某換流站單極ESOF簡要分析

林曙光　常曉禹　王成姣

摘要：某換流站500kV交流線路甲線跳閘后，伴隨甲乙線串補(bǔ)旁路以及換流站極Ⅰ、極Ⅱ換相失敗，最后該換流站極Ⅱ極保護(hù)換流器D橋短路保護(hù)87CSD 1段 跳閘，導(dǎo)致該換流站單極ESOF，直流輸送功率減少50%。本文簡要分析此次保護(hù)動(dòng)作的相關(guān)波形，對于導(dǎo)致ESOF的原因進(jìn)行簡要分析。

關(guān)鍵詞：ESOF、換相失敗、避雷器、串補(bǔ)

一、單極ESOF發(fā)生經(jīng)過

（一）單極ESOF發(fā)生經(jīng)過

某日02時(shí)40分52秒285毫秒，500kV甲線5122、5123開關(guān)，500kV甲、乙線串補(bǔ)旁路，極Ⅱ ESOF，極Ⅱ換流變進(jìn)線5341、5342開關(guān)跳閘。直流功率受影響，輸送功率由3000MW降至1500MW。

三、單極ESOF發(fā)生原因

（一）單極ESOF原因分析

結(jié)合電網(wǎng)信息及站內(nèi)故障時(shí)序可以了解到，500kV甲線A、C相因遭受雷擊產(chǎn)生電壓波動(dòng)，某換流站500kV側(cè)交流電壓下降，引起直流極Ⅰ、極Ⅱ換相失敗，3套STATCOM暫態(tài)閉鎖;隨后500kV甲線線路保護(hù)動(dòng)作切除故障線路并將甲線串補(bǔ)旁路，500kV乙線串補(bǔ)因間隙自觸發(fā)動(dòng)作將串補(bǔ)旁路;在500kV甲線故障切除后，直流換相失敗恢復(fù)過程中，500kV交流系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致直流極Ⅰ、極Ⅱ再次換相失敗，同時(shí)極Ⅰ、極Ⅱ各閥組避雷器多次動(dòng)作，其中極Ⅱ D閥組的一次避雷器動(dòng)作電流值達(dá)到橋短路保護(hù)87CSDⅠ段動(dòng)作定值，最終導(dǎo)致了500kV直流極Ⅱ閉鎖。

通過統(tǒng)計(jì)SER報(bào)文，9日某換流站兩次換相失敗后，后臺(tái)SER一共記錄到74次閥組避雷器動(dòng)作，隨后對7月至9月在換相失敗期間避雷器動(dòng)作情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。直流發(fā)生換相失敗后，閥避雷器動(dòng)作頻繁。例如，本次故障在換相失敗故障恢復(fù)期間，500kV交流母線相電壓峰值達(dá)747kV，約為正常運(yùn)行電壓水平的1.69倍（故障前電壓峰值為：442.4kV）。

在區(qū)外故障下，直流發(fā)生換相失敗后，在故障恢復(fù)過程中，500kV某換流站交流母線容易產(chǎn)生過電壓，將導(dǎo)致閥組避雷器頻繁動(dòng)作。根據(jù)總調(diào)統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)內(nèi)閥組避雷器動(dòng)作情況看，僅有某換流站存在閥組避雷器在換相失敗期間動(dòng)作的情況。

（2）換流器D橋短路保護(hù)87CSDⅠ段保護(hù)動(dòng)作分析

1）電流測點(diǎn)采樣分析

結(jié)合直流控保內(nèi)置故障錄波及換流變故障錄波，多個(gè)測點(diǎn)直流側(cè)、交流側(cè)故障電流幅值及變化趨勢基本一致，排除電流測點(diǎn)異常導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作的可能。極Ⅱ換流變故障錄波，極Ⅱ極保護(hù)內(nèi)置故障錄波

對比換流變故障錄波和極保護(hù)內(nèi)置故障錄波，在故障時(shí)刻繞組電流突增，兩處故障錄波幅值基本相同，YD換流變A相閥側(cè)繞組故障電流峰值均超過6000A（極保護(hù)：6194A;換流變保護(hù)：6309A），排除交流側(cè)電流測點(diǎn)采樣異常的可能。

對比IdH、IdL、IdN、IdE直流側(cè)不同的電流測點(diǎn)，直流電流采樣基本一致，排除直流側(cè)電流測點(diǎn)采樣異常的可能。

2）換流器D橋短路保護(hù)87CSD 1段動(dòng)作分析。

換流器D橋短路保護(hù)87CSD 1段保護(hù)原理。

出口直流ESOF功能：換流器短路保護(hù)（87CSY/87CSD）

功能邏輯：87CSY：IacY- Min[IdH， IdN]> Δ

87CSD：IacD- Min[IdH， IdN]> Δ

功能定值：I段：定值Δ=1.7p.u. （5100A）延時(shí)T=0ms

II段：定值Δ=0.5p.u. （1500A）延時(shí)T=30ms

根據(jù)極Ⅱ極保護(hù)A套故障錄波波形數(shù)據(jù)可知。

IacD- Min[IdH， IdN]=8242.4A-778.9A=7463.5 > Δ=5100A

滿足87CSD保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，保護(hù)動(dòng)作。

結(jié)合歷次換相失敗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析（表7），電流差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于87CSD保護(hù)I段動(dòng)作定值。

