直流輸電系統(tǒng)故障動作情況及閉鎖案例分析

王琦，周云濤，張飛宇

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司特高壓交直流運檢中心，江蘇南京，210000）

相比交流輸電系統(tǒng)，直流輸電系統(tǒng)在發(fā)生接地故障時，存在移相、去游離、再啟動等過程，控制保護(hù)動作情況更加復(fù)雜。對于剛接觸直流的運行人員，將這個過程詳細(xì)分解介紹很有必要。

1 直流系統(tǒng)組成及特點

直流輸電系統(tǒng)由兩端換流站、直流線路和接地極系統(tǒng)三部分構(gòu)成，如圖1所示。換流站的作用是對交流、直流進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換，左、右兩端分別是送、受端交流系統(tǒng)。換流站1（整流側(cè)）中，交流被轉(zhuǎn)換成直流，并經(jīng)過直流輸電線路輸送到換流站2（逆變側(cè)）；通過換流站2（逆變側(cè)）直流被轉(zhuǎn)換為交流。

圖1 直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成

與交流系統(tǒng)線路故障一樣，直流線路上的瞬時性故障經(jīng)故障隔離、熄弧后，絕緣可以很快恢復(fù)，直流線路同樣可以恢復(fù)運行。與交流系統(tǒng)故障不同的是，直流線路(含接地極線路)故障沒有自然的電流過零點，直流電弧無法自行消除，不可能通過斷路器來切除故障，直流系統(tǒng)主要依靠控制整流側(cè)閥控系統(tǒng)實現(xiàn)切除故障和再啟動。

2 直流系統(tǒng)故障保護(hù)過程

■2.1 基本原理

直流系統(tǒng)通過合適的順序操作釋放直流線路上累積的能量，經(jīng)過去游離過程等待絕緣恢復(fù)后使直流重新投入運行，這一過程在直流控制保護(hù)中稱為直流線路故障重啟。直流線路故障再啟動順序操作大致可以分為移相使電流降為0和等待絕緣恢復(fù)再啟動兩個階段，總體作用分別類似于交流系統(tǒng)中的跳閘與重合閘過程。

■2.2 操作順序流程

直流輸電系統(tǒng)故障重啟的順序操作一般可分解為以下幾個階段：移相（至逆變態(tài)）、釋放能量、去游離、移相（至整流態(tài)）、建立直流電流、故障清除判斷，典型順序操作過程簡況如圖2所示。

圖2 直流輸電系統(tǒng)故障重啟典型順序操作過程

（1）移相（至逆變態(tài)）

線路對地閃絡(luò)故障以后，相關(guān)保護(hù)動作，一旦確定為線路故障，整流側(cè)換流站迅速增大閥控系統(tǒng)觸發(fā)角，典型值為120～160°，系統(tǒng)由整流狀態(tài)移相至逆變狀態(tài)。該階段歷時Δt1。

（2）釋放能量

直流系統(tǒng)進(jìn)入逆變態(tài)后，線路電流逐漸減小至0，該階段歷時Δt2。

（3）去游離

電流減小至0后，系統(tǒng)等待一段時間供短路弧道去游離，使絕緣再恢復(fù)。該階段歷時Δt3，Δt3由系統(tǒng)事先設(shè)定，典型值為 150～500ms。

（4）移相（至整流態(tài)）

等待系統(tǒng)去游離時長后，整流側(cè)換流站迅速減小閥控系統(tǒng)觸發(fā)角，典型值為15°左右，系統(tǒng)由逆變狀態(tài)逐漸移相至整流狀態(tài)。該階段歷時Δt4。

（5）建立直流電流

直流系統(tǒng)恢復(fù)至整流狀態(tài)后，逐步建立線路直流電流，恢復(fù)至故障前的輸送功率。該階段歷時Δt5。

（6）故障清除判斷

系統(tǒng)建立直流電流后完成第一次再啟動過程，此時判斷故障是否清除，若故障清除則再啟動成功，恢復(fù)送電，再啟動時間 T1 = Δt1+Δt2+Δt3+Δt4+Δt5（T1-Δt3 的典型值為100～150ms）；若故障未清除，故障電流仍存在，則根據(jù)事先設(shè)定的程序，準(zhǔn)備進(jìn)行第二次再啟動，并根據(jù)程序決定是否降低電壓，若降壓則通常降壓至額定電壓的70%或80%，再重復(fù)上述過程，如此循環(huán)。

