特高壓錦屏換流站因雷擊造成雙極閉鎖故障分析

(國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

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特高壓錦屏換流站因雷擊造成雙極閉鎖故障分析

禹 佳,孫 文,閆禮陽

(國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

依據2015年9月特高壓錦屏換流站因雷擊造成雙極閉鎖故障的事故，結合極控故障錄波及極保護動作情況，理論分析故障原因，提出在特高壓換流站直流分壓器二次放電間隙處串聯壓敏電阻的反措建議，有利于直流系統的可靠穩定運行。

特高壓直流；互聯電網；壓敏電阻；直流分壓器

0 引 言

特高壓直流輸電系統是中國西電東送戰略的大動脈，其安全穩定運行直接關乎到區域電網之間的穩定性，因此特高壓直流換流站的安全對互聯電網而言至關重要。經過多年的技術開發和運行經驗積累，中國在超特高壓直流輸電技術領域已經達到國際領先水平。然而，在直流輸電系統設計、設備制造和控制保護系統性能等方面仍然存在部分缺陷，對直流輸電系統安全運行造成威脅，甚至成為兩端交流電網安全運行的隱患[1-5]。

直流分壓器是直流輸電系統控制保護及測量錄波系統采集電壓量的重要設備，裝設在直流極母線以及直流中性母線上，用以測量直流母線電壓。由于其測量結果直接作用于直流系統控制閉環，因此直流分壓器的運行狀態與直流輸電運行的可靠性密切相關。

2015年9月19日，特高壓錦屏換流站監視系統由于直流分壓器異常，發出“線路故障欠壓保護Init Down”告警，異常引發了±800 kV錦蘇特高壓直流極I直流線路保護再啟動邏輯跳閘，極II直流線路保護再啟動邏輯跳閘，極I、極II相繼閉鎖。

下面對閉鎖事件的過程進行了梳理，并對波形進行了分析，得到了事故發生的原因，并提出相關建議。

1 事故前電網運行狀態及事故發生過程

2015年9月19日錦蘇直流極Ⅰ雙閥組、極Ⅱ高端閥組大地回線全電壓5 400 MW運行，各閥組的閥水冷卻主循環泵運行正常。周邊500 kV月錦Ⅰ線、月錦Ⅱ線、西錦Ⅰ線、西錦Ⅱ線、西錦Ⅲ線、東錦Ⅰ線、東錦Ⅱ線運行正常；500 kV 1號母線、500 kV 2號母線運行正常；500 kV變壓器511B、512B運行正常，站用電Ⅰ、Ⅱ回運行正常，Ⅲ回備用正常；61 M、62 M、63 M、64 M母線運行正常，所有小組交流濾波器和低壓電抗器正常。

事故發生過程如下：

21：58：00：206，OWS報“線路故障欠壓保護Init Down”；

21：58：00：233，極Ⅰ直流線路保護再啟動邏輯跳閘；

21：58：00：247，極II直流線路保護再啟動邏輯跳閘，極Ⅰ、極Ⅱ相繼閉鎖。

2 故障檢查及原因分析

2.1 極控制故障錄波分析

極Ⅰ、極Ⅱ的極控制主機P1PCPB1及P2PCPB1波形圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 P1PCPB1控制主機故障錄波圖

圖2 P2PCPB1控制主機故障錄波圖

查看圖1、圖2故障錄波發現極Ⅰ、極Ⅱ直流電壓瞬時降為0，隨后直流電壓進入暫態恢復過程。直流電壓降落約4 ms后低壓限流功能使α角增大，直流電流減小，持續約80 ms后直流欠壓保護動作。

2.2 極保護動作情況分析

這次事件中，直接導致特高壓錦蘇直流雙極閉鎖保護的是直流線路欠壓保護，該保護的原理簡述如下：

當直流線路發生故障時，會造成直流電壓無法維持。通過對直流電壓的檢測，如果發現直流電壓低持續一定的時間，同時沒有發生交流系統故障，也沒有發生換相失敗，判斷為直流線路故障。

