換相失敗對暫態功率的影響分析及對策

摘要：換相失敗是高壓直流輸電系統中最常見的故障之一。由于交直流系統的相互作用，當直流系統發生換相失敗時，容易引發交流系統中出現暫態功率倒向問題，進而引起縱聯方向保護的誤動。在換相失敗的環境下，即使單回線也會出現功率倒向的問題。對原因進行了分析，然后利用EMTDC-PSCAD計算兩側功率在換相失敗情況下的變化情況，得出了換相失敗可能會引起故障相拒動、非故障相誤動這一結論。由于分相電流差動保護從原理上不受換相失敗的影響，建議在交直流混聯系統中采用分相電流差動保護。

關鍵詞：直流輸電；換相失敗；暫態功率倒向；分相電流差動保護

作者簡介：邱明瑋（1976-），男，北京人，國網北京市電力公司昌平供電公司營銷部，工程師；李干（1988-），男，河南商丘人，國網北京市電力公司昌平供電公司維修部，工程師。（北京 102206）

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0231-02

直流輸電傳輸容量大、線路走廊利用率高，社會的綜合效益突出。在我國，交直流互聯系統已成為輸電技術的發展方向。但由于交直流系統的相互作用，交流系統故障很容易造成換相失敗的發生，由換相失敗派生的電氣故障分量已成為影響交流側繼電保護誤動的不可忽視的重要因素。

文獻[1]基于PSCAD/EMTDC仿真研究了電流、電壓、功率等交流故障特征量和直流系統的相應特性，并分析了交流系統暫態功率倒向的機理以及對繼電保護的影響。文獻[2]指出電氣距離較近的多饋入直流系統，交流側故障可能導致兩換流站同時發生換相失敗故障，并導致換流站鄰近多條交流線路發生功率倒向。隨著我國高壓直流輸電的進一步發展，直流系統對交流保護的影響問題會越發突出。特別是在故障情況下所表現出的交流電氣故障特征變化，給傳統交流電力系統的繼電保護領域提出了新的課題。因此，應深入研究交直流互聯電網中直流系統對交流系統的影響，發現并解決這些給交流系統帶來的負面效應，以保障交直流互聯電網的安全可靠運行。

傳統的功率倒向問題一般出現在雙回線中的非故障線上，但換相失敗期間功率倒向問題呈現出了新的特點。本文在總結前人的工作基礎上，重點討論的是單回線功率倒向的問題。利用標準國際大電網會議中的HVDC仿真標準測試模型進行了仿真驗證。通過提取三相電流和電壓以及電壓、電流間的相角，進而計算出每相的功率，此時可以明顯看出功率倒向的現象。針對換相失敗對繼電保護的影響提出了應對措施。

一、換相失敗對暫態功率的影響分析

在分析交直流互聯系統的相互影響時，一般把直流系統等效為由換流母線電壓控制的壓控流源。當直流系統發生換相失敗時，直流系統在控制作用下產生“持續的快速動態變化”，此時等值的壓控流源表現出快速性和復雜性，使得流入交流系統的電流幅值和相位都發生了快速改變，因此流入交流系統的功率也產生了較大的改變。

傳統的功率倒向問題一般是指在雙回線路中，當故障線路一側斷路器跳開后，非故障線路會出現功率倒向的現象。但在換相失敗期間，單回線也會出現功率倒向問題，下面就單回線功率倒向問題進行研究。

通過圖1，可以這樣描述換相失敗對暫態功率的影響：假設C相在F點發生了單相接地故障，并且引發了直流系統換相失敗。在換相失敗期間通過斷路器B1的功率方向可能發生變化：即由正方向（由B1流向F）變為了反方向（F流向B1），此時B1側發出閉鎖信號，導致縱聯方向保護拒動；對非故障相B相而言，如沒有換相失敗故障的影響，B4方向元件感受到的功率方向為反方向，發出閉鎖信號，保護不誤動；但換相失敗故障可能導致功率方向發生改變。如果斷路器B4處方向元件的靈敏度高于B3處的方向元件，此時由于“觸點競賽”的緣故，非故障相的功率方向元件就可能誤動；對非故障相C相是同樣的道理。

