牛從直流牛寨站典型故障仿真分析及保護改進建議

代書龍 張 銳

(中國南方電網超高壓輸電公司曲靖局 曲靖 655000)

1 引言

由于高壓直流輸電系統在超高壓、遠距離、大容量輸電時其穩定性及經濟性均優于交流系統[1-2]，因此近年來我國相繼建設了多回直流輸電工程。牛從直流作為世界上首個同塔雙回直流輸電工程，額定輸送容量高達6 400 MW，由于送端牛寨換流站處于地震帶，且交流系統薄弱，各種故障時有發生，因而系統分析牛寨站發生各種典型故障時的故障發展機理，并找出當前保護系統存在的薄弱點成為亟需解決的問題。

當前國內外學者對高壓直流輸電系統的研究大量傾向于逆變站換相失敗的抑制措施方面，并且取得了豐碩成果[3-6]。其余研究主要為交流系統故障對直流輸電系統控制保護的影響以及由此引發的換相失敗問題[7-9]，交直流混合系統中交流故障對直流系統的影響以及改進措施方面[10-12]。對深入研究整流站閥區發生故障時直流控制保護系統出口邏輯以及50 Hz保護的課題較少，因此當前整流站部分保護原理仍然存在薄弱點，部分保護邏輯有較大的完善空間。本文對牛從直流牛寨站典型故障進行仿真研究，提出50 Hz保護改進措施以及一種新型閥短路保護判據。

本文在介紹牛從直流輸電系統后，在牛從直流PSCAD/EMTDC仿真模型中設置牛寨站換流變網側、閥側以及閥區故障，各故障點如圖1所示，對每種故障的發展機理以及保護動作原因進行分析，針對當前保護存在的弊端提出改進建議并提出一種新型閥短路保護判據。

圖1 牛寨站故障位置示意圖

2 牛從直流輸電系統介紹

牛從直流輸電系統是我國第一個雙回直流線路同塔架設、換流閥組同址建設的直流輸電工程，送端為位于云南省昭通市的牛寨換流站，受端為位于廣東省從化市的從西換流站。牛寨換流站共4條交流進線，3條與溪洛渡右岸電站相連，1條與昭通電網相連，站內換流閥組相鄰布置。共設置4大組20小組交流濾波器，兩回直流共用交流場、交流濾波器場。兩回直流引線共用1個接地極。整流站及逆變站均為雙回雙極單12脈動閥組結構，輸送容量為2×3 200 MW，額定電壓±500 kV，額定電流3 200 A，牛寨站換流器額定觸發角為15°，從西站換流器 額定熄弧角為17°，每極平波電抗器電感均為 300 mH，直流線路電阻為9.07～12.43 ?，高壓直流輸電線路長約1 254 km[13]。

3 換流變網側故障

3.1 單相接地

以下仿真中，故障持續時間均為0.1 s，過渡電阻0.001 ?。在牛從直流PSCAD/EMTDC仿真模型中，設置牛寨站換流變網側A相接地故障，即圖1中的1位置，仿真結果如圖2所示。換流變網側A相發生單相接地故障時，直流電壓及直流電流中含有大量諧波分量。對直流電壓及電流中的諧波分量進行快速傅里葉變換可得各次諧波含量，由諧波分析結果可知故障發生和結束時刻諧波電壓及諧波電流中50 Hz、150 Hz諧波含量快速增加，故障期間諧波含量衰減較快。故障期間100 Hz諧波含量較高，且整個故障期間均存在，故障消失后，100 Hz諧波含量迅速減小。

圖2 換流變網側A相接地故障仿真結果

當前50 Hz和100 Hz保護判據如式(1)、式(2)所示，判斷標準為50 Hz或100 Hz分量達到保護定值及延時后保護出口，出口方式根據諧波電流含量大小以及延時長短分為報警、切換段、功率回降段和動作段。采用該保護原理時，故障消除后由于50 Hz分量快速增加，且衰減速率比故障發生時的衰減速率慢，導致50 Hz保護重新計時，存在誤動風險。牛從直流曾發生多起由于牛寨站換流變充電或溪洛渡電廠主變充電導致從西站50 Hz保護動作的情況，部分動作情況如表1所示。