其具體判據為

|UDL|>UDL_set

UDL_set全電壓時為0.35 p.u.，降壓時為0.25 p.u.。由于直流線路欠壓保護為后備保護，因此動作前需延時80～90 ms(具體延時由國調保護處下達)。

根據直流控保邏輯，直流線路欠壓保護的動作結果是啟動線路重啟邏輯，觸發錄波。

圖3所示是極I保護A套錄制的波形。在這次事件中，由波形可知，整流側直流電壓跌落至0.35 p.u.后一直沒有恢復，而直流線路欠壓保護動作事件在整流側電壓突變后90 ms，與保護邏輯相符。

圖3 P1PCPA2保護主機故障錄波圖

2.3 再啟動邏輯動作情況

錦蘇直流的再啟動邏輯如圖4和圖5所示。再啟動跳閘邏輯中，當一極存在再啟動信號時，閉鎖對極再啟動功能5 s，同時該信號送至對極再啟動跳閘邏輯，如此時對極出現再啟動信號則立即閉鎖。查看軟件主程序，本邏輯執行周期為6 ms，而雙極電壓在同一時刻(同一毫秒級)故障。

圖4 雙極直流線路先后故障閉鎖再啟動邏輯

由于order down命令是雙極同時相互傳遞，如果極Ⅰ、極Ⅱ同時出現order down命令，則會出現雙極同時滿足再啟動跳閘邏輯條件，見圖5所示。

通過事件記錄和故障錄波可知，極Ⅰ、極Ⅱ直流欠壓保護同時動作，同時發出order down命令，則滿足再啟動跳閘邏輯，極Ⅰ、極Ⅱ先后閉鎖。

2.4 直流分壓器檢查情況

現場檢查極Ⅰ、極Ⅱ直流分壓器設備外觀正常，分壓回路接線盒內無異常。

現場檢查直流分壓器分壓回路，在施加250 V電壓時，分壓回路壓敏電阻(保護分壓回路測量分壓元件)過壓導致絕緣擊穿(動作電壓230 V)；在施加50 V、100 V電壓時，分壓回路壓敏電阻絕緣正常。

圖5 再啟動跳閘邏輯

2.5 換流站內接地裝置電氣一次設備試驗情況

查看換流站內接地裝置電氣一次設備調試報告，所有項目符合國家標準和技術規范以及設計要求，試驗結果合格。

3 直流分壓器等效電路及暫態響應特性[6]

3.1 直流分壓器結構及等效電路

特高壓直流換流站直流電壓分壓器結構如圖6所示。

圖6 特高壓直流輸電工程直流分壓器結構

由圖6可知，直流分壓器利用阻容分壓的原理實現雙級變壓，第一級將800 kV一次電壓降低至70 V并引入平衡模塊。平衡模塊中裝設了氣體放電管，對二次系統進行保護。在后續分壓模塊中，70 V輸入電壓又將變化至5 V，并經過隔離放大器后輸入控保系統。

通過對錦蘇直流整流側使用的直流分壓器的實際參數進行梳理，可以得到錦蘇直流工程直流分壓器的等效電路如圖7所示。

圖7 特高壓直流輸電工程直流分壓器等效電路

從圖7可知，直流分壓器高壓臂的集中參數電阻為400 MΩ，集中參數電容為400 pF。低壓臂等值電阻為34.6 kΩ，等值電容約為4 600 nF。利用該分壓原理可以實現將一次系統800 kV的額定直流電壓降低至70 V。同時，由于高低壓橋臂的電阻、電容間滿足如式(1)所示的匹配原則，可保證直流分壓器的階躍暫態響應時間。

(1)

3.2 直流分壓器氣體放電管擊穿后暫態響應特性

利用基爾霍夫定律對圖7所示的直流分壓器等效電路進行分析，可以得到輸出U2與直流電壓U1間的微分方程關系為

(2)

對式(2)進行拉普拉斯變化，可得到直流分壓器的傳遞函數為

(3)

式中，u10、u20分別為U1、U2在0時刻的初始值。

由于低壓臂短路,U2在0時刻的初始值滿足u20=0，但一次系統電壓0時刻的初始值卻等于直流系統額定電壓u10=VD。考慮整個過程中，U1維持幅值為VD的直流電壓，由此可以得到在此過程中，U2的暫態響應滿足：

