故障過程中，2套設備自投裝置發出退出信號，開關保護報失壓信號，可判斷肇慶站三回站用電電壓確實發生大幅電壓跌落。

閥冷系統兩回400 V交流電源通過2個接觸器-OK111和-OK112二選一接到屏內400 V交流母線，主泵由該交流母線供電，如圖7所示。主泵空開-Q011、-Q012的保護為過流速斷保護，定值為820 A。

圖7 閥冷系統主泵電源電氣接線Fig.7 Electric connection of main pump powerin valve cooling system

極二閥冷系統交流電源1故障恢復重新投入時，由于主泵1與電源失步時間較長，存在較高的殘壓，會產生較大沖擊電流，主泵1的空開-Q011跳開。交流電源1電壓已恢復，但由于交流電源1母線所帶負荷均處于重啟動過程中，此時交流電源1電壓低于正常水平;同時主泵冷啟動沖擊電流較大(約為7倍額定電流)。在上述2種因素共同作用下主泵2投入時沖擊電流大于820 A。故主泵2電源開關-Q012速斷動作跳開，至此，閥冷卻系統2臺主泵均停運，導致直流系統停運。

為避免類似事件發生，提高換流站內站用電運行的穩定性，在換流站的站用電設計及建設中可以做以下改進。

(1)優化進線側電源的網架結構，確保站用電取自不同變電站的不同間隔，網內局部交流設備故障時不會造成全部站用電擾動、丟失［8］。

(2)采用降壓變壓器的方式保證站用電穩定可靠。變壓器具有電氣隔離的作用，經過變壓器多級降壓可有效抑制站用電電壓波動的發生。

(3)對400 V交流電源電壓監視繼電器進行改造。目前大多數交流接觸器的電壓監視繼電器采用所檢測的交流電源供電，當所檢測的主電源失壓時，電壓監視繼電器本身也將失效。建議采用直流電源單獨供電的電壓監視繼電器，一方面直流電源本身比站用電的可靠性更高，另一方面當失去直流電后，有蓄電池作為備用，提高閥冷系統的可靠性，消除電壓波動引發電壓監視功能缺失導致直流停運的情況。

3 交流系統故障導致直流保護誤動作

交流系統故障可能導致交流系統嚴重的電壓跌落，從而引發直流電壓短時劇烈波動，與直流電壓量相關的直流保護誤動作。

2012年12月15日，500kV硯都站 2主變A、B相間故障跳閘，高肇直流肇慶換流站換流變交流饋線A、B相電壓降低，同時直流線路電壓UDL波動。如圖8所示，dU/dt達到保護動作定值，導致高坡換流站和肇慶換流站電壓突變量保護動作，雙極降壓至400kV重啟動。

圖8 故障時刻肇慶換流站極二直流電壓波形Fig.8 DC voltage waveform in Zhaoqing converter station during fault

電壓突變量保護主要用于檢測直流線路故障，如直流線路雷擊、高阻接地等。直流線路故障時直流保護動作，極控系統啟動直流線路故障重啟動順序，通過直流系統閉鎖、線路去游離和系統重啟動等一系列動作，實現直流線路故障后快速恢復［9］。此次電壓突變量保護動作屬于交流系統故障導致直流保護誤動作。

近年來，在南方電網范圍內由于區內交流系統故障導致直流電壓擾動的情況比較普遍，提高直流保護對有效電壓突變的識別能力，是避免保護誤動作的主要手段。目前已完成對興安直流27dU/dt保護優化方案。通過提高低電壓閉鎖dU/dt邏輯的返回電壓定值和返回延時，增強了電壓突變量保護的抗干擾能力，并通過了仿真試驗和RTDS試驗驗證，該措施有效避免了類似直流保護誤動作。

4 基于穩控策略的直流系統針對交流系統故障的自動調節

(1)功率提升和功率回降功能。以直流系統逆變側為例，當所設定500kV重載交流線路跳閘后，為維持直流系統受電端交流系統穩定，系統安穩系統啟動，根據預先設定的設定值及變化率快速改變直流功率［10］。

(2)頻率限制功能。當交流系統故障引起交流電網頻率發生變化時，直流控制系統自動調整直流系統向受電端交流系統輸送的功率值，將電網頻率控制在設定范圍內。

5 結語

目前，多直流密集饋入交流系統的形成給電網的安全穩定運行帶來了嚴峻的挑戰。僅2012年1年內交流系統故障就引發9起多直流同時換相失敗事件(單直流換相失敗事件不計，發生情況更為普遍)、1次直流閉鎖和1次直流保護誤動作事件。隨著未來糯扎渡送廣東、溪洛渡送廣東2個新建直流工程的相繼投產，類似的事件將更加普遍，嚴重故障很可能造成電網失穩。本文既是運行維護經驗的總結，又從運維的實際出發，針對具體情況提出了初步改進意見，能有效提高直流系統對交流系統故障的抗干擾能力，有助于提高直流輸電系統的運行維護水平，并希望對未來直流輸電系統的設計和建設提供有益的參考。

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