一起多端柔性直流輸電系統短路故障分析

裘 鵬，王 一，陸 翌，黃曉明，陳 騫，許 烽

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江大學，杭州 310027；3.國網浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

柔性直流輸電技術[1-9]具有優越的控制特性及功率翻轉能力，是發展直流電網的基礎技術。迄今為止，世界上已有多個多端柔性直流輸電工程投運。從多端柔性直流輸電發展到直流電網必須解決直流故障分斷、隔離和系統快速重啟動問題，在這方面，國內已率先實現了工程化應用。2016 年12 月29 日，世界首臺高壓直流斷路器和阻尼恢復系統在舟山五端柔性直流輸電（以下簡稱“舟山柔直”）工程投運，實現了多端柔性直流輸電系統的直流故障快速隔離和系統快速重啟[10-13]。2017 年12 月20 日，世界首臺機械式高壓直流斷路器在南澳多端柔性直流輸電工程投運[14-16]。

目前已有許多文獻討論直流故障的隔離和系統重啟策略[17-18]，但除了南澳工程在投運初期開展了人工短路試驗，未見其他有關工程應用上直流斷路器和故障恢復系統運行情況的公開報道。本文詳細分析了2018 年11 月23 日舟山柔直工程定岱線路遭遇單極接地故障的過程及直流斷路器和阻尼恢復系統的動作過程。

1 舟山柔直工程直流故障處理邏輯

1.1 舟山柔直拓撲結構

舟山柔直工程由舟定換流站（簡稱“舟定站”，下同）、舟岱站、舟衢站、舟泗站和舟洋站五站組成，其容量分別為400 MW，300 MW，100 MW，100 MW，100 MW,交流側分別接入交流220 kV或110 kV 變電站，直流側采用樹狀接線，舟岱站作為中心樞紐站，具體結構如圖1 所示。

圖1 舟山柔直接入結構

為實現故障隔離和快速重啟動，五站在換流閥橋臂均配置了阻尼模塊，此外，在舟定站直流出線正負極各配置一個直流斷路器，其余四站所有直流線路正極為諧振型直流開關，負極為普通交流斷路器。系統接線、直流斷路器及阻尼恢復系統拓撲如圖2—4 所示。

圖2 加裝直流斷路器和阻尼恢復系統的舟山柔直拓撲結構

圖3 直流斷路器拓撲結構

圖4 阻尼恢復系統拓撲結構

1.2 單極接地故障判斷邏輯

一般來說，直流電網對直流故障處理需要以下幾個步驟：故障判斷、定位、隔離、重啟。

針對舟山多端柔直工程，由于采用了偽雙極拓撲，直流故障一般有單極接地故障和雙極短路故障兩類。單極接地故障判斷和保護邏輯如表1所示。

表1 單極接地故障判斷和保護邏輯

1.3 故障隔離邏輯

由于舟山五站僅配置了一端的直流斷路器，同時也未配置快速故障定位裝置，因此無法進行直接故障隔離。故障發生后通過如下邏輯實現故障隔離：

（1）閉鎖所有運行的換流站，投入阻尼模塊加速故障電流衰減，并觸發跳交流進線斷路器。

（2）交流斷路器分斷期間，利用站間通信開展線路差流分析，定位直流故障線路。

（3）若故障線路為定岱線，則直接跳開直流斷路器，另一側待故障電流衰減至500 A 以下后跳開諧振斷路器和交流斷路器。

（4）若故障線路為非定岱線，則待故障電流衰減至500 A 以下后跳開本側諧振斷路器和交流斷路器。

1.4 快速重啟動邏輯

故障隔離完成后就需要快速開展健全系統的恢復供電，其執行步驟如下：

（1）健全系統中的容量較大換流站重合交流斷路器。

（2）直流充電電壓建立后，其余換流站重合交流斷路器。

（3）定直流電壓換流站解鎖。

（4）其余換流站解鎖，恢復故障前輸送功率。

從故障判斷到重啟動完成一般需要500～600 ms。

2 故障經過

2.1 故障前運行狀態

故障前柔直系統舟定、舟岱、舟衢三端聯網運行，其中舟定站定直流電壓控制，送有功功率53 MW（包括系統損耗）；舟岱站定功率控制，受有功功率40 MW，吸收無功功率20 Mvar；舟衢站定功率運行，受有功功率10 MW，吸收無功功率0 Mvar。

