換流站電壓應力保護判據優化研究

劉昊然，劉源，蔣童璐，周心怡，姚月

(國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙410004)

0 引言

電壓應力是高壓直流輸電過程產生的電氣特性研究的重要內容之一。過高的電壓應力會降低設備運行可靠性, 甚至損壞設備, 造成電網故障[1]。換流站電壓應力保護, 旨在保護直流核心設備換流閥, 防止其承受過高的電壓應力而損壞, 對保障高壓直流系統的穩定運行具有重要的意義[2]。電壓應力保護動作的正確性, 決定了換流閥能否得到可靠的保護。文章通過深入研究保護原理及對典型故障的分析, 發現了電壓應力保護判據中存在的隱患和不足, 提出了優化改進措施, 使得電壓應力保護能夠更加有效地保護換流站核心設備[3]。

1 換流變壓器分接頭控制

換流變壓器分接頭控制TCC 是直流輸電控制系統中用于自動調整換流變壓器有載調壓分接頭位置的一個重要環節[4], 通常在換流器控制系統CCP 中實現。整流側換流變壓器分接頭控制旨在維持換流變壓器閥側繞組空載電壓或者觸發角在指定的范圍內, 而逆變側分接頭控制旨在維持整流側線路平抗出口直流電壓或關斷角在指定的范圍內[5]。根據直流系統換流器控制方式不同, 換流變壓器分接頭控制可分為角度控制和電壓控制[6]。

1.1 角度控制

直流控制系統的快速控制是通過對換流器觸發角α的控制來實現的[7]。當直流系統受到擾動時,首先改變換流器觸發角α, 使系統快速恢復穩定狀態。若觸發角長時間超過限定范圍 (通常為15°±2.5°), 則自動調節換流變壓器分接頭的位置以改變換流變閥側電壓, 使觸發角α回到要求的范圍內[8]。換流變壓器分接開關采用機械式結構,轉換一檔通常需要3～5 s 的時間, 屬于慢速調節。

1.2 電壓控制

調整換流變壓器分接頭位置, 把直流線路電壓或換流變壓器閥側繞組空載電壓維持在指定范圍內[9]。為了避免分接頭頻繁動作, 電壓需偏離一定值且持續一段時間后, 才啟動分接頭調節功能。

2 電壓應力保護

2.1 保護原理

電壓應力保護 (Voltage Stress Protection,VSP[10]), 是為了防止交流電壓的異常或者分接頭的錯誤調節等故障, 造成加在換流閥上的電壓應力超標而配置的。

保護通過使用交流母線電壓 (Uac)、分接頭位置和頻率 (f), 來計算理想的空載直流電壓Udi0。當Udi0超過預設水平, 即Udi0＞Uset時, 保護啟動。特高壓換流站電壓應力保護邏輯動作后果如下:

1)Udi0＞219.72 kV, 延時 100 ms, 禁止升分接頭并發出相應報警。

2)Udi0＞223.79 kV, 延時 100 ms, 請求降接頭并發出相應報警。

3) (f/f0) ×Udi0＞238.35 kV, 延時 165 s, 切換系統。

4) (f/f0) ×Udi0＞238.35 kV, 延時 195 s, 執行 Y 閉鎖[11]。

2.2 Udi0參數計算

直流控制保護軟件中, 閥側繞組電壓計算邏輯如式 (1) 所示:

其中,Uac為六相換流變壓器進線TV 測量的最大值,U0＝216.9 kV,U1＝525 kV。T計算值為分接頭檔位計算值, 其計算邏輯公式如式 (2):結合式 (1) (2), 得式 (3):

由式 (3) 可知, 換流變壓器閥側繞組空載電壓與換流變壓器網側交流電壓及換流變壓器檔位有關。其中,T即TCP, 為軟件邏輯中判斷的現場換流變壓器的檔位。

2.3 典型動作分析

2019 年 2 月 15 日 10 時 56 分 42 秒, 在直流功率由3 995 MW 升至4 495 MW 過程中, 某換流站極Ⅰ高端閥組控制CCP1 A/B 兩套系統報 “電壓應力保護, 禁止升分接頭”。報警時刻的故障錄波如圖1 所示。

