一起換相失敗導致直流閉鎖故障分析及其閥控策略優化研究

蔣智宇

（南方電網公司超高壓輸電公司廣州局，廣州 510405）

一起換相失敗導致直流閉鎖故障分析及其閥控策略優化研究

蔣智宇

（南方電網公司超高壓輸電公司廣州局，廣州 510405）

文章研究了直流輸電系統中針對換相失敗的閥控策略，指出現有控制策略在臨界條件下存在極控系統檢測不到交流低電壓信號，VBE無法閉鎖回檢信號的檢測而造成跳閘的隱患。通過詳細分析網內交流系統故障導致換流站直流換相失敗而閉鎖的故障過程，進一步驗證現有閥控策略的隱患。文章最后針對采樣回路進行優化。

換相失?。坏碗妷簷z測；回檢信號；采樣回路；閥控策略

換相失敗是直流輸電系統中高發故障之一，觸發脈沖丟失、交流系統故障以及閥片故障等都是造成換相失敗的原因［1-2］。南方電網具有強直流、弱交流的電網特征，發生交流故障時，直流輸電系統容易受到擾動而發生換相失敗?，F階段通過加強電網的交流系統建設來減少交流系統故障對直流輸電系統的影響的方法不具備可行性，通過優化換流站控制保護裝置的配合、改進對于換相失敗的控制策略來增強直流系統抗干能力更具有優越性［3］。

1　換相失敗特征及危害

一般來說，單次次換相失敗有以下故障特征：短接位于在交流同一相上的一對閥同時導通，直流電流短時增大，交流側電流減少，在換相失敗瞬時間，直流側電流上升，直流電壓下降；兩次連續換相失敗有以下故障特征：閥V1和閥V2連續導通一個周波，逆變器直流電壓反向半周，直流電流持續流過換流變，產生偏磁，工頻分量進入直流系統［4］。

在系統發生短時的換相失敗，故障恢復后，直流系統通常都能恢復正常運行。對于長時間的連續換相失敗，則可能引起直流系統電壓電流的長時間不正常，引發閥塔設備損壞、二次控制保護設備損壞，從而對交直流輸電系統造成較大沖擊［5］。

2　換相失敗閥控策略及隱患分析

2.1直流換相失敗控制策略

換相失敗可能導致直流系統一、二次設備損壞，控制保護設備在監測到長時間換相失敗后應切除故障［6］。目前國內高壓直流系統針對換相失敗制定的控制策略主要有以下兩大類。

1）以貴廣Ⅱ回高壓直流輸電系統為例，極控系統通過檢測熄弧角判斷換相失敗［6］。當發生單次換相失敗時，系統會自行恢復穩定運行。當發生長時間換相失敗時，極控系統會延時300ms切換極控系統，若換相失敗已導致直流系統無法恢復正常運行，則通過直流保護將直流閉鎖［7］。此類控制策略中換相失敗不會直接跳閘，而是在造成影響后直流保護跳閘。

2）以牛從直流為例，見表1，牛從直流采用的是分段保護原理進行控制。以星側換相失敗保護為例，主極控系統在860ms內檢測到20次換相失敗，延時400ms切換極控系統；在860ms內檢測到30次換相失敗，延時600ms將相應極退至備用狀態。該類控制策略增加了計次原理進行控制，同時針對嚴重的換相失敗情況增加了換相失敗跳閘保護。

表1　牛從直流換相失敗控制策略

2.2閥監控策略及交流母線低電壓檢測原理分析

閥控系統的主要組成部分為VBE、TVM板、MSC和RPU單元，VBE包括處理器、TC&M板、光發射與接收板、RPU單元控制及極控接口部分［7-8］。VBE與閥片的光路連接如圖1所示。TVM板的作用為監視閥片的運行情況，并在閥片正常情況下發送回檢信號至極控TC&M板中。當晶閘管發生電壓過低時，TVM板不會發出回檢信號，VBE檢測不到回檢信號時便開始根據時間計時，在連續三個完整出發周期檢測不到閥片級的回檢信號，便會發閥無回檢信號。累計達到和超過4塊閥無回檢信號，VBE跳閘。

