溪洛渡直流輸電工程50 Hz保護動作分析及改進措施

凌永興

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405）

0 引言

溪洛渡±500 k V同塔雙回直流輸電工程（牛從直流）作為南方電網首條雙回直流共站、直流線路同塔架設、雙回共用接地極的高壓直流輸電工程，其安全運行可能受到有別于其他直流工程的因素的影響，2014年4月14日發生的牛從甲直流雙極50 Hz保護降功率事件正是此類影響導致。

1 50 Hz保護原理

50 Hz保護是差動保護的后備保護，對換相失敗、觸發系統或閥體故障提供保護，減小直流基波分量對換流閥緩沖電路、交直流濾波器的沖擊［1］。溪洛渡直流輸電工程直流保護系統采用南瑞繼保基于PCS-9550的控制保護系統，其50 Hz保護判據為：

式中，IDCN為直流中性母線電流；IDCN＿50Hz為IDCN的50 Hz分量；Iset為保護報警定值；kset為比率系數。

牛從直流50 Hz保護動作后果包括告警段、切換段、功率回降段和動作段，切換段動作切換極控系統，功率回降段動作電流限制值為960 A，功率降至0.3 p.u.（960 MW），達到動作段定值后將閉鎖相應極。

2 交直流系統諧波不穩定及直流基頻諧波產生原因

文獻［2］中指出諧波不穩定的發生過程是交直流側電壓、電流通過換流站非線性環節的互相調制，構成交直流之間的正反饋閉環，諧波振蕩放大，最終導致換流站交流母線電壓嚴重畸變。

直流系統中直流側50 Hz諧波電流分量產生的主要原因［3］包括以下幾個方面：

（1）交流系統因變壓器鐵芯飽和等因素產生二次諧波，經換流回路在直流系統中產生基頻分量；

（2）觸發系統、換流閥故障；

（3）連續換相失敗；

（4）交流線路在直流線路中感應出基頻諧波電流。

直流系統中產生基頻諧波分量可能由上述原因組合導致，交直流側諧波電壓、電流之間相互作用，當交直流系統存在諧振點且控制系統參數滿足某些條件時將形成正反饋，若相關條件未被破壞將導致50 Hz保護動作直流閉鎖等嚴重后果。

3 從西換流站50 Hz保護動作情況分析

2014年4月14日，牛寨換流站對牛從乙直流極一換流變充電時，從西換流站運行中的牛從甲直流雙極50 Hz保護切換段和功率回降段動作，極控系統切換且雙極功率由1 550 MW降至960 MW，牛寨站50 Hz保護未動作。

3.1 牛寨站故障錄波分析

故障時牛寨站牛從乙直流極一網側有高達2 979 A的勵磁電流，觀察圖1發現牛從甲直流牛寨站直流電流出現較小的基波分量，IDCN＿50Hz值未達到50 Hz保護的定值（HAP＿FUND＿LEV），故其50 Hz保護未動作。

圖1 牛寨站牛從甲極一50 Hz保護波形

3.2 從西站故障錄波分析

從西站50 Hz保護的軟件邏輯為：IDCN＿50Hz大于保護定值保護動作，小于0.95倍保護定值返回。圖2中從西站IDCN的50 Hz分量較大且達到50 Hz切換段和功率回降段定值。故障開始時，IDCN＿50Hz的值大于50 Hz保護定值，持續約200 ms后切換極控系統（HAP＿FUND＿SS），由于IDCN＿50Hz值一直大于返回值，約420 ms后功率回降（HAP＿FUND＿RUNBACK），過一段時間后IDCN＿50Hz開始小于0.95倍保護定值，保護返回。保護裝置正確動作。

圖2 從西站牛從甲極一50 Hz保護波形

故障時從西換流站交流側母線電壓正常，排除交流系統故障引起直流50 Hz保護動作的可能性。

3.3 功率回降事件原因

根據上述分析可知，此次功率回降事件的原因為牛寨站對牛從乙直流極一換流變充電時產生較大的勵磁涌流，使換流變鐵芯飽和，在交流系統中產生大量的二次諧波，在牛從甲直流牛寨側換流器換流作用下，牛從甲直流線路上產生基波分量，經直流線路的放大作用，使從西側產生較大的基波分量，引起牛從甲直流50 Hz保護動作。

在采取措施之前，從西站多次發生相同事件，其中一次甚至導致牛從甲直流雙極閉鎖。

4 天廣直流輸電工程50 Hz保護動作簡析

天廣直流廣州站也曾在2010年4月5日發生50 Hz保護動作，后果與從西站相同。事件原因是當時天生橋站正用線路對電廠主變進行復電操作，保護動作亦是由于天生橋側交流系統產生的二次電壓諧波竄入直流，經直流線路對50 Hz諧波的放大作用，致使廣州側50 Hz動作。后期增大了天廣直流50 Hz保護定值，調整后未發生50 Hz保護動作情況。

5 整改措施

南網科研院及南網總調相關研究表明，50 Hz保護定值和延時主要考慮因素為換流設備的應力承受能力，可以考慮從以下方面進行整改：

（1）根據天廣直流的經驗，研究從西換流站換流設備的故障耐受能力，盡量優化50 Hz保護的定值和延時。

（2）牛寨側調整換流變選相合閘裝置的合閘角，降低換流變充電時的勵磁涌流。

（3）采取抑制50 Hz諧波的方法，如在50 Hz保護中增加二次諧波電壓閉鎖邏輯（短時閉鎖保護）。

2014年6月，取消了牛從直流50 Hz保護降功率段，并將跳閘延時由原來的1 000 ms調整為3 000 ms，調整定值后再未發生類似事件。以上整改措施可為日后分析處理同類型事件提供重要參考。

［1］楊海峰.高壓直流輸電系統基頻保護分析［J］.高壓電器，2010，46（10）：20～22

［2］穆子龍，李興源.交、直流輸電系統相互影響引起的諧波不穩定問題［J］.電力系統自動化，2009，33（2）：96～100

［3］傅闖，饒宏，黎小林.交直流混合電網中直流50 Hz和100 Hz保護研究［J］.電力系統自動化，2008，32（12）：57～60