(國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

?

特高壓錦屏換流站因雷擊造成雙極閉鎖故障分析

禹 佳,孫 文,閆禮陽

(國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

依據(jù)2015年9月特高壓錦屏換流站因雷擊造成雙極閉鎖故障的事故，結(jié)合極控故障錄波及極保護(hù)動(dòng)作情況，理論分析故障原因，提出在特高壓換流站直流分壓器二次放電間隙處串聯(lián)壓敏電阻的反措建議，有利于直流系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

特高壓直流；互聯(lián)電網(wǎng)；壓敏電阻；直流分壓器

0 引 言

特高壓直流輸電系統(tǒng)是中國(guó)西電東送戰(zhàn)略的大動(dòng)脈，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)乎到區(qū)域電網(wǎng)之間的穩(wěn)定性，因此特高壓直流換流站的安全對(duì)互聯(lián)電網(wǎng)而言至關(guān)重要。經(jīng)過多年的技術(shù)開發(fā)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，中國(guó)在超特高壓直流輸電技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。然而，在直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和控制保護(hù)系統(tǒng)性能等方面仍然存在部分缺陷，對(duì)直流輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行造成威脅，甚至成為兩端交流電網(wǎng)安全運(yùn)行的隱患[1-5]。

直流分壓器是直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)及測(cè)量錄波系統(tǒng)采集電壓量的重要設(shè)備，裝設(shè)在直流極母線以及直流中性母線上，用以測(cè)量直流母線電壓。由于其測(cè)量結(jié)果直接作用于直流系統(tǒng)控制閉環(huán)，因此直流分壓器的運(yùn)行狀態(tài)與直流輸電運(yùn)行的可靠性密切相關(guān)。

2015年9月19日，特高壓錦屏換流站監(jiān)視系統(tǒng)由于直流分壓器異常，發(fā)出“線路故障欠壓保護(hù)Init Down”告警，異常引發(fā)了±800 kV錦蘇特高壓直流極I直流線路保護(hù)再啟動(dòng)邏輯跳閘，極II直流線路保護(hù)再啟動(dòng)邏輯跳閘，極I、極II相繼閉鎖。

下面對(duì)閉鎖事件的過程進(jìn)行了梳理，并對(duì)波形進(jìn)行了分析，得到了事故發(fā)生的原因，并提出相關(guān)建議。

1 事故前電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及事故發(fā)生過程

2015年9月19日錦蘇直流極Ⅰ雙閥組、極Ⅱ高端閥組大地回線全電壓5 400 MW運(yùn)行，各閥組的閥水冷卻主循環(huán)泵運(yùn)行正常。周邊500 kV月錦Ⅰ線、月錦Ⅱ線、西錦Ⅰ線、西錦Ⅱ線、西錦Ⅲ線、東錦Ⅰ線、東錦Ⅱ線運(yùn)行正常；500 kV 1號(hào)母線、500 kV 2號(hào)母線運(yùn)行正常；500 kV變壓器511B、512B運(yùn)行正常，站用電Ⅰ、Ⅱ回運(yùn)行正常，Ⅲ回備用正常；61 M、62 M、63 M、64 M母線運(yùn)行正常，所有小組交流濾波器和低壓電抗器正常。

事故發(fā)生過程如下：

21：58：00：206，OWS報(bào)“線路故障欠壓保護(hù)Init Down”；

21：58：00：233，極Ⅰ直流線路保護(hù)再啟動(dòng)邏輯跳閘；

21：58：00：247，極II直流線路保護(hù)再啟動(dòng)邏輯跳閘，極Ⅰ、極Ⅱ相繼閉鎖。

2 故障檢查及原因分析

2.1 極控制故障錄波分析

極Ⅰ、極Ⅱ的極控制主機(jī)P1PCPB1及P2PCPB1波形圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 P1PCPB1控制主機(jī)故障錄波圖

圖2 P2PCPB1控制主機(jī)故障錄波圖

查看圖1、圖2故障錄波發(fā)現(xiàn)極Ⅰ、極Ⅱ直流電壓瞬時(shí)降為0，隨后直流電壓進(jìn)入暫態(tài)恢復(fù)過程。直流電壓降落約4 ms后低壓限流功能使α角增大，直流電流減小，持續(xù)約80 ms后直流欠壓保護(hù)動(dòng)作。