圖1　VBE與晶閘管光路連接示意圖

換相失敗極有可能引發閥塔設備損壞、二次控制保護設備損壞，一次設備、二次設備的損壞以及控制保護的邏輯錯誤都會導致閥片故障。為了防止換相失敗期間VBE先檢測到一定數量的閥片無回檢信號跳閘而先于極控換相失敗控制策略未動作，極控系統會檢測交流母線電壓跌落信息，用于閉鎖VBE對于回檢信號的檢測。以從西站為例，從西站交流低電壓檢測邏輯如圖2所示。在極運行時，當主極控檢測到換流變交流側三相電壓（采樣電壓在軟件內濾波）均大于比較基值，發“換流器交流母線低交流電壓off”信號給VBE系統，此時VBE系統正常檢測閥回檢信號。當監測到交流側三相電壓（采樣電壓在軟件內濾波）任意一相小于比較基值時，延時8ms“換流器交流母線低交流電壓被檢測到”告警信號出現，由此鎖定VBE的對于回檢信號的監視功能。

圖2　從西站交流低電壓檢測邏輯示意圖

2.3閥監控策略隱患分析

無論是第一類還是第二類控制策略，當檢測到長時間換相失敗，控制保護才進行切極控或閉鎖直流等保護行為。由于控制系統檢測換相失敗延時較長，極端情況中，若換相失敗已導致了閥片故障致使TVM板無回檢信號送至VBE系統，同時交流母線電壓并未跌落至定值以下，極控系統不會閉鎖VBE對于回檢信號的檢測，此時會導致VBE檢測不到閥回檢信號，閥內出現4塊以上閥片檢測不到回檢信號時，相應極跳閘。此時存在控制策略失效的隱患。

3　一起換相失敗導致直流閉鎖事故案例分析

2015年08月20日13時55分，南方電網網內500kV增穗甲線A相故障跳閘，造成從西換流站牛從直流雙回四極、廣州換流站天廣直流雙極和隧洞換流站楚穗直流雙極四閥組同時發生換相失敗。期間從西換流站SER報牛從乙線直流極1Y4換流閥27至78號晶閘管故障，Y4換流閥無晶閘管冗余，極1VBE系統發跳閘請求，牛從乙線直流極1閉鎖，其余直流在交流系統擾動結束后均恢復正常運行。

如圖3至圖5錄波可見，穗東站增穗甲線A相跳閘后，穗東站交流母線出現了電壓跌落現象，此時直流雙極共四閥組均出現了直流電流上升，直流電壓下降，熄弧角集聚減小的情況，由此引發換相失敗。錄波中可以看出，故障持續時間較短，在直流系統發生單次換相失敗后，很快恢復了穩定的運行。

圖3　增穗甲線A相故障跳閘重合成功錄波

圖4　穗東站極1高端閥組故障時刻錄波（以極1為例）

圖5　牛從乙線極1故障時刻換相錄波

從西站交流母線電壓A相有明顯跌落，由于直流電動勢E的存在，在Y4橋臂本該關段的時間段里它仍然開通，Y6本開開通時由于Y4依然導通，Y6短時導通后就關斷，這樣就造成了Y4、Y5橋壁的短路，直流側電流上升，直流電壓下降。此時由于Y4橋臂27號至78號晶閘管發故障信號，由于同一橋臂超過4塊晶閘管故障，直流跳閘。

通過分析從西站工作站事件記錄，牛從甲、乙線直流四極八套極控系統中，故障時刻共有五套極控系統檢測到交流母線電壓低告警，且每條直流每一極至少一套極控系統檢測到了此告警，但只有牛從乙線極1跳閘。具體情況見表2。

表2　故障時刻各極控系統檢測到低電壓的情況

圖6至圖9為故障時刻牛從甲、乙線主極控系統錄波，由錄波可見，故障時刻，牛從甲、乙線極控均檢測到電壓有所跌落，但幅度不大。牛從甲線極1、極2和牛從乙線極2在出現波動后均回復正常運行，牛從乙線極1在出現波動后無法恢復正常運行而跳閘。

圖6　牛從甲線極1極控故障時刻錄波

圖7　牛從甲線極2極控故障時刻錄波

圖8　牛從乙線極1極控故障時刻錄波

圖9　牛從乙線極2極控故障時刻錄波

結合上表和故障錄波情況可得出：

1）四極交流側電壓均有跌落，但幅度并不大；交流電壓處于低電壓被檢測到的臨界值，由于單極兩套極控采用的不同采樣回路，極控檢測量存在差異，因此可能導致部分極控檢測交流側電壓未達到定值而未發“檢測到交流低電壓”信號。