直流線路保護(hù)動作有計數(shù)器記錄保護(hù)動作次數(shù)，30s內(nèi)的保護(hù)動次數(shù)作累加計數(shù)，30s后動作計數(shù)器清零。上述順序操作中，允許再啟動次數(shù)、去游離時間通常根據(jù)直流線路的運行潮流等情況事先設(shè)定，而且可根據(jù)再啟動極分別設(shè)置。通常30s內(nèi)允許再啟動不超過N次（N為1或2或3），若N次再啟動均不成功，則直流系統(tǒng)閉鎖停運。若N為2，通常第2次再啟動的去游離時間 >第1次再啟動的去游離時間；若N為3，通常第3次再啟動的去游離時間 ≥ 第2次再啟動的去游離時間 >第1次再啟動的去游離時間。

■2.3 再啟動設(shè)置

關(guān)于允許再啟動次數(shù)、去游離時間，國網(wǎng)和南方電網(wǎng)的幾個直流工程再啟動設(shè)置見表1。

表 1 直流工程再啟動設(shè)置

3 龍政直流閉鎖故障事件概況

20時38分49秒，龍政直流極2線路故障，經(jīng)兩次全壓重啟、一次降壓重啟不成功后極2閉鎖，閉鎖執(zhí)行過程中政平站發(fā)生極2換流變閥側(cè)中性點偏移保護(hù)動作導(dǎo)致?lián)Q流變進(jìn)線開關(guān)跳閘。

■3.1 線路故障重啟失敗分析

由故障錄波圖可以看出，龍政直流極1線路故障后行波保護(hù)動作、突變量保護(hù)動作，觸發(fā)線路重啟動邏輯，經(jīng)兩次全壓、一次降壓重啟不成功，極閉鎖。

結(jié)合故障錄波及事件分析，本次線路故障后直流線路經(jīng)兩次全壓、切換控制系統(tǒng)及一次降壓后不成功，極閉鎖，線路重啟邏輯執(zhí)行正確。

■3.2 政平站換流變中性點偏移保護(hù)動作分析

政平站收到對站閉鎖指令后閉鎖極2，并投入旁通對。觸發(fā)旁通對將兩個換流閥（可控硅）同時導(dǎo)通，使故障電流有通路可走，給線路直流電流形成一個回路，以加快熄弧起到快速放電釋放故障電流的作用。如圖4中紅色回路，電流從B相通過。

圖3 旁通對投入分流回路圖

中性點偏移保護(hù)動作條件：①極閉鎖；②閥側(cè)零序電壓值大于定值；③延時5秒動作。

由于政平站極2投旁通對，解鎖Deblock_ind信號由1變?yōu)? (DEBL_IND_N信號由0變?yōu)?)，滿足條件1。

極1直流電流經(jīng)龍泉站和政平站極2換流器旁通對形成分流，極2旁通對處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)（電流約150A），相當(dāng)于政平站極2 Y/Y及Y/D換流變閥側(cè)B相（換流變閥側(cè)已經(jīng)是交流電）通過接地極形成單相（B相）接地，電壓三相不平衡，出現(xiàn)零序電壓，并大于了中性點偏移保護(hù)零序電壓定值。滿足條件2。

本次極2線路接地故障持續(xù)時間較長，超過6s，大于了延時5s的定值，滿足條件3。

綜上，導(dǎo)致極2 Y/Y及Y/D換流變中性點偏移保護(hù)動作出口，跳開5012、5013開關(guān)。

4 總結(jié)

直流輸電線路在發(fā)生永久性接地故障后，會經(jīng)歷再啟動過程，相當(dāng)于交流系統(tǒng)的重合閘。若再啟動失敗，引發(fā)極閉鎖，此時應(yīng)研究線路故障閉鎖極時應(yīng)該采用Y閉鎖還是Z閉鎖，最大程度的避免故障的擴(kuò)大。

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