圖1 動作時刻錄波圖

從T0 時刻起,Udi0＞219.72 kV, 延時 100 ms,T1 時刻, 保護發禁止升分接頭指令；而Udi0＜223.79 kV, 故不會發出降分接頭指令。電壓應力保護屬于正確動作。

3 保護功能優化

3.1 存在的問題

ABB 技術路線的直流控制保護邏輯中, 采用同一閥組六臺換流變壓器平均檔位計算閥側空載電壓Udi0。保護判據采用六相換流變壓器檔位平均值計算方法。一方面, 分接頭失步時不能反映一次設備上實際承受的電壓；另一方面, 如發生僅兩相或3 相空載電壓超過跳閘值, 可能由于計算的偏差導致電壓應力保護拒動, 掩蓋單臺換流變壓器閥側嚴重過壓問題。

此外, 在電壓應力保護出口請求降分接開關檔位前, 動作指令未經過檔位同步判據, 只需滿足VSP 動作定值, 就直接出口調節分接頭檔位。

3.2 典型案例

某換流站極Ⅱ低端閥組YY A 相換流變分接開關升檔接觸器故障, 保持吸合狀態, 導致分接開關連續動作, 滑檔保護動作跳開分接開關電機電源開關。在故障處理過程中, 電壓應力保護達到動作定值, 發出強制降分接頭指令。同一閥組另外五相換流變壓器正常執行降分接頭操作, 故障的A 相由于分接頭控制回路繼電器故障, 檔位一直無法降低, 導致極Ⅱ低端YY A 相換流變壓器檔位在26檔, 而其余五相均為15 檔。換流變壓器中性點偏磁電流達到換流變飽和保護Ⅱ段 (定值0.098 A,延時280 s) 動作出口[12]。

上述案例的換流站電壓應力保護, 沿用西門子技術路線, 直接采用YY A 相換流變壓器檔位計算換流變壓器閥側空載電壓Udi0(當控制保護系統與采集A 相分接頭BCD 碼的分布式測控裝置通信異常時, 取YY B 相檔位[13]), 不考慮其他相換流變壓器分接開關檔位, 電壓應力保護僅能保護該相不出現閥側過壓[14]。且換流變壓器分接開關調檔過程中不檢測各臺分接開關同步情況, 若該相換流變壓器分接開關因檔位卡澀等原因無法動作時, 會導致其他5 臺換流變壓器分接開關持續降檔, 存在因檔位相差較大導致換流變飽和保護動作的風險[15]。

3.3 優化方案

針對上述電壓應力保護存在的問題, 優化方案如下:

1) 完善換流站Udi0計算邏輯, 采用換流變分接開關的最高檔位計算Udi0, 防止任一臺換流變閥側出現過電壓。

由圖2 可知, 軟件修改前, TCP 取的是同一閥組六臺換流變壓器分接頭檔位的平均值；而軟件修改后, 用于Udi0計算的TCP_MAX 取的是同一閥組六臺換流變壓器分接頭檔位的最高值。

2) 分接開關調檔邏輯中增加檔位同步判斷,各相換流變檔位不一致時保持當前狀態, 同時在監控系統中報出相應告警事件, 避免由于單臺換流變檔位卡澀, 其他換流變持續調檔導致直流閉鎖。

圖2 軟件修改后TCP 取值邏輯邏輯

從修改后的保護邏輯 (圖3) 可以看到, 分接頭下降指令出口前, 增加了換流變壓器檔位一致和換流變壓器分接頭自動控制的判據。

圖3 軟件修改后降分接頭指令邏輯

采用上述優化方案, 可以有效避免電壓應力保護強制換流變壓器持續調檔導致的直流閉鎖及設備承受過高電壓應力的風險。

4 結論

電壓應力保護能夠有效抑制換流變壓器閥側電壓過高危害, 保護換流閥設備。當前, 直流控制保護系統中, 電壓應力保護判據中存在的不足, 可能導致換流變壓器分接頭失步或掩蓋單臺換流變壓器閥側嚴重過壓問題。通過邏輯分析, 采用換流變壓器分接開關的最高檔位計算Udi0及在指令出口前增加換流變壓器檔位一致和換流變壓器分接頭自動控制的判斷這兩項優化方案, 很好地完善了保護功能, 提高了特高壓直流運行的安全性和可靠性。