阮思燁

(國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司，北京市，100052)

0 引言

高嶺背靠背直流工程是實(shí)現(xiàn)華北、東北聯(lián)網(wǎng)的第一個直流輸電工程，該工程完全實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新，是直流設(shè)備國產(chǎn)化的標(biāo)志性工程［1-4］。該工程于2008年6月開始調(diào)試，2008年11月投入試運(yùn)行。從調(diào)試及試運(yùn)行總體情況來看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、狀況良好。在調(diào)試期間，發(fā)生一次由于單元2解鎖后閥觸發(fā)脈沖異常，導(dǎo)致50、100 Hz保護(hù)告警，最后50 Hz保護(hù)跳閘，單元2停運(yùn)的情況［5］。文獻(xiàn)［5］就此開展了初步研究，取得了一定成果，不足之處是對本次閥脈沖丟失的故障類型未最終定位。為了進(jìn)一步加深對閥控制保護(hù)的認(rèn)識，本文在文獻(xiàn)［5］的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展研究，通過對現(xiàn)場故障波形的分析，以及利用PSCAD/EMTDC軟件仿真，詳細(xì)模擬了故障動作過程。鑒于閥脈沖丟失故障通常在直流調(diào)試或投運(yùn)初期發(fā)生，上述工作對于指導(dǎo)現(xiàn)場人員的前期跟蹤和投運(yùn)初期的運(yùn)維有一定的指導(dǎo)作用。

1 事故概述

2008年10月19日，高嶺背靠背直流工程系統(tǒng)調(diào)試過程中，單元2解鎖，功率方向?yàn)闁|北送華北，系統(tǒng)采用電流控制方式，電流定值為600 A(150 MW)。在直流解鎖后，直流運(yùn)行不穩(wěn)定，50 Hz和100 Hz保護(hù)相繼報(bào)警并切換極控系統(tǒng)。由于切換后系統(tǒng)直流電流和直流電壓仍然不穩(wěn)，50 Hz保護(hù)跳閘動作，閉鎖直流。運(yùn)行人員工作站(operator work station，OWS)事件中主要的報(bào)警和跳閘記錄如表1所示［5］。在整個過程中，系統(tǒng)未報(bào)出“回檢脈沖丟失”故障。

表1 OWS事件記錄Tab.1 OWS event recording

在直流閉鎖后，許繼公司進(jìn)行了直流開路試驗(yàn)。試驗(yàn)中，通過監(jiān)視施加外部光信號和開路試驗(yàn)2種情況下的觸發(fā)脈沖和可控硅回報(bào)信號，發(fā)現(xiàn)存在丟失閥觸發(fā)脈沖的情況。之后查出開路試驗(yàn)中所有監(jiān)視到的回報(bào)信號(IP)脈寬均在 5.8 μs到 6.3 μs之間，當(dāng)外部光信號寬度小于6.68 μs時，VBE不一定能檢測到回報(bào)信號。由此判斷，解鎖期間換流閥不換相是由于VBE漏檢可控硅的回報(bào)信號引起的。換流閥丟失觸發(fā)脈沖與硬件無關(guān)，可能是VBE板卡軟件的問題。

上述工作初步論證了閥脈沖丟失的故障類型，但對于閥脈沖丟失故障對于直流運(yùn)行的影響以及相關(guān)保護(hù)動作的合理性等問題并未給出解釋。為此本文進(jìn)行了更為深入的研究工作，對故障過程進(jìn)行具體分析，同時模擬了故障發(fā)展過程。

2 保護(hù)工作原理介紹

2.1 脈沖丟失檢測機(jī)理

高嶺背靠背直流工程的故障單元采用的是光觸閥，每個晶閘管級都配備1塊晶閘管監(jiān)測板，當(dāng)晶閘管兩端正向電壓超過70 V時，晶閘管監(jiān)測板產(chǎn)生脈寬為6 ～8 μs，光功率為200 ～450 μW 的“正向電壓達(dá)到門檻值”回檢信號，VBE的光接收板接收來自各個晶閘管監(jiān)測板的回檢信號，判斷該晶閘管具備阻斷能力，處于完好狀態(tài)。當(dāng)VBE在連續(xù)的3個及以上周波內(nèi)不能接受到來自TVM板的回檢信號，則會給出該可控硅的“回檢脈沖丟失”報(bào)警;當(dāng)VBE監(jiān)測到存在4個及以上的可控硅存在“回檢脈沖丟失”，則直接閉鎖直流。