(4)

由式(4)可知，在直流分壓器低壓臂短路恢復瞬間，由于低壓臂電容的充電過程，U2的電壓依然保持為0，即

U2(0+)=0

(5)

該初始電壓通過一階動態響應，逐漸變化至穩態值：

(6)

由式(4)可知，該分壓器回路的時間常數滿足：

(7)

由此可見，在直流分壓器低壓臂短路恢復后，即使一次側直流電壓維持不變，電壓測量值恢復到0.35 p.u.、0.7 p.u.直至結束過渡過程也需要相當長的時間。

4 事故原因分析

4.1 事故原因分析[7]

根據直流分壓器氣體放電管擊穿后暫態響應的動態響應特性，可以初步得到事故發生的原因如下：

故障發生時，錦屏換流站內持續雷電暴雨天氣，故障初始時刻極Ⅰ、極Ⅱ直流電壓均出現突降，但電流沒有變化，據此推斷并非線路故障。故障后，換流站內組織對雙極直流分壓器及其二次回路進行了檢查：一次設備外觀無異常，沒有閃絡放電痕跡；雙極分壓器二次回路及測量板卡各自獨立，無公共部分；分壓回路保護用壓敏電阻動作電壓與標稱值一致，且動作后能夠正常復歸。

檢查站內工業視頻錄像顯示故障時刻直流線路桿塔附近有一道閃電， 通過對照可以判斷雷擊點為極Ⅰ直流線路第一基桿塔到換流站內龍門架間的避雷線 。初步分析為直擊雷導致兩極極母線直流分壓器二次回路擾動，極母線直流電壓測量值瞬間跌落至0，雙極同時發生直流欠壓保護動作并發出閉鎖另一極的再啟動信號，導致兩極同時閉鎖。

錦屏站近區遭受雷擊，雷電流通過主接地網泄流，導致站內直流電壓分壓器與接地網連接處電壓升高，電壓波形類似雷電過電壓，同時造成極Ⅰ、極Ⅱ直流分壓器二次回路過壓保護裝置擊穿，測量電壓快速跌落，進而引起直流線路欠壓保護動作。兩極互相閉鎖另一極的再啟動邏輯，導致同時停運。

4.2 系統主保護未誤動原因分析

另外，與直流電壓相關的保護還包括電壓突變量保護，但在這次事件中該保護并未動作。現將電壓突變量保護行為分析如下。

電壓突變量保護的原理是檢測直流線路的直流電壓和直流電流，直流線路接地故障的一個特征是直流電壓以相對較高的速率下降到一個較低值(突變量)。突變量部分是非常快速的，提供了2～3 ms內的故障檢測。突變量檢測是由一個微分電路構成，與兩個參考值進行比較。較小的突變量參考值用于啟動檢測電路，如果突變量超過較大的參照值，則達到突變量動作標準。

為了區分換流站內故障和直流線路故障，采用電壓時間微分(dU/dt)的測量與直流線路中的電流時間微分(dI/dt)相結合。一個高的正dI/dt(在正常電流方向的電流增加)表明故障位于IDL測量互感器的線路側，而一個高的負dI/dt表明故障在直流場內。要完全篩選突變量部分，也必須檢測直流低電壓。較高的突變量參考值和低電壓部分都需要持續滿足延時，以避免因為電壓暫態變化導致意外動作。

圖8為特高壓直流電壓突變量保護的原理圖。

圖8 直流電壓突變量保護原理圖

圖中，直流線路額定電壓：UDL_NOM=800 kV(2個換流器全壓運行)；UDL_NOM=560 kV(2個換流器降壓運行)；UDL_NOM=400 kV(僅1個換流器正常運行)。