2.2 極保護(hù)動(dòng)作情況分析

這次事件中，直接導(dǎo)致特高壓錦蘇直流雙極閉鎖保護(hù)的是直流線路欠壓保護(hù)，該保護(hù)的原理簡(jiǎn)述如下：

當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成直流電壓無法維持。通過對(duì)直流電壓的檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)直流電壓低持續(xù)一定的時(shí)間，同時(shí)沒有發(fā)生交流系統(tǒng)故障，也沒有發(fā)生換相失敗，判斷為直流線路故障。

其具體判據(jù)為

|UDL|>UDL_set

UDL_set全電壓時(shí)為0.35 p.u.，降壓時(shí)為0.25 p.u.。由于直流線路欠壓保護(hù)為后備保護(hù)，因此動(dòng)作前需延時(shí)80～90 ms(具體延時(shí)由國(guó)調(diào)保護(hù)處下達(dá))。

根據(jù)直流控保邏輯，直流線路欠壓保護(hù)的動(dòng)作結(jié)果是啟動(dòng)線路重啟邏輯，觸發(fā)錄波。

圖3所示是極I保護(hù)A套錄制的波形。在這次事件中，由波形可知，整流側(cè)直流電壓跌落至0.35 p.u.后一直沒有恢復(fù)，而直流線路欠壓保護(hù)動(dòng)作事件在整流側(cè)電壓突變后90 ms，與保護(hù)邏輯相符。

圖3 P1PCPA2保護(hù)主機(jī)故障錄波圖

2.3 再啟動(dòng)邏輯動(dòng)作情況

錦蘇直流的再啟動(dòng)邏輯如圖4和圖5所示。再啟動(dòng)跳閘邏輯中，當(dāng)一極存在再啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，閉鎖對(duì)極再啟動(dòng)功能5 s，同時(shí)該信號(hào)送至對(duì)極再啟動(dòng)跳閘邏輯，如此時(shí)對(duì)極出現(xiàn)再啟動(dòng)信號(hào)則立即閉鎖。查看軟件主程序，本邏輯執(zhí)行周期為6 ms，而雙極電壓在同一時(shí)刻(同一毫秒級(jí))故障。

圖4 雙極直流線路先后故障閉鎖再啟動(dòng)邏輯

由于order down命令是雙極同時(shí)相互傳遞，如果極Ⅰ、極Ⅱ同時(shí)出現(xiàn)order down命令，則會(huì)出現(xiàn)雙極同時(shí)滿足再啟動(dòng)跳閘邏輯條件，見圖5所示。

通過事件記錄和故障錄波可知，極Ⅰ、極Ⅱ直流欠壓保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，同時(shí)發(fā)出order down命令，則滿足再啟動(dòng)跳閘邏輯，極Ⅰ、極Ⅱ先后閉鎖。

2.4 直流分壓器檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)檢查極Ⅰ、極Ⅱ直流分壓器設(shè)備外觀正常，分壓回路接線盒內(nèi)無異常。

現(xiàn)場(chǎng)檢查直流分壓器分壓回路，在施加250 V電壓時(shí)，分壓回路壓敏電阻(保護(hù)分壓回路測(cè)量分壓元件)過壓導(dǎo)致絕緣擊穿(動(dòng)作電壓230 V)；在施加50 V、100 V電壓時(shí)，分壓回路壓敏電阻絕緣正常。

圖5 再啟動(dòng)跳閘邏輯

2.5 換流站內(nèi)接地裝置電氣一次設(shè)備試驗(yàn)情況

查看換流站內(nèi)接地裝置電氣一次設(shè)備調(diào)試報(bào)告，所有項(xiàng)目符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范以及設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果合格。

3 直流分壓器等效電路及暫態(tài)響應(yīng)特性[6]

3.1 直流分壓器結(jié)構(gòu)及等效電路

特高壓直流換流站直流電壓分壓器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 特高壓直流輸電工程直流分壓器結(jié)構(gòu)