2.2 故障過程

2018-11-23 T 8：41：13，舟定站、舟岱站、舟衢站后臺PCP A/B 系統同時出現“直流電壓不平衡保護Ⅰ段跳閘”“跳閥側交流斷路器命令已觸發”“五站連跳命令已觸發”“永久性閉鎖已觸發”“本站五站緊急停運命令發出”“定岱線直流線路故障出現”。具體時序如下：

（1）舟定站

08：41：13：096 直流電壓不平衡保護Ⅰ段，跳閘；08：41：13：096 換流器閉鎖命令，觸發；08：41：13：097五站連跳命令，觸發；08：41：13：097 跳閥側斷路器命令，觸發。

（2）舟岱站

08：41：13：096 直流電壓不平衡保護Ⅰ段，跳閘；08：41：13：096 換流器閉鎖命令，觸發；08：41：13：097五站連跳命令，觸發；08：41：13：097 跳閥側斷路器命令，觸發。

（3）舟衢站

08：41：13：097 直流電壓不平衡保護Ⅰ段，跳閘；08：41：13：097 換流器閉鎖命令，觸發；08：41：13：098五站連跳命令，觸發；08：41：13：098 跳閥側斷路器命令，觸發。

3 故障錄波及分析

本次故障涉及3 個換流站，其故障期間波形如圖5—7 所示。

圖5 舟定站波形

根據上述波形可見，三站波形相似，以舟定站波形為例分析：故障后直流電壓迅速發生變化，在2 ms 內正極電壓從200 kV 降至0 kV，負極電壓從-200 kV 降到-380 kV 左右；同時，正負極電流及接地極電流也迅速上升，交流電壓發生負向偏置。到定值并延時10 ms 后三站電壓不平衡保護動作，換流閥閉鎖并跳開閥側交流斷路器。根據上述電壓電流變化情況，可以判斷直流系統正極極線發生了單極接地故障。

圖6 舟岱站波形

圖7 舟衢站波形

為判斷故障線路，需分析所有線路正極電流變化，定岱、岱衢2 條線路兩端線路電流如圖8—11 所示。

以故障前時刻差流為0 作為參考，計算得到故障后8 ms 線路電流差值如表2 所示。可見，岱衢線差流非常小，定岱線出現明顯差流，因此可以確定定岱線發生正極接地短路。

待系統閉鎖且故障位置明確后，系統跳開故障線路兩側斷路器，舟定站直流側采用混合式高壓直流斷路器，但由于故障電流較小，斷路器屬于慢分，隔離故障需要30 多毫秒，舟岱站線路采用了諧振斷路器，需要直流電流下降至500 A以下方可開斷，隔離故障時間稍長。

圖8 定岱線舟定站側正極直流故障電流

圖9 定岱線舟岱站側正極直流故障電流

圖10 岱衢線舟岱站側正極直流故障電流

圖11 岱衢線舟衢站側正極直流故障電流

表2 線路差流

為保障系統供電，故障隔離完成后需要重啟動健全系統，因此舟岱站、舟衢站及舟衢線需要快速重啟動。舟岱站交流側斷路器在故障發生451 ms 后重新合閘充電并解鎖，舟衢站在故障發生681 ms 后重合閘充電、解鎖并恢復至故障前運行狀態，具體波形如圖12—13 所示。

圖12 舟岱站重啟動波形

圖13 舟衢站重啟動波形

由圖12—13 可見，重啟動后舟岱站作為定直流電壓站平衡系統功率，舟衢站依舊為定功率運行，并恢復至故障前輸送功率，因此最終由舟岱站向舟衢站輸送有功功率。

4 結語

本文介紹了加裝高壓直流斷路器和阻尼恢復系統后的舟山五端柔性直流輸電工程直流故障隔離和系統重啟策略。

（1）定岱線正極接地故障期間保護與控制動作邏輯、選線邏輯和系統重啟動邏輯符合設計要求。

（2）本次故障電流較小，不利于轉移支路進入工作狀態，高壓直流斷路器滿速分斷故障電流。諧振斷路器只具備較小直流電流開斷能力，系統仍需要全停隔離故障后重啟動。