區(qū)域交流電網(wǎng)故障引起直流系統(tǒng)換相失敗的分析

陳鐵敏，浦琴琴，徐 明

（國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司變電檢修中心，上海 200063）

0 引言

目前，國家電網(wǎng)公司已經(jīng)投運跨區(qū)直流輸電工程14個，換流站25座，輸送容量42.25 GW。作為國家電網(wǎng)主網(wǎng)架的重要組成部分，“十二五”期間，還將有一大批跨區(qū)直流輸電工程開工建設(shè)并投運。

直流輸電有利于改善兩側(cè)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)交流系統(tǒng)的非同步運行，是實施電力資源優(yōu)化配置的重要戰(zhàn)略通道，具有輸送容量大、輸電距離長、技術(shù)先進、設(shè)備復雜等特點，因此對設(shè)備運行維護提出了更高的要求。

本文敘述一起由區(qū)域電網(wǎng)交流系統(tǒng)故障引起直流系統(tǒng)逆變站換相失敗的事故，通過分析事故原因和特征，提出相應(yīng)的改進建議，用以提高運檢人員分析直流換相失敗的能力和更好地做好運行維護工作。

1 換相失敗的特征與判據(jù)

換相失敗是逆變器常見的故障，當逆變器兩個閥進行換相時，因換相過程未能進行完畢，或者預計關(guān)斷的閥關(guān)斷后，在反向電壓期間未能恢復阻斷能力，當加在該閥上的電壓為正時，立即重新導通，則發(fā)生了倒換相，使預計開通的閥重新關(guān)斷，這種現(xiàn)象稱之為換相失敗［1］。由逆變器多種故障所造成的結(jié)果均會引起換相失敗，如逆變器換流閥短路、逆變器丟失觸發(fā)脈沖、逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障等均會引起換相失敗。

換相失敗有以下特征：關(guān)斷角小于換流閥恢復阻斷能力的時間；6脈動逆變器的直流電壓在一定時間內(nèi)下降到零；直流電流短時增大；交流側(cè)短時開路，電流減小；基波分量進入直流系統(tǒng)。

當直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗故障時，為避免對系統(tǒng)造成傷害，根據(jù)換相失敗的上述特征，直流保護系統(tǒng)采用換相失敗保護，其判據(jù)為：

式中：IacY、IacD分別為換流變閥側(cè)電流；IdP為直流極母線電流；IdNC為中性母線電流。

換相失敗保護檢測到故障后，先進行短暫的延時，以確認故障的發(fā)生。保護首先報警，并采取一定措施防止連續(xù)換相失敗。在正常情況下投旁通對時，該保護功能自動退出。保護動作后果：換相失敗告警；增大熄弧角命令；啟動極控系統(tǒng)切換命令；緊急停運；跳交流斷路器；啟動斷路器失靈保護；鎖定斷路器；極隔離。

2 換相失敗事故分析

2.1 事故特征

1）交流系統(tǒng) 在逆變站雙極直流系統(tǒng)出現(xiàn)換相失敗故障的同時，交流電網(wǎng)中110 k V線路曾出現(xiàn)故障跳閘，同時交流電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率、電壓和供電負荷均受到不同程度的影響：系統(tǒng)頻率最高升至50.446 Hz，最低至49.799 Hz；220 k V交流系統(tǒng)的電壓大幅跌落，其余各電壓等級系統(tǒng)的電壓也受到不同程度的影響；由于受電壓波動的影響，還造成交流電網(wǎng)的負荷略有波動。

2）直流系統(tǒng) 在故障發(fā)生時，OWS事件發(fā)S2 P1PR1 A／B和S2 P2PR1 A／B系統(tǒng)，“換流器換相失敗被檢測到”、“檢測系統(tǒng)低交流電壓被檢測到”、“保護發(fā)出增大GAM MA角命令”；換流器換相失敗，極Ⅰ在61 ms復歸、極Ⅱ在53 ms復歸。該直流換流站發(fā)生2次由于區(qū)域電網(wǎng)故障引起的換相失敗，故障期間導致該區(qū)域電網(wǎng)的頻率分別為50.45 Hz和50.8 Hz，造成了重大的影響。

