彭光強(qiáng)，劉青松，陳偉，武霽陽(yáng)，伍衡，鄧軍

(南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣州 510663)

0 引 言

交直流混合電力系統(tǒng)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的可靠保證，我國(guó)“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的電力發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性提出了更高要求。直流輸電系統(tǒng)具有大容量、遠(yuǎn)距離、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。然而，直流系統(tǒng)一旦失穩(wěn)，將導(dǎo)致緊急閉鎖停運(yùn)事件[1]，并導(dǎo)致大面積停電，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)后果和社會(huì)后果。

±500 kV高肇直流工程是我國(guó)“西電東送”能源戰(zhàn)略的重要工程，線路全長(zhǎng)891 km，額定電流3 000 A，雙極額定功率3 000 MW，2004年7月單極投運(yùn)，同年10月雙極投運(yùn)。受端換流站共有換流變壓器14臺(tái)，其中在運(yùn)12臺(tái)，備用2臺(tái)，均為單相雙繞組結(jié)構(gòu)。該站每極有6臺(tái)換流變壓器運(yùn)行，其中Y/Y型接法3臺(tái)，Y/△型接法3臺(tái)，共同實(shí)現(xiàn)12脈波逆變功能。

直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)常面臨雷擊、勵(lì)磁涌流、觸發(fā)角不平衡、功率轉(zhuǎn)移、換相失敗、單極閉鎖等暫態(tài)工況[2]。以往的理論研究和工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)暫態(tài)工況導(dǎo)致極閉鎖故障研究較少[3]，對(duì)直流系統(tǒng)暫態(tài)擾動(dòng)機(jī)理和閉鎖故障工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的文獻(xiàn)鮮有發(fā)表。在直流系統(tǒng)暫態(tài)工況下[4]，由于零序阻抗的變化或零序電壓的變化，換流變中性點(diǎn)零序電流會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)差異。由于Y/Y型和Y/△型換流變聯(lián)結(jié)組別不同，三次諧波和非周期分量會(huì)在Y/△型換流變的角接繞組中環(huán)流[5]，導(dǎo)致?lián)Q流變傳變特性的暫態(tài)差異，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變和套管CT的鐵心飽和[6]，并引起控制保護(hù)信號(hào)異常，造成保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)[7]，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致極閉鎖的緊急停運(yùn)事件。

2017年7月14日，高肇直流肇慶站極1遭受雷擊，換流閥片損壞并導(dǎo)致極1閉鎖，高肇直流轉(zhuǎn)為極2單極大地回線運(yùn)行，極2換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流出現(xiàn)暫態(tài)偏置并緩慢衰減現(xiàn)象。30 s后，極2接地極線路遭受近區(qū)雷擊，擊穿線路桿塔招弧角并引起入地電流在此續(xù)流，導(dǎo)致極2換流變出現(xiàn)嚴(yán)重的直流偏磁故障，換流器橋差保護(hù)動(dòng)作，極2閉鎖并緊急停運(yùn)。

針對(duì)高肇直流工程一起橋差保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致單極閉鎖的緊急停運(yùn)事件，介紹了該事件發(fā)生的經(jīng)過(guò)和保護(hù)動(dòng)作原理，研究了直流輸電工程雙極轉(zhuǎn)單極大地運(yùn)行瞬間換流變壓器的暫態(tài)響應(yīng)特性[8]，闡述了造成本次動(dòng)作時(shí)間的根本原因。最后，給出了整改措施和研究結(jié)論。

1 保護(hù)動(dòng)作過(guò)程

1.1 保護(hù)動(dòng)作原理

(1)角側(cè)橋差保護(hù)(87CBD)動(dòng)作原理

判據(jù)公式：Max(IacY，IacD)-IacD>Δ

I段：門(mén)檻值0.4 p.u.(1 200 A)，延時(shí)：200 ms；

II段：門(mén)檻值 0.07 p.u.(210 A)，延時(shí)：200 ms(Uac>0.8 p.u.)，700 ms(Uac<0.8 p.u.)

