同塔雙回直流融冰裝置感應電壓分析與應對措施

張瑞，甘戰，陳慧

（中國南方電網超高壓輸電公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

某電站送電廣東直流輸電工程，即牛從直流輸電系統是世界上首個±500 kV同塔雙回直流輸電工程，包括牛從甲、牛從乙兩回直流輸電系統。牛從甲、牛從乙直流輸電線路部分區段為雙回同桿架設，線路總長超過1200 km，沿途經過多段20 mm、30 mm重冰區，其地線每年出現嚴重覆冰情況。±500 kV牛寨換流站為牛從直流輸電系統送端換流站，雙回共站建設，站內配置一套固定式直流融冰裝置（35 kV#1融冰裝置），可對牛從甲、乙回直流輸電線路地線進行融冰。為提高直流通道送電能力，一般采取需融冰回停運、另一回保持運行的方式進行融冰。2021年初融冰過程中，出現融冰裝置啟動過程中受感應電壓影響跳閘情況，導致融冰功能不可用，嚴重影響冰期線路安全穩定運行和電力供應。

1 35 kV #1融冰裝置受感應電壓影響

1.1 融冰裝置及功能概況

牛寨換流站35 kV #1融冰裝置額定容量60 MW、額定電壓±20 kV、額定電流1500 A，2014年1月投運。融冰裝置換流閥由Y橋和D橋串接組成，Y橋、D橋各6個橋臂，每個橋臂11只晶閘管串聯。為保護換流閥，每個橋臂檢測到2只及以上晶閘管擊穿故障時，融冰裝置跳閘。各晶閘管配置一塊TE板，TE板接收來自脈沖柜發出的光編碼信號，光電轉換后產生門極強觸發脈沖觸發可控硅，觸發的同時監視晶閘管的工作狀態，并把信號傳回脈沖柜供其檢測。TE板由RC阻尼回路從晶閘管兩端取能。融冰換流變進線開關合上后，閥控系統開始晶閘管擊穿檢測。正常工作時，每個周波在晶閘管兩端會產生一定幅值的截止電壓，TE板將該電壓轉換為光信號并輸入至脈沖柜內的擊穿檢測板監測。晶閘管被擊穿后，截止電壓會消失，脈沖柜內的擊穿檢測板接收不到截止電壓信號，判斷該晶閘管擊穿。

圖1 晶閘管級接線示意圖

該裝置可為牛從甲、乙直流輸電線路地線及牛寨側接地極線路進行融冰。其中，對牛從直流輸電線路地線進行融冰時，可通過雙回同停和一回運行一回停運方式開展。

圖2 牛從直流輸電系統雙回同桿架設示意圖（其中，I回指牛從甲、II回指牛從乙）

圖3為牛寨站35 kV #1融冰裝置接線示意圖。圖中，3141為融冰換流變交流側進線刀閘，314為融冰換流變交流側進線開關，05201為融冰裝置正極母線牛從乙直流極1線路選線刀閘，05202為融冰裝置負極母線牛從乙直流極2線路選線刀閘。

圖3 牛寨站35 kV #1融冰裝置接線示意圖

1.2 融冰裝置啟動跳閘分析

2021年1月，牛從甲直流雙極運行、牛從乙直流雙極停運，利用牛寨站35 kV #1融冰裝置對停運的牛從乙直流輸電線路地線進行融冰，融冰裝置操作合上牛從乙直流線路選線刀閘后，監控后臺報“1#整流閥1號臂3、8晶閘管擊穿”，融冰裝置換流變進線開關跳開。現場檢查融冰裝置直流極母線避雷器外觀正常，正、負極線路避雷器各動作1次。查看波形，穩定時正極母線感應電壓最大值負40 kV、負極母線感應電壓最大值負30 kV。對全部晶閘管進行導通試驗和直流電阻測試，結果正常。