初步分析認為，這是一起由區(qū)域電網(wǎng)的交流故障引起直流系統(tǒng)逆變站換相失敗的事故。

2.2 事故原因

2.2.1 直流系統(tǒng)

1）極I擾動分析 2012年4月5日20：14：55：772，極I換相失敗原因分析錄波圖，如圖1所示。

由圖1可見，在標線0.580 s后，交流電壓的變化引起直流電壓略有下降，因此交流／直流電流上升。由觸發(fā)角和關(guān)斷角變化可見，換相失敗前為維持直流電壓，電壓控制使觸發(fā)角又增大1.0°，關(guān)斷角控制還未投入減小觸發(fā)角，關(guān)斷角裕度仍不能補償換相電壓畸變造成的相位偏移，17.6 ms后實測關(guān)斷角，由正常時的23°降到4.0°，首先D橋6號閥向2號閥的換相失敗，緊接著Y橋3號閥向5號閥換相也發(fā)生失敗。圖1中換相失敗標記先于交流欠壓標記發(fā)出，說明交流電壓的波形畸變影響大于幅值下降的影響。

圖1 極Ⅰ換相失敗原因分析

2012年4月5日20：14：55：772，極Ⅰ換相失敗影響分析錄波圖，如圖2所示。

圖2 極Ⅰ換相失敗影響分析

由圖2可見，這次由交流系統(tǒng)故障引起的換相失敗擾動，經(jīng)過612 ms恢復。在換相失敗前交流電壓有效值僅下降2 k V，由于2個換流器先后發(fā)生換相失敗，直流電壓下降到零，直流電流最大高達1 506 A；換相失敗后約60 ms直流電流被整流側(cè)電流調(diào)節(jié)器控制到零。在此之前，除了直流瞬時短路之外，交流側(cè)電流隨著直流側(cè)電流變化，換流站吸收的無功功率增加255 Mvar，換相電壓有效值由正常時的131 k V降到69 k V。在此之后，向系統(tǒng)增加吸收的無功功率下降到零，交流換相電壓恢復；換相失敗標記為53 ms，交流欠壓標記為82 ms消除；故障后直流電流經(jīng)過208 ms，直流電壓經(jīng)過294 ms逐漸恢復。

從圖2還可以看到，在故障2 s后還有一個15 ms的擾動，交流母線電壓有效值從133.1 k V降到129.9 k V，直流電流增加40 A。這是某交流線路重合引起的，由于重合不成功故障線路切除，未再引起直流系統(tǒng)換相失敗，擾動后225 ms恢復。

2）極Ⅱ擾動分析 2012年4月5日20：14：55：772，極Ⅱ換相失敗原因分析錄波圖，如圖3所示。

圖3 極Ⅱ換相失敗原因分析

由圖3可見，在標線0.581 s后，交流電壓的變化引起直流電壓下降，因此交流／直流電流上升，9 ms后關(guān)斷角由正常時的22°降到4.0°，首先Y橋6號閥向2號閥換相失敗，緊接著D橋6號閥向2號閥也換相失敗。如圖3顯示，換相失敗標記先于交流欠壓標記發(fā)出，說明交流電壓的波形畸變影響大于幅值下降的影響。

2012年4月5日20：14：55：772，極Ⅱ換相失敗影響分析錄波圖，如圖4所示。

圖4 極Ⅱ換相失敗影響分析

由圖4可見，這次交流系統(tǒng)故障引起的換相失敗擾動，543 ms就完全恢復。在換相失敗前交流電壓有效值還未來得及反應(yīng)，由于2個換流器先后發(fā)生換相失敗，直流電壓下降到零，直流電流最大達到1 518 A。換相失敗后約59 ms，直流電流被整流側(cè)電流調(diào)節(jié)器控制到零；在此之前，直流短路時間很短，短路解除后交流側(cè)電流隨著直流側(cè)電流變化，換流器吸收的無功功率也迅速增加255 Mvar，換相電壓有效值由正常時的131 k V降到69 k V。在此之后，向系統(tǒng)增加吸收的無功功率下降到零，交流換相電壓恢復；換相失敗標記為61 ms，交流欠壓標記為71 ms消除；故障后的直流電流經(jīng)過219 ms，直流電壓經(jīng)過314 ms后逐漸恢復。同極Ⅰ一樣，在故障2 s時還有一個擾動。