由圖6可知，直流分壓器利用阻容分壓的原理實(shí)現(xiàn)雙級(jí)變壓，第一級(jí)將800 kV一次電壓降低至70 V并引入平衡模塊。平衡模塊中裝設(shè)了氣體放電管，對(duì)二次系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。在后續(xù)分壓模塊中，70 V輸入電壓又將變化至5 V，并經(jīng)過隔離放大器后輸入控保系統(tǒng)。

通過對(duì)錦蘇直流整流側(cè)使用的直流分壓器的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行梳理，可以得到錦蘇直流工程直流分壓器的等效電路如圖7所示。

圖7 特高壓直流輸電工程直流分壓器等效電路

從圖7可知，直流分壓器高壓臂的集中參數(shù)電阻為400 MΩ，集中參數(shù)電容為400 pF。低壓臂等值電阻為34.6 kΩ，等值電容約為4 600 nF。利用該分壓原理可以實(shí)現(xiàn)將一次系統(tǒng)800 kV的額定直流電壓降低至70 V。同時(shí)，由于高低壓橋臂的電阻、電容間滿足如式(1)所示的匹配原則，可保證直流分壓器的階躍暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

(1)

3.2 直流分壓器氣體放電管擊穿后暫態(tài)響應(yīng)特性

利用基爾霍夫定律對(duì)圖7所示的直流分壓器等效電路進(jìn)行分析，可以得到輸出U2與直流電壓U1間的微分方程關(guān)系為

(2)

對(duì)式(2)進(jìn)行拉普拉斯變化，可得到直流分壓器的傳遞函數(shù)為

(3)

式中，u10、u20分別為U1、U2在0時(shí)刻的初始值。

由于低壓臂短路,U2在0時(shí)刻的初始值滿足u20=0，但一次系統(tǒng)電壓0時(shí)刻的初始值卻等于直流系統(tǒng)額定電壓u10=VD?？紤]整個(gè)過程中，U1維持幅值為VD的直流電壓，由此可以得到在此過程中，U2的暫態(tài)響應(yīng)滿足：

(4)

由式(4)可知，在直流分壓器低壓臂短路恢復(fù)瞬間，由于低壓臂電容的充電過程，U2的電壓依然保持為0，即

U2(0+)=0

(5)

該初始電壓通過一階動(dòng)態(tài)響應(yīng)，逐漸變化至穩(wěn)態(tài)值：

(6)

由式(4)可知，該分壓器回路的時(shí)間常數(shù)滿足：

(7)

由此可見，在直流分壓器低壓臂短路恢復(fù)后，即使一次側(cè)直流電壓維持不變，電壓測(cè)量值恢復(fù)到0.35 p.u.、0.7 p.u.直至結(jié)束過渡過程也需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

4 事故原因分析

4.1 事故原因分析[7]

根據(jù)直流分壓器氣體放電管擊穿后暫態(tài)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，可以初步得到事故發(fā)生的原因如下：

故障發(fā)生時(shí)，錦屏換流站內(nèi)持續(xù)雷電暴雨天氣，故障初始時(shí)刻極Ⅰ、極Ⅱ直流電壓均出現(xiàn)突降，但電流沒有變化，據(jù)此推斷并非線路故障。故障后，換流站內(nèi)組織對(duì)雙極直流分壓器及其二次回路進(jìn)行了檢查：一次設(shè)備外觀無異常，沒有閃絡(luò)放電痕跡；雙極分壓器二次回路及測(cè)量板卡各自獨(dú)立，無公共部分；分壓回路保護(hù)用壓敏電阻動(dòng)作電壓與標(biāo)稱值一致，且動(dòng)作后能夠正常復(fù)歸。

檢查站內(nèi)工業(yè)視頻錄像顯示故障時(shí)刻直流線路桿塔附近有一道閃電， 通過對(duì)照可以判斷雷擊點(diǎn)為極Ⅰ直流線路第一基桿塔到換流站內(nèi)龍門架間的避雷線 。初步分析為直擊雷導(dǎo)致兩極極母線直流分壓器二次回路擾動(dòng)，極母線直流電壓測(cè)量值瞬間跌落至0，雙極同時(shí)發(fā)生直流欠壓保護(hù)動(dòng)作并發(fā)出閉鎖另一極的再啟動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)致兩極同時(shí)閉鎖。