牛從甲直流運行、牛從乙直流停運工況下，對牛從乙直流線路感應電壓進行持續監測，發現停運回線路不同程度存在感應電壓，最高超過100 kV。

表1 一回運行、一回停運工況下停運回線路感應電壓監測統計表

相同工況下，現場在停運回線路感應電壓基本為零時開展牛寨站35 kV #1融冰裝置帶停運回線路地線融冰，結果正常。

1.3 融冰裝置跳閘原因分析

1.3.1 融冰裝置歷史運行分析

牛從直流部分線路采用同塔雙回架設方式，牛寨站35 kV #1融冰裝置工程設計階段，地線融冰時需雙回直流停運進行人工接線。2016年11月，牛從直流線路完成地線融冰自動接線裝置改造，此后牛從直流地線融冰不需雙回同停。統計2018年以來融冰情況，在一回停運、一回運行方式下共開展過融冰操作34次，其中融冰成功31次，2021年1月9日至10日融冰失敗3次。融冰成功情況下，停運回線路電壓低于25 kV。3次融冰失敗情況下，停運回線路感應直流電壓大于35 kV。

感應電壓在24 kV以下的有22次，占比78%，全部融冰成功；感應電壓位于24 kV和35 kV之間的3次，占比11%，全部融冰成功；感應電壓大于35 kV的3次，占比11%，全部融冰失敗，感應電壓分別為40 kV、60 kV、38 kV。可見，感應電壓控制在24 kV以下可有效確保融冰裝置正常運行。

1.3.2 融冰裝置跳閘原因

根據統計分析情況，結合融冰裝置晶閘管擊穿功能原理，判斷造成牛寨站35 kV #1融冰裝置在一回直流運行、一回直流停運工況下，對停運線路開展融冰操作過程中跳閘原因為：合上融冰裝置選線刀閘后，直流線路感應電壓沿融冰管母傳遞至換流閥直流側，與交流側換相電壓疊加，導致換流閥晶閘管取能回路不能正常取能，進而不能向閥控系統反饋正確的晶閘管兩端電壓信息，判斷晶閘管不可用，超過保護設定值后跳閘，換流變進線開關跳開。且感應電壓小于24 kV時，可正常實現融冰功能。

2 線路融冰受感應電壓影響應對

2.1 感應電壓影響因素分析

回間差異方面。根據數據統計分析，牛從甲運行、牛從乙融冰接線方式時，牛從乙感應電壓為負電壓；牛從乙運行、牛從甲融冰接線方式下，牛從甲感應電壓為正電壓。且乙回線路更加容易耦合出較高感應電壓，主要是由于甲乙回并非全線路對稱架設所導致。

表2 不同回線路感應電壓水平統計表

運行工況和環境條件方面。通過數據統計分析，發現融冰回路平均覆冰厚度比值和感應電壓無明顯線性關系，融冰回路平均溫度和感應電壓無明顯線性關系，融冰回路平均濕度和感應電壓無明顯線性關系，運行回功率大小和停運回線路感應電壓無明顯線性關系。但可發現，不論甲回停運還是乙回停運，其感應電壓最大值均出現在下午15:00-18:00之間，最小值均出現在凌晨5:00-10:00之間。

運行方式方面。經過仿真分析，牛從甲直流雙極運行、牛從乙直流雙極停運時，牛從甲直流極2降壓70%運行時在牛從乙直流線路上產生的感應電壓最低。牛從乙直流雙極運行、牛從甲直流雙極停運時，牛從乙直流極1降壓70%運行時在牛從甲直流線路上產生的感應電壓最低。

2.2 應對措施

因造成融冰裝置跳閘的原因為停運回感應電壓影響，故圍繞抑制感應電壓研究應對措施。

2.2.1 技術措施

1）通過融冰裝置母線并聯放電間隙，限制過高靜電耦合電壓，確保設備安全和正常融冰功能。

2）增加兩組旁路開關，并聯于上、下六脈動閥組兩側，通過旁路開關形成導線接地鉗位點，降低靜電耦合電壓。地線融冰啟動時按以下步驟執行：合上旁路開關、合上選線刀閘、斷開旁路開關的同時解鎖換流閥。

3）將零功率試驗隔離開關改造為直流轉換開關。地線融冰啟動時按以下步驟執行：零功率試驗模式下以最小電流解鎖、合上選線刀閘、斷開直流轉換開關。

4）在融冰線路或融冰母線構建高阻接地降低靜電耦合電壓。地線融冰啟動時按以下步驟執行：通過開關將接地電阻接入融冰母線、合上選線刀閘、融冰裝置地線融冰模式下最小電流解鎖、斷開接地電阻開關。