2）四極都有至少一套極控系統檢測到交流低電壓信號，但唯獨牛從乙線的極1在運行的極控系統未檢測到，這就導致極1極控系統未能閉鎖VBE對回檢信號的檢測，VBE在3個周期內未檢測到回檢信號，發閥無回檢信號，累計達到額定數量閥片，于是發生跳閘。

4　閥控策略改進意見

4.1缺陷描述

從西換流站案例說明在發生臨界情況下換相失敗確有可能導致VBE跳閘先于極控控制策略動作的隱患，該情況說明了現有閥控策略有以下缺陷：

1）閥控策略與保護配合存在隱患?？刂葡到y檢測換相失敗延時較長，若換相失敗已導致了閥片故障致使TVM板無回檢信號送至VBE系統，同時交流母線電壓并未跌落至定值以下，極控系統不會閉鎖VBE對于回檢信號的檢測。

2）采樣回路無冗余配置。從西站兩套極控系統對于三相交流電壓的采樣均有獨立采樣回路，如圖10所示。因此兩個站在發生交流電壓跌落到臨界值時，均有可能出現一套系統檢測到低電壓而另一套系統不能檢測到低電壓，并且在低電壓期間閉鎖VBE對閥的檢測功能均由主極控系統執行，因此可能存在案例事件中極控無法閉鎖VBE監控功能而引發跳閘的風險。

圖10　原采樣回路中極控系統閉鎖回檢信號功能流程

4.2優化建議

針對此情況可對采樣回路進行優化改進，同時采用兩套系統的測量值進行判定，如圖11所示。兩套極控系統分別進行交流側電壓采樣，通過比較器對比兩套系統電壓采樣值是否偏差過大。如果偏差過大，仍然采用主系統的采樣值進行判定；若偏差在正常范圍內，則通過比較兩套系統的采樣值后，取低值出口。該優化方案的優越性在于不增加回路的基礎上將采樣回路進行冗余化配置，在一定程度上避免原采樣方式中由于單套采樣回路發生故障造成控制系統不正常運行。

圖11　優化后極控系統閉鎖回檢信號功能流程

5　結論

在強直弱交的電網系統中，交流系統故障可能導致多條直流的換相失敗。從西站此次故障是由于在換相失敗期間出現由于電壓跌落至臨界點，主極控系統未檢測到低電壓而未閉鎖VBE對回檢信號的檢測，導致閥無冗余相應極跳閘的極端情況。該事故暴露出該該站控制策略不嚴謹、交流電壓采樣回路無多重配置等問題。本文最后從邏輯上優化了從西站交流電壓采樣回路，提出由原有每一套極控系統對應單一的采樣回路的設計優化為將兩套極控系統的采樣回路同時進行采樣，互為冗余，可以大大降低該類事故發生的概率，為今后超高壓直流輸電系統類似邏輯提供參考。

［1］ 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術［M］. 北京： 中國電力出版社， 2004.

［2］ 林凌雪， 張堯， 鐘慶， 等. 多饋入直流輸電系統中換相失敗研究綜述［J］. 電網技術， 2006， 30（17）：40-46.

［3］ 何朝榮， 李興源， 金小明， 等. 高壓直流輸電系統換相失敗的判斷標準［J］. 電網技術， 2006， 30（22）：19-23， 58.

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［6］ 殷培峰， 馬應魁， 馬莉. 基于直流輸電系統換流器諧波的分析與處理［J］. 電氣自動化， 2014， 36（1）：79-81.

［7］ SIEMENS. Valve base electronics maintenance manaual EB4［Z］. 2008.

［8］ SIEMENS. Valve base electronics system information manaual EB2［Z］. 2008.

The HVDC Faults Caused by End of Current Failure Analysis and its Valve Control Strategy Optimization Resurch

Jiang Zhiyu
（Guangzhou Bureau， CSG EHV Power Transmission Company， Guangzhou 510405）

This paper analyses End of Current Failure corresponding valve control strategy in HVDC. It is pointed out that a potential risk existed which can causes check-back signal can't be decteted by VBE and causes HVDC tripping in existing control strategy when low AC voltage cannot be detected by pole control systems under some critical conditions. Then this paper analyzes a HVDC tripping accident caused by AC system fault in order to validate this control strategy risk. In the last part of this paper， optimization of sampling circuit is proposed.

end of current failure； low voltage detection； check-back signal； sampling circuit； valve control strategy

蔣智宇（1990-），男，湖南永州人，本科，工程師，主要從事高壓直流輸電運行及維護工作。