比較兩個極換相失敗時間，極Ⅱ比極Ⅰ早發(fā)生8 ms，這是由于交流系統(tǒng)故障的地點和故障時刻，對逆變站換相電壓的畸變影響造成的；對于換流母線電壓和與系統(tǒng)交換的無功功率兩個極是共同作用的。

3 仿真分析

對換流站母線的電壓和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率進行仿真，穩(wěn)定計算結(jié)果曲線如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定計算結(jié)果曲線

根據(jù)實測曲線，故障期間換流站母線非故障相電壓跌落至50%，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率最高升至50.44 Hz。仿真結(jié)果顯示，換流站母線非故障相電壓跌落至50%，系統(tǒng)頻率最高升至50.4 Hz，基本再現(xiàn)了事故期間的系統(tǒng)響應(yīng)。

綜合以上分析不難發(fā)現(xiàn)：

1）本次故障由交流系統(tǒng)的擾動引起，110 k V線路發(fā)生了B相接地短路，換流站母線電壓略有下降，引起直流電壓下降、直流電流上升、換相角加大，換流器吸收無功功率增加，而使母線電壓畸變導致實際關(guān)斷角快速減小，逆變側(cè)定關(guān)斷角控制還未起作用，就發(fā)生了換相失敗。

2）在換相失敗故障發(fā)生后，由于逆變器直流側(cè)暫時短路，引起直流電流的快速大幅增加和直流電壓的下降；直流短路解除時，交流電流隨著直流電流的增加而增加，換流單元吸收的無功功率大幅度增加，交流母線電壓畸變，幅值大幅度下降；之后，在整流側(cè)電流控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，直流電流下降到零，換流單元吸收的無功功率接近為零，交流母線電壓開始恢復；隨后交流故障切除，直流系統(tǒng)也逐漸恢復。

3）在故障2 s后還有一擾動，這是110 k V線路重合閘引起的，由于重合不成功故障線路切除，擾動時間較短，未再引起直流系統(tǒng)換相失敗。由于交流電壓降低期間，區(qū)域電網(wǎng)機組加速和切除了部分負荷，以及直流系統(tǒng)恢復過調(diào)，造成該區(qū)域電網(wǎng)頻率暫時升高。

4）交流系統(tǒng)由于故障地點和時刻的不同，對換流站換相電壓的影響也不同，造成換相失敗發(fā)生時刻和程度也有所不同。所以，逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障，直流輸電系統(tǒng)逆變器是否發(fā)生換相失敗，主要與換流母線電壓相位的變化有關(guān)。這不僅取決于故障點到換流站的電氣距離，而且與逆變側(cè)電網(wǎng)的強弱、運行方式，與故障地點、形式、短路阻抗和時刻有關(guān)。

5）為了找出精確的換相失敗范圍，可以建立特定電網(wǎng)全網(wǎng)詳細的實時仿真模型，逐一對不同運行方式、不同故障形式進行試驗，從而得出交流系統(tǒng)不同運行方式下，不同故障點對直流系統(tǒng)換相失敗的影響程度。

4 結(jié)語

目前，采用晶閘管半控技術(shù)的逆變器，在各個直流系統(tǒng)中換相失敗的事故時有發(fā)生，原因各不相同，逆變器換流閥短路、逆變器丟失觸發(fā)脈沖、逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障是引起換相失敗的常見原因。特別是在互聯(lián)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，引起逆變器換相失敗是難以避免的。問題是如何在大直流小系統(tǒng)的電網(wǎng)中，減少換相失敗的概率和影響。

綜合本次交流系統(tǒng)故障分析，交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路，使換流站母線電壓略有下降，引起直流電壓下降、直流電流上升、換相角加大、換流器吸收無功功率增加，而使母線電壓畸變或幅值減小，最終導致?lián)Q相失敗。直流降壓運行有助于減少電網(wǎng)故障發(fā)生換相失敗的概率。與直流全壓運行比較，直流降壓運行交流系統(tǒng)故障引起直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的范圍有所縮小。

直流輸電系統(tǒng)作為主網(wǎng)架的重要組成部分，在能源戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要而積極的作用，直流換流站的故障對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成影響，結(jié)合本次事故暴露的問題給出合理的建議，以提高跨區(qū)電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平。

［1］ 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.