9日15時(shí)20分59秒114毫秒：IacD 7483.33A，IdH 7250.556A，IdN 7232.222A，Δ 251.108A;22日14時(shí)16分26秒961毫秒：IacD 7496.667A，IdH 7609.440A，IdN 7598.889A，Δ-102.222A;9日02時(shí)40分52秒666毫秒：IacD 8242A，IdH 778.9A，IdN 781.6A，Δ7463.5A。

同時(shí)刻度極Ⅰ換流器D橋故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。極Ⅰ發(fā)生換相失敗，極保護(hù)計(jì)算IacD值與差I(lǐng)dH、IdN值為0.6，遠(yuǎn)未達(dá)到動(dòng)作值，87CSD不動(dòng)作。

綜上分析，甲線遭受雷擊導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)，雙極發(fā)生換相失敗，隨后甲線故障跳閘，電壓恢復(fù)期間交流電壓再次跌落，雙極第二次發(fā)生換相失敗。極Ⅱ發(fā)生換相失敗后，由于避雷器動(dòng)作導(dǎo)致D橋換流變閥側(cè)電流突增，達(dá)到了換流器D橋短路保護(hù)87CSD 1段保護(hù)動(dòng)作范圍，極Ⅱ極保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)ESOF，進(jìn)行極隔離。故極Ⅱ換流器D橋87CSD 1段保護(hù)動(dòng)作正確。

3）閥組避雷器電流突增原因分析

通過對換流變閥側(cè)電流錄波文件進(jìn)行對比分析，故障時(shí)刻D橋A、B相故障電流相位差為207.5°（接近180°），A、B相電壓同步下降，C相電壓上升為3倍的故障前電壓，由此初步，閥側(cè)A、B相發(fā)生短路導(dǎo)致YD換流變繞組電流突增。

在故障發(fā)生之前，極Ⅱ D橋換流閥豎琴脈沖正常，故障前D橋D5、D6閥觸發(fā)導(dǎo)通，之后在閥D5與D1換相，換流變閥側(cè)電流激增。

故障時(shí)刻IvD_a=-6292A，IvD_b=2856A，IvD_c=2899A可能有兩種流通路徑：

路徑a：D1閥導(dǎo)通，閥組C相避雷器F3動(dòng)作;

路徑b：D2閥導(dǎo)通，閥組A相避雷器F4動(dòng)作;

由故障錄波豎琴脈沖波形可知，在D1閥觸發(fā)脈沖發(fā)出后，故障電流出現(xiàn)，之后才觸發(fā)D2閥，故障電流只能路徑a流通。在保護(hù)動(dòng)作前，后臺(tái)報(bào)極Ⅱ C相避雷器F3、A相避雷器F2（Y橋）動(dòng)作，初步判斷故障是由于極Ⅱ C相F3避雷器動(dòng)作引起。

4）第二次換相失敗分析

第一次換相失敗結(jié)束后221ms，500kV母線三相交流電壓持續(xù)降低，發(fā)生第二次換相失敗，極Ⅱ換流變進(jìn)線電壓三相電壓降低速度緩慢，而非快速畸變的下降，排除發(fā)生外部故障的可能。故第二次換相失敗是由于交流側(cè)電壓在故障后無法快速恢復(fù)造成。對比科研院仿真波形分析，乙線串補(bǔ)自動(dòng)退出對于交流電壓不持續(xù)降低有明顯影響。。

4.原因分析

（1）直接原因

極Ⅱ 極保護(hù)換流器D橋短路保護(hù)87CSD 1段保護(hù)動(dòng)作，極Ⅱ極控系統(tǒng)ESOF。

（2）間接原因

500kV甲線A、C相故障，故障導(dǎo)致500kV甲線及500kV甲、乙線串補(bǔ)退出運(yùn)行，同時(shí)導(dǎo)致500kV某換流站極Ⅰ、極Ⅱ換相失敗，在換相失敗恢復(fù)過程中，由于交流系統(tǒng)波動(dòng)過電壓引起D橋C相F3避雷器動(dòng)作電流達(dá)到約9000A，達(dá)到橋短路保護(hù)87CSDⅠ段動(dòng)作定值，最終導(dǎo)致500kV直流極2閉鎖。

參考文獻(xiàn)：

【1】許繼電氣股份有限公司，ED4.351.YF_0_極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范書，2014，P12

【2】中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度管理規(guī)程（2017版）

【3】中國南方電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行操作管理規(guī)定（2017版）