錦屏站近區(qū)遭受雷擊，雷電流通過主接地網(wǎng)泄流，導(dǎo)致站內(nèi)直流電壓分壓器與接地網(wǎng)連接處電壓升高，電壓波形類似雷電過電壓，同時(shí)造成極Ⅰ、極Ⅱ直流分壓器二次回路過壓保護(hù)裝置擊穿，測(cè)量電壓快速跌落，進(jìn)而引起直流線路欠壓保護(hù)動(dòng)作。兩極互相閉鎖另一極的再啟動(dòng)邏輯，導(dǎo)致同時(shí)停運(yùn)。

4.2 系統(tǒng)主保護(hù)未誤動(dòng)原因分析

另外，與直流電壓相關(guān)的保護(hù)還包括電壓突變量保護(hù)，但在這次事件中該保護(hù)并未動(dòng)作?，F(xiàn)將電壓突變量保護(hù)行為分析如下。

電壓突變量保護(hù)的原理是檢測(cè)直流線路的直流電壓和直流電流，直流線路接地故障的一個(gè)特征是直流電壓以相對(duì)較高的速率下降到一個(gè)較低值(突變量)。突變量部分是非?？焖俚?，提供了2～3 ms內(nèi)的故障檢測(cè)。突變量檢測(cè)是由一個(gè)微分電路構(gòu)成，與兩個(gè)參考值進(jìn)行比較。較小的突變量參考值用于啟動(dòng)檢測(cè)電路，如果突變量超過較大的參照值，則達(dá)到突變量動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)。

為了區(qū)分換流站內(nèi)故障和直流線路故障，采用電壓時(shí)間微分(dU/dt)的測(cè)量與直流線路中的電流時(shí)間微分(dI/dt)相結(jié)合。一個(gè)高的正dI/dt(在正常電流方向的電流增加)表明故障位于IDL測(cè)量互感器的線路側(cè)，而一個(gè)高的負(fù)dI/dt表明故障在直流場(chǎng)內(nèi)。要完全篩選突變量部分，也必須檢測(cè)直流低電壓。較高的突變量參考值和低電壓部分都需要持續(xù)滿足延時(shí)，以避免因?yàn)殡妷簳簯B(tài)變化導(dǎo)致意外動(dòng)作。

圖8為特高壓直流電壓突變量保護(hù)的原理圖。

圖8 直流電壓突變量保護(hù)原理圖

圖中，直流線路額定電壓：UDL_NOM=800 kV(2個(gè)換流器全壓運(yùn)行)；UDL_NOM=560 kV(2個(gè)換流器降壓運(yùn)行)；UDL_NOM=400 kV(僅1個(gè)換流器正常運(yùn)行)。

由圖8可知，直流電壓突變量保護(hù)的主要判據(jù)為：

UDL_DER<-0.95×UDL_NOM延時(shí)0.1 ms后展寬2 ms；

且UDL_SW<0.55×UDL_NOM延時(shí)0.2 ms；

且UDL_DER<-0.7×UDL_NOM；

且IDL-IDLq-15≥4000×IDER_REF，然后展寬2 ms后延時(shí)2 ms，此時(shí)若UDL_SW

上述判據(jù)中：

UDL_DER為直流線路電壓突變量；

UDL_SW q-n為n個(gè)采樣周期前的直流線路電壓；

IDLq-15為15個(gè)采樣周期前的直流線路電流；

電流突變量參考值IDER_REF=0.1(2個(gè)換流器正常運(yùn)行)、IDER_REF=0.05(2個(gè)換流器未正常運(yùn)行)。

簡(jiǎn)言之，直流電壓突變量保護(hù)采用4個(gè)判據(jù)，綜合判斷兩段電壓突變量、電壓跌落以及電流突變量，4個(gè)判據(jù)均滿足后再出口前輔助直流線路低電壓判據(jù)。