動(dòng)作出口：I段降電流，II段閉鎖。

87CBD保護(hù)采用積分原理。當(dāng)Max(IacY，IacD)與IacD的差值超過(guò)額定電流的2.331%時(shí)，積分器進(jìn)行正積分+20，小于該值則進(jìn)行負(fù)積分-1。當(dāng)總積分超過(guò)其動(dòng)作定值(T=200 ms，對(duì)應(yīng)積分值為4 000)時(shí)，保護(hù)動(dòng)作出口。

(2)換流變中性線直流過(guò)流保護(hù)(50/51CTNY-2，50/51CTND-2)動(dòng)作原理

50/51CTNY-2、50/51CTND-2判據(jù)公式：

INDCY>20 A orINDCD>20 A，T=30 s 。

(3)接地極電流平衡保護(hù)(60EL)動(dòng)作原理

60EL單極大地GR和單極金屬M(fèi)R方式下動(dòng)作判據(jù)： |Idee1-Idee2|>120 A & max(Idee1,Idee2)>550 A，T=1 s。其中，Idee1和Idee2為接地極線路的平衡電流。

1.2 極2閉鎖過(guò)程

直流系統(tǒng)在雙極穩(wěn)態(tài)(圖1)運(yùn)行時(shí)[9]，換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)只有少量的零序電流，且幅值很小，如圖2所示，其中，INY為Y/Y型換流變的網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流，IND為Y/△型換流變的網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流。

圖1 直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型

圖2 直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的中性點(diǎn)電流

2017年7月14日 13:24:32.726時(shí)，在雙極轉(zhuǎn)極2單極大地運(yùn)行的暫態(tài)過(guò)程中，極2三套直流保護(hù)50/51CTND 2段保護(hù)告警動(dòng)作。圖3所示的錄波波形可以看出，在極1閉鎖的暫態(tài)過(guò)程中，IND電流表現(xiàn)為正向偏置并緩慢衰減的過(guò)程，幅值在10 A～110 A之間；INY沒(méi)有明顯變化。

圖3 中性點(diǎn)暫態(tài)偏置電流

13:24:33.227時(shí)，根據(jù)雷電定位系統(tǒng)及接地極線路桿塔檢查結(jié)果，認(rèn)為在換流站近區(qū)接地極線路#2塔遭受雷擊，接地極線路形成接地故障，Idee1為2.505 kA，Idee2為0.476 kA，雷擊擊穿招弧角，入地電流在招弧角續(xù)流并在近區(qū)入地進(jìn)入地網(wǎng)，導(dǎo)致極2的Y/Y型換流變和Y/△型換流變鐵心飽和，詳見(jiàn)圖4。由于錄波系統(tǒng)霍爾傳感器的可測(cè)量范圍為±250 A，IND表現(xiàn)為保持在250 A的直線，INY表現(xiàn)為直流偏磁飽和的尖頂波，且在250 A以上出現(xiàn)削峰現(xiàn)象。

圖4 中性點(diǎn)直流偏磁飽和電流

13:24:34.082時(shí)，由于Y/△型換流變閥側(cè)套管CT飽和特性不一致，導(dǎo)致閥側(cè)電流IacD嚴(yán)重失真，與IacY相比逐漸偏小，隨著時(shí)間的推移，此差值越來(lái)越大，如圖5所示，隨著Y橋電流和D橋電流差值持續(xù)存在，積分器持續(xù)進(jìn)行正積分運(yùn)算，在200 ms后積分達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值4 000，極2角側(cè)橋差保護(hù)87CBD-2保護(hù)動(dòng)作，極2閉鎖。

圖5 橋差保護(hù)87CBD用的電流

13:24:34.250時(shí)，由于接地極線路故障，Idee1和Idee2的差流很大，極2直流三套保護(hù)60EL I段動(dòng)作。

2 原理分析

2.1 等值電路

根據(jù)圖6所示的Y/△換流變T型等值電路。

圖6 換流變T型等值電路

將二次側(cè)歸算到一次側(cè)，列寫(xiě)Y/△換流變的微分方程[10]。

換流變一次側(cè)(網(wǎng)側(cè))微分方程為：

(1)