由圖8可知，直流電壓突變量保護的主要判據為：

UDL_DER<-0.95×UDL_NOM延時0.1 ms后展寬2 ms；

且UDL_SW<0.55×UDL_NOM延時0.2 ms；

且UDL_DER<-0.7×UDL_NOM；

且IDL-IDLq-15≥4000×IDER_REF，然后展寬2 ms后延時2 ms，此時若UDL_SW

上述判據中：

UDL_DER為直流線路電壓突變量；

UDL_SW q-n為n個采樣周期前的直流線路電壓；

IDLq-15為15個采樣周期前的直流線路電流；

電流突變量參考值IDER_REF=0.1(2個換流器正常運行)、IDER_REF=0.05(2個換流器未正常運行)。

簡言之，直流電壓突變量保護采用4個判據，綜合判斷兩段電壓突變量、電壓跌落以及電流突變量，4個判據均滿足后再出口前輔助直流線路低電壓判據。

在“9·19”錦蘇直流雙極閉鎖事件中，從故障錄波上看，直流電流IDL在電壓突降后也開始下降(如圖9所示)。此時dI/dt是一個負值或是一個較小的正值，所以不滿足突變量動作的要求。

圖9 錦蘇直流事件中電壓電流波形

5 結論及反事故措施建議[7]

分析表明，導致此次事件最直接的原因是由于整流側直流分壓器二次側短路后，低壓臂電容充電時間過長。特別是當放電管擊穿，低壓臂殘壓降為0后，分壓器需要477 ms后才能恢復正常測量功能。過長的充電時間，導致直流電壓長時間錯誤測量，并引發控制保護系統誤動。

基于此分析，做出如下反事故措施建議：

1)在直流分壓器二次放電間隙處串聯壓敏電阻。因為當發生雷電沖擊的動作時：在正極性雷電沖擊下，由于殘壓與工作電壓的極性相同，極Ⅰ殘壓值可以保持在線路低壓保護動作定值之上，保護不會動作，但是極Ⅱ殘壓極性與工作電壓相反，線路低電壓保護將會動作，觸發極Ⅱ再啟動邏輯；同理，在負極性雷電沖擊下，兩極情況相反，僅極I發生再啟動。

2)仿真計算雷擊換流站站內(全站范圍內)及線路(交直流線路，包括站用電外接電源線路)靠近換流站近區避雷線或避雷針時，雷電流通過主接地網泄流引起的接地網電位升高，分析在遭受直擊雷情況下，換流站內二次回路接地側與主接地網直接連接的測量設備的連接點地網電位升高情況,確定全站測量設備二次回路耐壓水平要求。

[1] 謝紹宇,王秀麗,王錫凡．交直流混聯系統可靠性評估[J]．電力自動化設備，2011,31(7):10-16.

[2] Aik D L H, Andersson G. Power Stability Analysis of Multi-infeed HVDC Systems[J]． IEEE Trans. On Power Delivery, 1998 13(3):923-931.

[3] IEEE PES Transmission and Distribution Committee．IEEE Guide for Planning DC Links Terminating at AC Locations Having Low Short-circuit Capacities[R]．Newyork：IEEE，1997．

[4] 韓昆侖,蔡澤祥,賀智,等．高壓直流輸電線路故障行波傳播特性極其對行波保護的影響[J]．電力系統保護與控制，2013,41(21):20-25.

[5] 李少華,劉濤,蘇勻,等．±800 kV特高壓直流輸電系統解鎖/閉鎖研究[J]．電力系統保護與控制，2010,38(6):84-87.

[6] 邱關源,羅先覺．電路(第5版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

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According to bipolar block faults caused by lightning stroke happened in Jinping UHV converter station in September 2015 and combined with the fault wave recorder and the protective actions of pole control, the fault reasons are analyzed theoretically, and the suggestions for anti-accident measures are put forward, that is, the varistor is in series connection at secondary discharge gap of DC voltage divider in UHV converter station, which is good for the stable and reliable operation of DC system.

UHVDC; interconnected power grid; varistor; DC voltage divider

TM72 <文獻標志碼：b class="emphasis_bold"> 文獻標志碼：B 文章編號：1003-6954(2016)06-0065-05文獻標志碼：b

1003-6954(2016)06-0065-05

B 文章編號：1003-6954(2016)06-0065-05

2016-08-02)

禹 佳(1983)，本科，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術；

孫 文(1980)，本科，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術；

閆禮陽(1968)，本科，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術。