交流系統接地故障對直流換相的影響

尹廣力，李干

(國網北京昌平供電公司，北京 102200)

交流系統接地故障對直流換相的影響

尹廣力，李干

(國網北京昌平供電公司，北京 102200)

利用序分量法詳細推導了交流系統發生不同接地故障時換相電壓與線電壓過零點偏移的變化情況，比較系統地分析了各種交流側接地故障對換相失敗的影響。分析結果表明：不同的故障類型對閥的換相過程影響不同；隨著過渡電阻的變化，換相電壓過零點偏移可能會從超前轉為滯后；并基于理論分析結果對關斷角的表達式進行了相應的修正。最后以國際大電網國際會議HVDC標準仿真模型，驗證了結論的正確性；并利用仿真結果對影響換相失敗的兩大因素，即換相電壓和過零點偏移的影響程度進行了探討。

換相失敗；序分量法；過渡電阻；換相電壓；相位偏移

0 前言

換相失敗是高壓直流輸電系統中最常見的故障之一，它將導致直流電壓降低、輸送功率減少、電流增大、換流閥壽命縮短、換流變壓器直流偏磁及逆變側弱交流系統過電壓等不良后果[1]。若采取的控制措施不當，還會引發后繼的換相失敗，嚴重時將導致直流傳輸功率中斷，使整個系統失去穩定，影響電網的安全運行[2-5]。引發直流輸電系統換相失敗的原因可分為2大類：第1類是直流輸電系統自身的故障；第2類是受端交流系統故障或擾動。其中換相失敗對交流系統的故障尤為敏感，交流側故障是誘發換相失敗的主要原因[6]。因此研究交流側故障對換相失敗的影響具有重大意義。

本文利用序分量法，充分考慮了實際短路故障中存在過渡電阻的因素，比較系統地分析了各種接地故障對換相失敗的影響，并詳細推導了交流系統故障時換相電壓幅值和過零點偏移角度之間的關系，同時對關斷角的表達式進行了相應的修正。最后基于EMTDC/PSCAD仿真模型驗證了結論的正確性，并探討了換相電壓與過零點偏移對換相失敗不同的影響程度。

1 換相失敗的機理

當兩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，如果未能恢復阻斷能力或在反向電壓期間換相過程一直未能進行完畢，這兩種情況在閥電壓轉變為正向時，被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相，即換相失敗[1]。換相失敗的根本原因是關斷角γ過小[9]。當逆變側交流系統發生不對稱故障并使換相電壓過零點前移角度φ時，逆變器關斷角的表達式為[10]：

式中k為換流變壓器的變比，Xc為換相電抗，UL為換流母線線電壓有效值，β為越前觸發角。顯然，發生對稱性故障時φ=0。

當γ＜γmin時表示直流系統發生換相失敗。其中γmin對應換流閥恢復阻斷能力所需的時間，考慮到串聯元件的誤差，一個可控硅閥的恢復時間γmin≈10°[8]。

2 交流側接地故障對換相失敗影響

交流側故障對換相失敗的影響主要體現在換相電壓幅值變化和線電壓過零點偏移 (不對稱故障)兩個方面，因此下面的分析主要圍繞這兩個方面展開。需要指出的是：HVDC輸電系統一般采用12脈動換流器，為了便于分析，本文以Y型換流器為例，D型換流器的分析方法與此相同，不再贅述。

2.1 單相接地短路

圖1 三相橋式逆變器等效電路

則網側的三相線電壓表達式為：

在直流系統沒有出現換相失敗的情況下，如果交流側發生A相接地故障，那么由故障分析可知，短路點的各序電流、電壓為：

將各序分量疊加后即可得到故障點處的ABC三相電壓，而換相電壓實際為換流變閥側線電壓，因此需分析故障前后閥側線電壓的變化情況。但注意到對于Y型換流變壓器，假設變比為1，則原、副邊的相電壓幅值、相位均相同，因此僅需分析網側的線電壓變化情況即可。另外，通常假設電力系統的正負序阻抗近似相等，即x1∑=x2∑，由此得到的故障后網側各個線電壓如式 (5)：

經推導對于形如1/(R+jx)的表達式，當x不變，R從0增大到∞時的軌跡是復平面上的半圓，直徑為1/x。于是，由式 (5)可得AB的變化軌跡如圖2所示，其中半圓的直徑｜AD｜=

圖2 AB的變化軌跡圖

由圖2可知：

1)隨著Rf從0逐漸增大為∞，AB的相位從超前變化到滯后AB｜0｜，C為臨界變化點，對應的過渡電阻，可稱為中值電阻。

由上述分析可知，隨著Rf的不斷增加，AB將由超前變化為滯后于AB｜0｜，其偏移的角度φAB計算如下：

由式 (8)可得：

將其代入式 (9)中，即得：

式 (11)即為故障后的AB線電壓超前時電壓幅值與過零點偏移角度之間的關系。

圖3 CA的變化軌跡圖

1)隨著過渡電阻Rf從0增大到∞，CA的幅值mCA先增大后減小，即在弧AC上，mCA隨著Rf的增大而增大，在弧CD上，mCA隨著Rf的增大而減小，幅值最大值出現在C點。當k=3時，1.249≤mCA≤1.780。