表1 牛從直流50 Hz保護動作情況

式中，IdcN為閥廳中性母線區域電流；IdcN50為IdcN的50 Hz分量值；IdcN100為IdcN的100 Hz分量值；Iset為電流整定值；kset為比例系數整定值。

根據文獻[14]可知，直流線路沿線電壓、電流的50 Hz分量及幅值分別如式(3)、(4)所示。可以看出，直流線路沿線電壓和電流50 Hz分量近似呈正弦變化趨勢。沿線電壓的50 Hz分量幅值先增大至最大值后再逐漸減小，沿線電流的50 Hz 分量幅值先減小至零后再逐漸增大。由此可知，牛從直流牛寨站側發生故障時從西站50 Hz保護動作的原因為直流線路對50 Hz分量電流放大作用導致。該分析結果仿真情況基本相同。

式中，U(x)、I(x)分別為距離線路末端x處沿線電壓、電流的50 Hz分量；Xhi為直流線路另一側等值阻抗的50 Hz電抗分量；j為虛數單位；Zc為波阻抗，其近似表達式如式(5)所示；Udhr為線路首端電壓的50 Hz分量；x為距離線路末端的距離；l為線路長度；a與線路傳播常數γ存在式(6)所示關系；L0、C0分別為線路單位長度等值電感、對地電容。

針對當前牛從直流存在50 Hz保護誤動的情況，有部分文獻提出延長保護出口時間的措施[15-16]，但該方法以犧牲直流系統的安全穩定運行為代價。也有文獻提出采用波形識別的50 Hz保護優化改進策略[17]，但驗證該措施的有效性時只是選取了部分參數進行驗證。

為解決這一弊端，根據諧波含量特性曲線提出一種50 Hz保護的約束條件：只有保護檢測到50 Hz諧波分量大于定值且100 Hz諧波變化率大于0時，保護才啟動，如式(7)所示。采用該保護原理時，交流系統故障恢復期間能可靠閉鎖50 Hz保護。

式中， ΔIdcN100為IdcN的100 Hz分量變化率。

3.2 相間短路

設置牛寨站換流變網側AB相間短路，即圖1中的2位置，仿真結果如圖3所示。此時的諧波成分以及諧波變化規律與單相接地故障基本一致，但相間短路時的諧波成分含量更高，因而故障恢復期間50 Hz保護誤動的概率更大。

圖3 換流變網側AB相間短路仿真結果

4 換流變閥側故障

4.1 單相接地

牛寨站YY換流變閥側A相接地故障，即圖1中的3位置，仿真結果如圖4所示。此時一部分直流電流由接地點經大地流至接地極，由接地極經接地極線路返回牛寨站，流過牛寨站正常導通的閥，該電流回路的電阻較正常回路小，因此接地極電流及閥橋電流迅速增加，但直流出線電流減小，滿足閥短路保護及直流差動保護出口條件，直流閉鎖。Y橋閥以及D橋閥短路保護判據分別如下

圖4 換流變閥側A相接地故障仿真結果

直流差動保護判據如下

式中，IacY=max(IVY1,IVY2,IVY3)，IacD= max(|IVD1?IVD2|, |IVD2?IVD3|,|IVD3?IVD1|)，IVY1、IVY2、IVY3分別為換流變閥星側三相電流的瞬時值，IVD1、IVD2、IVD3分別為換流變閥角側環內三相電流的瞬時值，min表示取小值，max表示取大值，IdcH為閥塔高壓側電流，IdcN為閥塔低壓側電流，Iset、kset的含義與式(1) 相同。

4.2 相間短路

牛寨站YY換流變閥側AB相間短路，即圖1中的4位置短路時，仿真結果如圖5所示。由于發生相間短路，換流閥將失去換相電壓，換相不能完成，后續交流系統將發展為三相短路，換流變閥側流過高達38 kA的電流，Y閥短路及交直流過流保護動作閉鎖換流器。

