減少直流系統換相失敗措施的研究

于洋　楊勇　程寧　李浩

摘 要：高壓直流輸電常見故障之一是換相失敗故障。它將導致使直流電壓為零、逆變器直流側短路，直流電流增大、直流系統輸送功率減少，寧東-山東±660kV直流輸電工程是國家跨區域電網建設工程，額定輸送功率4000MW，約占山東電網有功負荷的1/12，如果發生換相失敗，進而引發直流閉鎖，將對山東電網安全穩定帶來重大影響。若換相失敗后控制不當，還會引發后繼的換相失敗，最終導致換流閥壽命縮短、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。通過對換相失敗動作原因分析，提高了系統的穩定性的同時，對換相失敗邏輯進行優化。

關鍵詞：直流輸電系統；換相失敗；措施

引言

高壓直流（HVDC）輸電系統最常見的故障之一是換相失敗，它是由逆變器多種故障所引起的，如丟失觸發脈沖、逆變器換流閥短路、交流系統逆變側故障等。通過對換相失敗保護動作的分析研究，提出了相應改進措施，對膠東換流站安全穩定運行具有重要意義。

1 換相失敗基本原理

1.1 換相失敗概念

在換流器中，在反向電壓期間換相過程未進行完畢，則在閥電壓變成正向時，被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相，或者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，這種情況稱為換相失敗。

1.2 換相失敗機理分析

1.2.1 閥的特性

HVDC系統中的閥是一種可控電子開關，閥從關斷轉入導通必須同時具備兩個條件：（1）承受正向電壓（換流閥陽極電壓高于陰極電壓）；（2）控制極對陰極加能量足夠的正向觸發脈沖，兩個條件必須同時具備，缺一不可。換流閥一旦導通，它只有當流經換流閥的電流為零時，它才能關斷（唯一的關斷條件），是靠外回路的能力來進行關斷的。

1.2.2 換相過程

即閥5、6導通過渡為閥5、6、1導通，進而過渡到6、1導通的過程。以閥5向閥1換相為例說明換相的過程，在整流器中，用α表示在閥1控制極上加觸發脈沖的時刻滯后的相位角稱為觸發延遲角/觸發角。對于逆變器，α>90度。換相過程所持續的時間，即導通閥開始導通的時刻，用μ表示如T1到被換向閥截止的這段時間所對應的電角度稱為換相角；用γ表示被換相閥截止時刻到其正向電壓由負變正的過零點之間的電角度稱為關斷角，或熄弧角。圖1中，T1表示導通閥1開始時刻，D5表示關斷閥5時刻。

用C1～C6表示自然換相點為換流器交流側相電壓的交點，對應橋臂的編號相同下標1～6。在一個工頻周期中持續導通120°+μ電角度的時間每個橋臂，繼而關斷240°-μ電角度的時間。相當于六個可控的電子開關換流器實質，按照一定的次序輪流的接到將它的直流側三相交流電源中的某兩項，從而相互變換完成交流電和直流電之間。

1.3 換相失敗保護判據

極保護測量換流器高壓側直流電流IDP，換流器中性線側直流電流IDNC，以及換流變閥側電流IacY、IacD。

保護判據為：

Y橋：Id-IacY>0.133pu+0.1*Id且IacY<0.65*Id（Y橋）；

D橋：Id-IacD>0.133pu+0.1*Id且IacD<0.65*Id（D橋）。

2 極Ⅰ換相失敗故障分析

某時刻，山東電網220kV瑯莊II線路發生故障跳閘，重合不成功，引起交流側電壓明顯波動，導致膠東站雙極發生換相失敗告警，告警62ms左右復歸，未引起極控系統切換等嚴重后果。以極Ⅰ為例，進行換相失敗告警分析。從波形上可以看出，由于交流側發生故障導致閥2應關斷時卻未完全關斷，換流閥3-4向4-5換相時，通過閥2和閥5形成直流側短路，直到閥5換相至閥1后，直流短路消失，逐漸自行恢復正常。由于交流側電壓擾動，最先引起C相電壓跌落，相電壓由正常303kV跌至243kV，導致雙橋換相時失敗。告警時刻，換流變Y/D閥側交流相電流，Ia約為1927A，Ib約為1901A， Ic約為1171A而直流側Id，約為4600A，根據保護判據公式，計算IacD為559.44A，I1=Id-IacD=4600-559.44=4040.56A；I2=0.133pu+0.1*Id=0.133×3030+0.1×4600=862.99A；I1大于I2。

由此，保護判據滿足，延時3ms，極Ⅰ極控A、B系統延時3ms發出換相失敗告警正確。根據故障錄波，告警經過62ms復歸。

3 改進措施

通過對根據膠東換流站投運以來雙極換相失敗統計分析，發現雙極發生換相失敗的原因為：交流側系統故障，造成交流電壓波形畸變，交流線電壓過零點提前，因此針對上述情況，為防止連續換相失敗的發生，具體措施如下：

（1）優化控制系統換向失敗預測功能，降低交流電壓變化和零序電壓變化定值，使得控制系統能夠提前精確檢測到交流電壓故障，啟動增加熄弧角功能，防止受電壓波形畸變影響，線電壓過零點提前，造成換向失敗。

（2）取消換向失敗后直流電壓參考值瞬時值增加功能，防止換向失敗后發生連續換向失敗隱患。將上述經過改進前后控制功能進行實驗室仿真對比驗證。經過上述程序優化后，按照現場試驗工況，在同樣交流系統的干擾下，上述改進措施能夠有效抑制換流器換向失敗的產生。

4 結束語

不容忽視直流輸電系統逆變側發生換相失敗對電網的影響，換相失敗期間，正負半周很不對稱逆變器交流側線電流，即存在直流分量于交流電流中，這將引起變壓器空載損耗增加，造成換流變壓器的直流偏磁，甚至引起零序諧波，嚴重時使濾波器跳閘；甚至會造成直流閉鎖，且發生連續換相失敗，則因此在對換相失敗相關邏輯程序優化的同時，也可增加靜止無功發生器STATCOM對直流系統進行無功補償，當發生交流系統故障時，維持電壓的穩定，可以降低直流系統從靜止無功發生器STATCOM對暫態反應的靈敏度，而避免換相失敗的發生。

參考文獻

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作者簡介：于洋（1986-），男，漢族，山東煙臺人，國網山東省電力公司檢修公司助理工程師，主要從事高壓直流系統運行、維護等工作。