2.2 50 Hz和100 Hz保護(hù)設(shè)置

50、100 Hz保護(hù)判據(jù)為:Id1(50Hz/100Hz)＞0.03Id1+90或 Id2(50Hz/100Hz)＞ 0.03Id2+90，保護(hù)有3段定值及相應(yīng)的延時［5］。Id1(50Hz/100Hz)和Id2(50Hz/100Hz)分別是直流極母線I和極母線Ⅱ上直流電流中50、100 Hz分量，Id1和Id2分別是直流極母線Ⅰ、Ⅱ上直流電流。

50 Hz保護(hù)I段動作延時350 ms進(jìn)行系統(tǒng)切換，排除由于控制系統(tǒng)異常造成1個6脈動閥觸發(fā)脈沖異常的情況;Ⅱ段動作延時1 s降電流至0.3 pu，防止由于系統(tǒng)輸送功率較大產(chǎn)生振蕩的情況;Ⅲ段動作延時2 s移相閉鎖，動作時間應(yīng)與換相失敗保護(hù)最長動作時間配合［5］。

100 Hz保護(hù)I段動作延時350 ms進(jìn)行系統(tǒng)切換，排除由于控制系統(tǒng)異常造成雙12脈動閥觸發(fā)脈沖異常的情況;Ⅱ段動作延時2 s降電流至0.3 pu，防止由于系統(tǒng)輸送功率較大產(chǎn)生振蕩的情況，時間與50 Hz保護(hù)Ⅱ段相配合;Ⅲ段動作延時5 s移相閉鎖，動作時間應(yīng)與交流系統(tǒng)主保護(hù)拒動后備保護(hù)動作切除故障時間配合［5］。

3 故障過程分析

故障錄波數(shù)據(jù)顯示:在故障過程中，母線三相交流電壓正常，電流存在較大波動，閥側(cè)D/Y橋電流和直流電流建立到一定值后立即下跌為0，如此反復(fù)，最終導(dǎo)致50/100 Hz保護(hù)動作。圖1、2分別為母線電壓及閥側(cè)電流及故障中的單元Ⅱ直流電流錄波波形，圖3為直流丟失脈沖的工況等效圖。

導(dǎo)致上述現(xiàn)象的可能性有多種，交流系統(tǒng)擾動、逆變側(cè)閥故障或是整流側(cè)閥故障都會造成換流器工作不正常并引發(fā)50/100 Hz保護(hù)動作［8-10］，通過對圖1～3錄波波形的分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)由于交流網(wǎng)絡(luò)短路容量大，同時直流運(yùn)行功率較小，母線交流電壓即便在故障過程中依然保持三相對稱，由此可首先排除直流運(yùn)行異常導(dǎo)致交流電壓畸變，同時排除“交流系統(tǒng)擾動造成橋臂工作不正?！钡目赡苄?。

(2)圖3(a)、(b)為華北(逆變側(cè))單橋和雙橋出現(xiàn)脈沖丟失的情況下直流的短時工況，此時逆變側(cè)單橋或雙橋的直流出線端電壓短時間內(nèi)降為0(這種現(xiàn)象常見于換相失敗)，相當(dāng)于直流側(cè)短路，直流電流短時間內(nèi)突增，這與故障錄波中電流一旦建立就迅速下跌的特性不符，因此圖3(a)、(b)的2種可能性可以排除。

(3)圖3(c)、(d)為東北(整流側(cè))單橋或雙橋出現(xiàn)脈沖丟失這種情況下直流的短時工況，此時整變側(cè)單橋或是雙橋的直流出線端電壓短時間內(nèi)降為0，相當(dāng)于直流側(cè)開路，直流電流短時間內(nèi)突然下跌。但對于圖3(c)中整變側(cè)單橋脈沖丟失的情況，由于整流側(cè)仍有一橋(D橋)還能工作，直流不會下跌為0，因此圖3(c)的可能性也可以排除。因此，只有圖3(d)中整變側(cè)雙橋脈沖丟失的情況才會導(dǎo)致直流一旦建立就迅速下跌為0。

綜合以上分析結(jié)果，結(jié)合換流元件的工作原理［6-7］以及圖1中給出的閥側(cè)電流的某些特性(兩端閥側(cè)電流同時啟動和中斷，且電流持續(xù)為0和電流建立的時間始終在變化)，初步推斷該故障主要是由“東北(整流側(cè))雙橋脈沖的整體間歇性丟失”引起的，其過程如圖4、5所示。