以上4類技術方案均能有效限制線路感應電壓對融冰裝置的影響，但考慮經濟性、時效性、緊迫性，現場選取了融冰裝置母線加裝放電間隙的措施并完成現場實施及試驗。其他3類方案可作為科技創新方向進行深入研究。融冰裝置正負極母線均加裝放1-30 mm可調電間隙，在牛從甲直流雙極運行、牛從乙直流停運工況下，合上融冰裝置選線刀閘，間隙可有效抑制線路侵入的感應電壓，且驗證間隙與電壓的對應關系為3.4 kV/mm。表3為現場試驗數據。

表3 放電間隙調試試驗數據記錄表

2.2.2 管理措施現場參照仿真結論

在牛從甲直流運行、牛從乙直流停運工況下進行實際運行試驗驗證，結論與仿真結果一致，牛從甲直流極1全壓、牛從甲直流極2降壓70%時在牛從乙直流線路上產生的感應電壓最小。表4為現場試驗數據。

表4 牛從甲降壓運行對牛從乙線路感應電壓影響試驗記錄表

圖4為牛從甲直流雙極全壓運行、牛從乙直流雙極停運時電壓波形圖，為現場錄波在錄波分析軟件上的回放。圖中示出牛從甲直流極2線路電壓和牛從乙直流極1線路電壓。從圖中可看出，牛從甲直流極2線路為額定電壓-500 kV，牛從乙直流極1線路電壓近50 kV。“X”、“O”所示值為牛從乙直流極1線路兩個不同時刻電壓值，橫坐標為時間（s）。

圖4 牛從甲直流雙極全壓運行、牛從乙直流雙極停運時牛從乙直流極1線路感應電壓波形

圖5為牛從甲直流極1全壓運行、牛從甲直流極2 80%額定電壓運行，牛從乙直流雙極停運時電壓波形圖，為現場錄波在錄波分析軟件上的回放。圖中示出牛從甲直流極2線路電壓和牛從乙直流極1線路電壓。從圖中可看出，牛從甲直流極2線路電壓為80%額定電壓即-400 kV，牛從乙直流極1線路感應電壓為22 kV左右。“X”、“O”所示值為牛從乙直流極1線路兩個不同時刻電壓值，橫坐標為時間（s）。

圖5 牛從甲直流極1全壓、牛從甲直流極2 80%降壓運行時牛從乙直流極1線路感應電壓波形

圖6為牛從甲直流極1全壓運行、牛從甲直流極2降壓70%運行，牛從乙直流雙極停運工況下電壓波形圖。圖中示出牛從甲直流極2線路電壓和牛從乙直流極1線路電壓。從圖中可看出，牛從甲直流極2線路電壓為70%額定電壓即-350 kV，牛從乙直流極1線路感應電壓為13 kV左右。“X”、“O”所示值為牛從乙直流極1線路兩個不同時刻電壓值，橫坐標為時間（s）。

圖6 牛從甲直流極1全壓、牛從甲直流極2 70%降壓運行時牛從乙直流極1線路感應電壓

3 結束語

經過分析研究，得出如下結論：

1）同塔雙回直流輸電線路一回運行、一回停運工況下，開展停運回線路地線融冰時，融冰裝置會受停運回線路上侵入的感應電壓影響導致晶閘管監測回路不能正常取能，進而誤判多個晶閘管擊穿故障跳閘。

2）根據統計數據分析，直流輸電線路感應電壓與運行回直流功率、環境溫濕度、覆冰厚度等無明顯線性關系，但感應電壓最大值基本出現在每日15:00-18:00之間，最小值基本出現在凌晨5:00-10:00之間，可選擇有利時段開展融冰。

3）通過在直流融冰裝置母線加裝放電間隙，并設定合適間隙值，可有效將停運回線路感應電壓限制至融冰裝置正常運行條件內，此為最經濟最有效的措施。本文中提出的在融冰裝置閥組中增加兩組旁路開關、改造融冰裝置零功率試驗隔離開關、在融冰線路或融冰母線構建高阻接地3種方案也可有效限制感應電壓，可在后續進一步深入研究。

4）對于同塔雙回直流輸電工程，運行回采取合適降壓運行模式時，可有效抑制停運回線路上感應電壓。

5）本文基于同塔雙回直流輸電系統進行直流融冰裝置受線路感應電壓影響分析，單獨架設的同走廊多回直流、交叉跨越直流等系統及交流輸電線路融冰裝置受感應電壓影響也可借鑒本文研究結果。同時，建議直流融冰裝置母線均裝設放電間隙，并調試設定合理間隙值，以有效避免線路感應電壓侵入影響融冰設備及功能。