換流站一端帶電交流刀閘分閘引起高壓直流差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作事故分析

鄧本飛

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

某二回直流輸電系統(tǒng)換流站發(fā)生了極2閉鎖事故。均是在交流場(chǎng)一端帶電刀閘拉開的時(shí)候，極2直流差動(dòng)保護(hù)87DCM動(dòng)作導(dǎo)致，直流輸電系統(tǒng)興仁換流站屬于高壓直流電壓500 kV，輸送功率3000 MW的典型常規(guī)換流站，分為正負(fù)兩極，極2為負(fù)極先投運(yùn)。交流場(chǎng)為500 kV電壓，共8個(gè)1倍半接線間隔，帶有3大組交流濾波器。

500 kV交流場(chǎng)為典型的一倍半接線，在第一和第二串分別為高壓直流極1和極2出線。三大組濾波器分別從第一、第二、第三串引出，從第一大組交流濾波器母線上引出了一臺(tái)500 kV高壓站用變。

圖1 興仁換流站直流場(chǎng)設(shè)備

高壓直流部分，是典型的常規(guī)直流方式。換流變網(wǎng)側(cè)套管連接交流場(chǎng)，其閥側(cè)套管伸入閥廳連接換流閥。換流閥整流后通過(guò)油浸式平波電抗器和低壓穿墻套管連接到直流場(chǎng)。直流場(chǎng)為典型的對(duì)稱的雙極接線形式，每極帶有2組直流濾波器。

換流站全站的總體布局，呈現(xiàn)一個(gè)東西方向的長(zhǎng)方形。西側(cè)是狹長(zhǎng)形布置的500 kV一倍半接線交流場(chǎng)，從其側(cè)面端部的第一和第二串出線，連接換流變。交流場(chǎng)和換流變之間是間隔50m距離的廣場(chǎng)。極1和極2閥廳，以及控制樓，是布置成一個(gè)長(zhǎng)條形的矩形整體，在交流場(chǎng)和直流場(chǎng)之間形成一個(gè)20多米高的分隔建筑物。

1 故障情況

在直流系統(tǒng)極2處于不運(yùn)行狀態(tài)，拉開交流場(chǎng)一端帶電的串內(nèi)隔離開關(guān)，每次直流差動(dòng)保護(hù)都會(huì)動(dòng)作；拉開交流濾波器小組一端帶電的刀閘，直流差動(dòng)保護(hù)偶爾會(huì)動(dòng)作。

圖2 跳閘信號(hào)局部放大圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，充分證明了極2直流差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)是由于拉開交流場(chǎng)一端帶電的刀閘所導(dǎo)致的。

2 直流差動(dòng)保護(hù)及數(shù)據(jù)采集處理

圖3 直流差動(dòng)保護(hù)邏輯圖

直流差動(dòng)保護(hù)是采集高壓直流母線上的直流電流IDH與采集的低壓直流母線上的直流電流IDN做減法比較，超過(guò)0.05 pu即150 A，延時(shí)5 ms動(dòng)作出口。

裝置具體實(shí)現(xiàn)是這樣的，直流差動(dòng)保護(hù)的采樣頻率為2 kHz，當(dāng)超過(guò)門檻值150 A，計(jì)數(shù)器就加20，否則減1；當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)值大于100時(shí)保護(hù)出口，當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)值等于0 時(shí)復(fù)歸保護(hù)并將計(jì)數(shù)器清零。

3 誤動(dòng)機(jī)理分析

根據(jù)該直流差動(dòng)保護(hù)的具體實(shí)現(xiàn)原理，可以知道該保護(hù)的幾種動(dòng)作情況：

1）保護(hù)動(dòng)作最快的情況，連續(xù)有5個(gè)采樣點(diǎn)超過(guò)門檻值，也就是2.5 ms時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器計(jì)滿100，延時(shí)的5 ms內(nèi)可以采樣10次，每次即使不超過(guò)門檻值計(jì)數(shù)器減1，計(jì)數(shù)器也無(wú)法清零，保護(hù)是必然動(dòng)作的。

2）保護(hù)動(dòng)作最慢的情況是，每20個(gè)采樣點(diǎn)只有1個(gè)采樣點(diǎn)超過(guò)門檻值，那么每20個(gè)采樣點(diǎn)（0.01秒）計(jì)數(shù)器加20減19，只剩1。總的需要100個(gè)同樣的過(guò)程，也就是1000 ms。

3）其它動(dòng)作情況，動(dòng)作快慢也就是介于這兩種情況之間。從錄波圖上可以看到，直流差動(dòng)保護(hù)基本上在0.6秒左右出口。從錄波放大圖上可以看到，在0.04195秒內(nèi)，采樣值超過(guò)門檻值8次以上，相當(dāng)于平均每20個(gè)采樣點(diǎn)有2個(gè)左右采樣值超過(guò)門檻值。交流場(chǎng)一端帶電的刀閘拉開的時(shí)候，可以明顯看到電弧放電，整個(gè)過(guò)程時(shí)間達(dá)到11秒，是完全可能提供這樣的干擾源的。