整個故障過程初步推斷如下:

(1)閥正常的換相順序是 Y5—Y1—Y3—Y5和Y2—Y4—Y6—Y2(D橋與此類同)，脈沖整體性丟失后，正常換相過程中止，但東北(整流側(cè))并不立即閉鎖，而是保持閉鎖前換流閥導(dǎo)通狀態(tài)。以圖4中的情況為例，上橋臂的Y1/Y6和下橋臂的D1/D6繼續(xù)導(dǎo)通。這相當(dāng)于將交流線電壓UY_AB和UD_AB直接引入直流側(cè)。

(2)隨著UY_AB和UD_AB正弦變化從正半周轉(zhuǎn)到負(fù)半周，東北(整流側(cè))直流出線端電壓極性發(fā)生變化，相應(yīng)的東北側(cè)由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)為逆變狀態(tài)(在整個過程中華北側(cè)始終保持在逆變狀態(tài))，于是直流側(cè)能量很快向交流系統(tǒng)釋放，直流電流迅速下跌為0，兩端閥側(cè)D/Y橋電流同時截止，該過程與移相閉鎖的過程類似。

(3)脈沖丟失一段時間后又恢復(fù)正常，于是直流電流重新建立。之后脈沖再次丟失，如此周而復(fù)始。在這個過程中直流電流嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生50/100 Hz分量，滿足直流極保護(hù)50/100 Hz保護(hù)動作條件，50 Hz保護(hù)的延時較小，首先跳閘動作。

由于閥脈沖丟失是間歇性，而且持續(xù)的時間小于3個周波，如圖2所示。不能達(dá)到脈沖丟失報(bào)警必須連續(xù)的3個及以上周波的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，因此在故障過程中系統(tǒng)未給出“回檢脈沖丟失”報(bào)警。

4 故障過程模擬

為驗(yàn)證上述分析以及現(xiàn)場保護(hù)動作的正確性，利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件對高嶺背靠背直流系統(tǒng)的單元Ⅱ進(jìn)行建模仿真研究。仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)一致，運(yùn)行條件如下:定電流控制，電流定值為600 A，直流電壓為±125 kV，由東北往華北送電。仿真模型中，華北側(cè)脈沖正常觸發(fā)，東北側(cè)脈沖觸發(fā)間歇性丟失且每次丟失時間為0.6個工頻周期、每次正常觸發(fā)的時間為1個工頻周期。

在這種假設(shè)的故障情況下，母線電壓及閥側(cè)電流的仿真波形如圖6所示，與現(xiàn)場錄波波形相一致，這驗(yàn)證了關(guān)于脈沖丟失情況分析的合理性。但僅由此仍無法判斷50/100 Hz保護(hù)在這種情況下是否動作正確。為此仿真模擬了故障動作的全過程，從直流電流中提取50/100 Hz分量，并分別與保護(hù)定值做比較，如圖7所示。圖中Id為直流電流，I50Hz和I100Hz表示直流線路電流中的50、100 Hz分量，Icom為直流50、100 Hz分量的保護(hù)值。

圖7的仿真結(jié)果表明:

(1)由于閥脈沖時斷時續(xù)，故障期間直流電流畸變嚴(yán)重，對其進(jìn)行傅立葉分析，發(fā)現(xiàn)50、100 Hz分量較大，其有效值分別約為0.15、0.07 kA，均超過對應(yīng)的保護(hù)值(Icom=0.03Id+90，約為 0.03 kA)。

(2)在這種故障類型下，50、100 Hz保護(hù)同時被引發(fā)。根據(jù)保護(hù)延時設(shè)置，仿真中保護(hù)動作順序是，50 HzⅡ段告警，100 HzⅡ段告警，50 HzⅢ跳閘。若是50 Hz保護(hù)拒動，將由100 HzⅢ段作為后備保護(hù)來完成直流跳閘，以保護(hù)直流設(shè)備及交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文在文獻(xiàn)［5］的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更為深入的研究工作，對故障過程進(jìn)行具體分析，同時模擬了故障發(fā)展過程，論證了2008年10月19日期間高嶺單元2的故障類型是“東北(整流側(cè))脈沖整體間歇性丟失”。鑒于閥脈沖丟失在直流調(diào)試現(xiàn)場屬于常見故障，本文所用到的分析方法可為現(xiàn)場技術(shù)人員提供一定指導(dǎo)和幫助。

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