設G為半圓上任一點，則｜OG｜=mCA，則CA相對CA｜0｜的相位偏移φCA與幅值的關系：

其中：R= 3-mCAcosφCA，S=mCAsinφCA。

表1給出了交流側發生A相接地故障時，換相電壓的幅值與過零點偏移角度之間的關系。

表1 A相接地故障時線電壓幅值與相位偏移的關系

其中φ(Rf)表示線電壓過零點偏移的角度是過渡電阻的函數，前移時取負號，后移時取正號。

3)隨著過渡電阻的增大，三個線電壓的幅值降落減小，過零點后移，由式 (14)可知γ增大，因而發生換相失敗的可能性大為降低。

兩相接地故障和三相接地故障分析過程與上述方法相同，限于篇幅，只給出相應的結論。

2.2 兩相接地短路

由故障分析可得短路后的線電壓為：

圖4 兩相故障時的線電壓變化軌跡圖

其中：R=1.5-mABcosφ′，S=mABsinφ′。

表2給出了BC兩相接地故障時換相電壓的幅值與相位偏移之間的關系。

表2 BC兩相接地故障時換相電壓的幅值與相位偏移的關系

2.3 三相接地短路

發生三相對稱性故障時，換流母線處的各個線電壓為：

當Rf從0變化到∞時，0≤A≤1，-900＜θ≤0°。可見故障后每個線電壓幅值都降低，過零點后移。因此理論上講，三相短路時對每個閥的換相過程影響相同。

其中φφ表示AB、BC、CA。

由式 (17)可知，三相線電壓在故障前后，幅值相位均有所變化，且變化幅度及趨勢相同。不妨設

3 仿真驗證

3.1 仿真模型

采用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC，基于國際大電網標準測試模型，搭建了如圖4所示仿真模型。仿真模型采用單級運行方式，換流站采用12脈動換流器接線。

圖4 HVDC仿真模型

由圖1可以看出，UAB決定閥V1，V4的換相情況；UCA決定閥V5，V2的換相情況；UBC決定閥V3，V6的換相情況。通過仿真模型可以準確提取閥電流波形，通過閥電流波形可以準確定位每個閥的換相情況。

3.2 仿真結果

單就一次故障而言，故障時刻會影響到閥的換相情況。為了從整體上分析不同閥的換相失敗情況，采取如下措施：故障以脈沖的形式在一個工頻周期內施加在換流母線上10次，脈沖寬度為1/8個周波。每施加一次就仿真一次，以確定哪個閥發生了換相失敗故障。然后從統計學的角度來分析每個閥的換相失敗情況。

表3 A相接地故障換相失敗概率統計

由表3可以得出如下結論：

1)A相接地故障時，閥V1，閥V4發生換相失敗的概率最大；

2)過渡電阻較小時，由于其他閥的換流母線電壓值比較低，因此也有可能發生換相失敗故障；

3)隨著過渡電阻的增大，閥V1，閥V4發生換相失敗的概率降低；

4)當過渡電阻增大到一定值時，不再發生換相失敗故障。

表4 BC兩相接地故障換相失敗概率統計

由表4可以得出以下結論：

3)同樣的，當過渡電阻較大時，由于電壓降非常有限，因此不再發生換相失敗。

表5 三相接地故障換相失敗概率統計

通過表5可以看出：

1)三相故障時每個閥都有發生換相失敗的情況，不同的故障時間會引發不同閥發生換相失敗故障；

2)同樣的，當過渡電阻較大時，由于電壓降非常有限，因此不再發生換相失敗。

3.3 對換相失敗的影響探討

通過關斷角的表達式可以看出，換相電壓與過零點偏移是影響換相失敗的兩個重要因素。通過表1可得，CA線電壓過零點雖然始終處于滯后狀態，但由表3可以看出，閥V2在過渡電阻較小時也發生了換相失敗故障；同時由表2可以得到，在BC接地故障下，由于CA線電壓過零點始終處于超前狀態，而且超前的角度很大，因此閥2與閥5可能會發生換相失敗故障，但由表4可以看出，隨著過渡電阻的增大，此時兩個閥也不再發生換相失敗故障；理論分析表明對稱性故障時換相電壓幅值下降，雖然線電壓過零點始終滯后，但由表5可得換相電壓幅值下降較大時仍然會引發換相失敗故障。綜合上面三種情況可以得出，換相電壓幅值對換相失敗的影響程度最大，過零點偏移僅僅是個輔助因素，并不是決定性因素。

4 結束語

1)交流系統故障容易引發換相失敗。單相接地故障時，與故障相相連的閥發生換相失敗的概率最大；兩相接地短路時，由兩故障相線電壓決定換相的閥發生換相失敗的概率最大；三相接地短路時，每個閥發生換相失敗的概率是均等的。

2)由于過渡電阻的影響，換相電壓與故障前電壓的相位偏移關系可能會由超前變為滯后。

3)換相電壓與線電壓過零點偏移都會影響到閥的換相過程，但前者起主導作用。

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Analysis on The Effects of AC Grounding Faults on HVDC Commutation Failure

YIN Guangli，LI Gan
(Changping State Grid of Beijing，Beijing 102200，China)

Detailed analysis of the relationship between commutation voltage reduction and line voltage zero-crossing point drift is given when various types of grounding faults occur in the AC system by using sequence components method.Thus systemic analysis about the impacts of grounding faults on commutation failure is presented.The results indicate that the influence on commutation process varies with fault types；the phase of commutation voltage may change from lead to lag compared to the voltage before faults as the transition resistance changes.The expression for extinction angle is modified correspondingly based on the theoretical analysis results.A simulation model based on CIGRE HVDC is built in PSCAD/EMTDC，verifying the correctness of the conclusion.Further discussion is presented about the effects of commutation voltage reduction and line voltage zero-crossing point phase shift on the commutation failure based on simulation results.

commutation failure；sequence components method；transition resistance；commutation voltage；phase-shift

TM74

B

1006-7345(2015)03-0029-06

2014-12-02

尹廣利 (1978)，男，工程師，國網北京昌平供電公司，主要從事輸電專業 (e-mail)yinguangli1978＠163.com。

李干 (1988)，男，助理工程師，國網北京昌平供電公司，主要從事輸電運行管理等工作(e-mail)692076921＠qq.com。