圖5 換流變閥側AB相間短路仿真結果

交直流過流保護判據為

式中各物理量的含義同式(8)、式(9)。

5 閥區故障

5.1 閥短路

Y橋閥V1發生短路時，即圖1中的5位置故障，仿真結果如圖6所示。由于閥V1發生短路后，該閥在正反向電壓的作用下均能導通，閥V4向V6換相時，換相時刻A相電壓小于B相電壓，V4能換相至V6，由于V1發生短路，導通的閥為V5、V6、V1，V5流出的閥電流經V1返回A相，因此故障閥電流反向并且劇烈增加，后續將出現V1、V2、V3、V4同時導通的情況，此時發展為交流側三相短路，直流側出口短路。因此交流側電流迅速增大，最終閥短路保護動作閉鎖換流器。該故障情況下若閥短路保護拒動，故障只能通過后備保護切除，但后備保護動作延時較長，換流變將長期承受強大電流的沖擊，因此當前普遍采用的閥短路保護仍然存在待完善之處。

圖6 Y橋閥V1短路仿真結果

由于故障期間閥電流反向并劇烈增加，與故障閥在同一半橋的另一個閥電流正向劇烈增加。因此同一半橋中同時出現正反向電流并且都劇烈增加可作為檢測閥短路的一個重要判據，但由于保護系統采集的電流為流過換流變閥側的電流，正常運行期間換流變閥側的電流有正也有負，換相期間電流變化率也有正負，因此可增加閥橋電流大于某個給定值作為約束條件，以便躲開正常運行期間反向電流以及換相期間電流變化率的干擾，其表達式如式(12)、(13)所示。此外，以該表達式作為閥短路保護的判據時，還可避免閥塔高、低壓側電流測量誤差帶來的影響。

式中，ΔIVYN為IVY1、IVY2、IVY3中的任意一個變化率，ΔIVYM為IVY1、IVY2、IVY3中的除IVYN外任意一個變化率，ΔIVDN為|IVD1?IVD2|、|IVD2?IVD3|、|IVD3?IVD1|中的任意一個變化率，ΔIVDM為|IVD1?IVD2|、|IVD2?IVD3|、|IVD3?IVD1|中的除IVDN外任意一個變化率。其余變量含義同前述表達式。

5.2 高壓母線出口接地

高壓母線出口接地時，即圖1中的6位置故障，仿真結果如圖7所示。此時直流電流由接地點流經直流接地極，并由接地極線路返回牛寨站，因此高壓直流電流減小，中性母線電流快速增加，接地極短時存在強電流，該電流對接地極周圍的天然氣管道以及金屬設施會產生腐蝕作用。由于此時直流電流失去電抗器及線路電阻的阻礙，閥橋電流快速增加，因此閥短路保護及直流差動保護動作閉鎖換 流器。

圖7 高壓母線出口接地仿真結果

5.3 兩閥橋之間母線接地

兩閥橋之間母線接地，即圖1中的7位置接地時，仿真結果如圖8所示。電流經接地點流至接地極，由接地極經接地極線路返回牛寨站D閥橋，因此接地極電流及D閥橋電流劇烈增大，Y閥橋電流減小，仍然會對接地極周圍設備產生影響，該故障與高壓母線出口接地的主要區別在于Y閥橋電流減小，而高壓母線出口接地時Y閥橋電流增大。最終D橋閥短路保護及直流差動保護動作閉鎖換流器。

圖8 兩閥橋之間母線接地仿真結果

5.4 閥橋短路

Y橋短路，即圖1中的8位置短路時，仿真結果如圖9所示。非換相期間形成Y橋交流側兩相短路，換相期間導致Y橋交流側三相短路，因此Y橋閥電流增大，Y橋閥短路及交直流過流保護動作閉鎖換流器。D橋短路以及直流出口短路與Y橋短路保護動作過程類似。

圖9 Y橋短路仿真結果

6 結論

換流變網側故障對直流系統的影響有限，故障消除后系統可自動恢復正常運行。當前針對換流變網側故障的50 Hz保護存在誤動風險，根據諧波含量特性提出防止誤動的50 Hz保護判據。

換流變閥側以及閥區發生故障時，當前保護可快速切除故障。接地故障均導致強直流電流流過接地極，短路故障均導致交流側發展為三相短路。此外，根據閥短路特性提出一種新型閥短路保護判據，可與當前保護形成雙重化保護，為今后直流工程保護系統設計提供參考。