從換流站平面圖可以看到，小組濾波器的刀閘和串內(nèi)刀閘與直流差動(dòng)保護(hù)采樣點(diǎn)的空間距離并不存在差異，但是卻存在結(jié)果的明顯差異。并且直流差動(dòng)保護(hù)的電流互感器二次回路采用光纖回路傳輸。由此可以排除空間干擾或二次回路干擾的可能性，同時(shí)也可以排除所謂近場(chǎng)耦合和地網(wǎng)耦合的可能性。

拉開串內(nèi)一端帶電的刀閘每次會(huì)引起直流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，而拉開小組濾波器一端帶電的刀閘偶爾會(huì)引起直流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的原因；它們主要存在的差異是小組濾波器的刀閘是串內(nèi)引出到濾波器大組母線，然后再分到小組濾波器，它的電氣主回路要比串內(nèi)的刀閘距離高壓直流系統(tǒng)遠(yuǎn)得多（多了串內(nèi)到濾波器母線、再到刀閘等多個(gè)接頭，回路阻抗增大不少），其刀閘拉開產(chǎn)生的電磁干擾信息處于直流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的門檻值附近，進(jìn)而出現(xiàn)偶爾動(dòng)作偶爾不動(dòng)作的情況。

綜合以上信息，可以得知：一端帶電的交流刀閘在拉開時(shí)出現(xiàn)的長(zhǎng)達(dá)10秒左右的強(qiáng)烈電弧，進(jìn)而產(chǎn)生的高頻電磁干擾，通過(guò)主回路傳導(dǎo)，甚至越過(guò)換流變回路拉開的刀閘的間隙，傳導(dǎo)到直流電流互感器。而直流電流互感器的羅戈夫斯基線圈，以及保護(hù)2 kHz的采樣頻率，正好可以捕捉到這些干擾信號(hào)，但是直流保護(hù)的高壓側(cè)和中性側(cè)互感器由于電氣回路的差異導(dǎo)致受到的干擾信號(hào)的差異性很大，進(jìn)而導(dǎo)致直流差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

4 解決方法研究

對(duì)于這個(gè)情況下直流差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的問(wèn)題，從以下幾個(gè)方向探討。

1）隔離或消除干擾源。一端帶電的交流刀閘都存在需要拉開的情況，必然出現(xiàn)放電拉弧的，無(wú)法消除這種情況。

2）切斷傳播途徑。這個(gè)高頻的干擾信號(hào)，通過(guò)主接線回路傳導(dǎo)，并且可以通過(guò)刀閘斷口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

3）增加保護(hù)延時(shí)。直流差動(dòng)保護(hù)需要快速動(dòng)作切斷故障，同時(shí)干擾源的持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

4）改變采樣方式。目前的直流互感器對(duì)于直流電流的采集和合適的，不好改變。

5）改變保護(hù)采樣取值方式。對(duì)于正常的故障直流電流，每個(gè)采樣點(diǎn)都會(huì)在某個(gè)值附近。從圖2跳閘信號(hào)局部放大圖，分析交流刀閘造成的干擾量，可以看到干擾量產(chǎn)生的是一些脈沖量，不連續(xù)也不呈周期性。與圖4、圖5直流側(cè)故障的波形截然不同。

圖4 整流側(cè)故障波形圖

圖5 中性母線故障波形圖

因此，干擾量波形的不連續(xù)性，是區(qū)分的關(guān)鍵，可以利用它閉鎖或者復(fù)歸保護(hù)。

目前改為采用要求啟動(dòng)保護(hù)出口之前10個(gè)連續(xù)的采樣值均需要大于門檻值的方式。也就是，只要有采樣值小于門檻值，立即復(fù)歸保護(hù)，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間固定為10 ms（10個(gè)采樣點(diǎn)5 ms，延時(shí)5 ms）。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)際考驗(yàn)，能夠針對(duì)故障正確動(dòng)作，并且交流場(chǎng)刀閘拉開時(shí)不再誤動(dòng)。經(jīng)過(guò)對(duì)兩個(gè)極的直流差動(dòng)保護(hù)改進(jìn)后，換流站另一極投運(yùn)后沒有在發(fā)生交流場(chǎng)一側(cè)帶電刀閘斷開出現(xiàn)直流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的情況。

圖6 改進(jìn)后的直流差動(dòng)保護(hù)邏輯圖

5 結(jié)束語(yǔ)

高壓直流保護(hù)功能的設(shè)計(jì)，必須充分考慮交直流設(shè)備的相互電磁干擾問(wèn)題，并且在現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)際測(cè)試，以確保沒有電磁干擾的問(wèn)題發(fā)生。在保護(hù)采樣環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)上要充分考慮干擾信號(hào)的影響，并重視電磁干擾在換流站的影響。