在“9·19”錦蘇直流雙極閉鎖事件中，從故障錄波上看，直流電流IDL在電壓突降后也開始下降(如圖9所示)。此時(shí)dI/dt是一個(gè)負(fù)值或是一個(gè)較小的正值，所以不滿足突變量動(dòng)作的要求。

圖9 錦蘇直流事件中電壓電流波形

5 結(jié)論及反事故措施建議[7]

分析表明，導(dǎo)致此次事件最直接的原因是由于整流側(cè)直流分壓器二次側(cè)短路后，低壓臂電容充電時(shí)間過長(zhǎng)。特別是當(dāng)放電管擊穿，低壓臂殘壓降為0后，分壓器需要477 ms后才能恢復(fù)正常測(cè)量功能。過長(zhǎng)的充電時(shí)間，導(dǎo)致直流電壓長(zhǎng)時(shí)間錯(cuò)誤測(cè)量，并引發(fā)控制保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)。

基于此分析，做出如下反事故措施建議：

1)在直流分壓器二次放電間隙處串聯(lián)壓敏電阻。因?yàn)楫?dāng)發(fā)生雷電沖擊的動(dòng)作時(shí)：在正極性雷電沖擊下，由于殘壓與工作電壓的極性相同，極Ⅰ殘壓值可以保持在線路低壓保護(hù)動(dòng)作定值之上，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，但是極Ⅱ殘壓極性與工作電壓相反，線路低電壓保護(hù)將會(huì)動(dòng)作，觸發(fā)極Ⅱ再啟動(dòng)邏輯；同理，在負(fù)極性雷電沖擊下，兩極情況相反，僅極I發(fā)生再啟動(dòng)。

2)仿真計(jì)算雷擊換流站站內(nèi)(全站范圍內(nèi))及線路(交直流線路，包括站用電外接電源線路)靠近換流站近區(qū)避雷線或避雷針時(shí)，雷電流通過主接地網(wǎng)泄流引起的接地網(wǎng)電位升高，分析在遭受直擊雷情況下，換流站內(nèi)二次回路接地側(cè)與主接地網(wǎng)直接連接的測(cè)量設(shè)備的連接點(diǎn)地網(wǎng)電位升高情況,確定全站測(cè)量設(shè)備二次回路耐壓水平要求。

[1] 謝紹宇,王秀麗,王錫凡．交直流混聯(lián)系統(tǒng)可靠性評(píng)估[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011,31(7):10-16.

[2] Aik D L H, Andersson G. Power Stability Analysis of Multi-infeed HVDC Systems[J]． IEEE Trans. On Power Delivery, 1998 13(3):923-931.

[3] IEEE PES Transmission and Distribution Committee．IEEE Guide for Planning DC Links Terminating at AC Locations Having Low Short-circuit Capacities[R]．Newyork：IEEE，1997．

[4] 韓昆侖,蔡澤祥,賀智,等．高壓直流輸電線路故障行波傳播特性極其對(duì)行波保護(hù)的影響[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013,41(21):20-25.

[5] 李少華,劉濤,蘇勻,等．±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)解鎖/閉鎖研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38(6):84-87.

[6] 邱關(guān)源,羅先覺．電路(第5版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7] 國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

According to bipolar block faults caused by lightning stroke happened in Jinping UHV converter station in September 2015 and combined with the fault wave recorder and the protective actions of pole control, the fault reasons are analyzed theoretically, and the suggestions for anti-accident measures are put forward, that is, the varistor is in series connection at secondary discharge gap of DC voltage divider in UHV converter station, which is good for the stable and reliable operation of DC system.

UHVDC; interconnected power grid; varistor; DC voltage divider

TM72 <文獻(xiàn)標(biāo)志碼：b class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1003-6954(2016)06-0065-05文獻(xiàn)標(biāo)志碼：b

1003-6954(2016)06-0065-05

B 文章編號(hào)：1003-6954(2016)06-0065-05

2016-08-02)

禹 佳(1983)，本科，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)；

孫 文(1980)，本科，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)；

閆禮陽(1968)，本科，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)。