很多學者對功率倒向的原因進行了探討。[5-8]本文認為造成功率反向的原因在于：當交流側故障引發換相失敗時，由于直流系統的控制，使得交流側呈現出了與純交流環境不一樣的故障狀態，即此時流入交流系統的功率是由直流系統的快速控制（直流控制會使無功補償裝置和濾波器產生的無功功率發生劇烈變化）與交流側的故障共同決定的。這兩者的共同作用，類似于純交流系統中的復故障，使得功率在換相失敗暫態過程中表現出了不可預知性，因此可能導致功率出現倒向的問題。

二、解決措施

針對在高壓直流輸電中的功率倒向問題，很多學者都給出了解決措施。但大部分解決措施都是采取閉鎖縱聯方向保護，只是閉鎖時間長短不同而已。但由于故障波形的畸變、保護通道的延時與展寬等原因，保護發生誤動的概率仍然很大。

分相電流差動保護是對兩端電流量進行比較，根據兩側電流的幅值和相位比較的結果來區別是否為區內故障。當交流線路發生故障時，無論是否發生換相失敗，非故障相流過的電流仍然是大小相等、方向相反，兩端電流的和為零；對于故障線路而言，即使發生換相失敗，此時故障線路兩側電流差異仍然較大，兩端電流的和較非故障線路大得多。電流差動保護從原理上就避開了換相失敗的影響，因此建議在與直流系統緊密聯系的交流系統中采用原理較為成熟的光纖電流差動保護。

三、仿真分析

在國際大電網會議（GIGRE）直流輸電標準測試系統基礎上，添加了一條交流輸電線路T，仿真模型如圖2所示。

該模型為12脈動換流器，電壓等級為500kV，輸送容量為1000MW。假設在0.5s時線路T中點處發生了A相接地短路，過渡電阻為5Ω，此時關斷角γ最小可以達到0°，因此換相失敗發生。線路T的正序參數為：；；負序參數為：；零序參數為：，線路全長為100kM。定義換流母線處為M側，交流系統側為N側。

圖3、圖4分別表示的是M側、N側的有功功率隨時間的變化情況。

由圖3可知，換相失敗發生后，A相有一小段時間功率發生了功率倒向，而C相有一大段時間發生了功率倒向的問題。同樣由圖4可知，N側除了B相未發生功率倒向外，A、C兩相都發生了功率倒向的問題。

由于A、C兩相都發生了功率倒向的問題，保護可能判為A、C兩相為正常相，而B相為故障相。根據自動重合閘的原理，此時僅需跳開B相再重合即可，這就造成了保護的不正確動作。因此，換相失敗期間產生的功率倒向問題可能會造成故障相拒動，而非故障相誤動的發生。

四、結論

本文提出的換相失敗對功率方向的影響是基于單回線而言的，與傳統的功率倒向問題不同。通過分析發現，換相失敗期間，由于功率倒向的問題，可能會造成故障相拒動而非故障相誤動的發生。分相電流差動保護從保護原理上不受換相失敗的影響，因此建議與直流系統緊密聯系的交流系統中采用原理較為成熟的光纖電流差動保護。

參考文獻：

[1]劉強，蔡澤祥，劉為雄，等.交直流互聯電網暫態功率倒向及對繼電保護的影響[J].電力系統自動化，2007，31（7）：35-38.

[2]楊光亮，郃能靈，鄭曉東等.多饋入高壓直流輸電系統中功率倒向問題[J].電力自動化設備，2010，30（5）：22-27.

[3]李曉華，蔡澤祥，黃明輝，等.交直流電網故障暫態功率倒向解析[J].電力系統自動化，2012，36（10）：61-66.

[4]徐政.交直流電力系統動態行為分析[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]朱聲石.高壓電網繼電保護原理與技術[M].北京：中國電力出版社，2005：236-243.

[6]魯德鋒，毛為民，冼偉雄.直流換流站換流失敗引起繼電保護不正確動作的分析及防范措施探討[J].電力設備，2006，7（1）54-56.

[7]陳久林，陳建民，張量，等.功率倒向對平行雙回線縱聯保護的影響分析及對策[J].電力系統自動化，2006，30（2）：105-107.

[8]劉之堯，唐卓堯，張文峰，等.直流換相失敗引起繼電保護誤動分析[J].電力系統自動化，2006，30（19）：104-107.