式中un為一次繞組端電壓；in為一次繞組電流；r1為一次繞組電阻；L1為一次繞組漏感；En為各繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其中，n分別為A、B、C。

根據(jù)Y/△換流變T型等值電路，將二次側(cè)(閥側(cè))歸算到一次側(cè)，微分方程為：

(2)

式中um為二次繞組歸算到一次繞組的端電壓；im為流過(guò)二次繞組歸算到一次繞組的電流；r2為二次繞組歸算到一次繞組電阻；L2為二次繞組歸算到一次繞組漏感；Em為二次各繞組歸算到一次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其中，m為ac、ba、cb。

由對(duì)稱分量法可知，式(1)、式(2)有如下的邊界條件：

(3)

結(jié)合式(3)的邊界條件，求解式(1)、式(2)的微分方程，得到Y(jié)/△換流變網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)暫態(tài)傳遞特性表達(dá)式。

2.2 正常運(yùn)行的中性點(diǎn)電流機(jī)理

(1)Y/Y換流變T型等值電路二次側(cè)阻抗支路為開(kāi)路，傳變電流經(jīng)過(guò)的是一次側(cè)阻抗支路和勵(lì)磁阻抗支路；Y/△換流變T型等值電路二次側(cè)阻抗支路為短路，傳變電流經(jīng)過(guò)的是一次側(cè)阻抗支路和二次阻抗支路；

(2)在變壓器鐵心的額定工況下，勵(lì)磁阻抗很大，一次側(cè)和二次側(cè)阻抗支路很小。所以，Y/Y換流變等值回路的總阻抗，大于Y/△換流變等值回路的總阻抗。中性點(diǎn)電流波形表現(xiàn)為Y/Y幅值較低，Y/△幅值較高，如圖2所示；

(3)Y/△換流變角接繞組為三次諧波提供了內(nèi)部環(huán)流通路，三次諧波在角接繞組內(nèi)部環(huán)流。所以，在外端口的錄波波形看來(lái)，Y/△換流變主要表現(xiàn)為工頻分量，并疊加少部分其它諧波分量；Y/Y換流變波形為工頻疊加三次諧波分量，如圖2所示。

2.3 Y/△換流變中性點(diǎn)偏置電流機(jī)理

(1)按照對(duì)稱分量法將系統(tǒng)分解為正序、負(fù)序和零序系統(tǒng)。在零序等值回路里，零序阻抗的變化或零序電壓的變化，是導(dǎo)致中性點(diǎn)零序電流出現(xiàn)暫態(tài)偏置的原因。經(jīng)過(guò)對(duì)大量暫態(tài)錄波的統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，造成零序電壓變化或零序阻抗變化的暫態(tài)激勵(lì)源有可能來(lái)自閥側(cè)，也有可能來(lái)自網(wǎng)側(cè)；

(2)高肇直流工程在雙極轉(zhuǎn)極2單極大地回線運(yùn)行的瞬間，按照直流系統(tǒng)暫態(tài)功率轉(zhuǎn)移的控制策略，極2負(fù)荷從1.0 p.u.升高至1.4 p.u.并維持3 s，然后降至1.2 p.u.并維持2小時(shí)，如圖7所示。在上述暫態(tài)過(guò)程中，Y/△換流變閥側(cè)受到暫態(tài)擾動(dòng)，導(dǎo)致閥側(cè)三角形繞組出現(xiàn)三次諧波環(huán)流增加和非周期分量疊加的現(xiàn)象，并傳變到網(wǎng)側(cè)，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流出現(xiàn)暫態(tài)偏置并慢慢衰減的現(xiàn)象，衰減的時(shí)間和系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)；

圖7 直流電流的暫態(tài)上升和下降過(guò)程

(3)Y/Y換流變T型等值電路二次側(cè)阻抗支路為開(kāi)路，暫態(tài)傳變電流流過(guò)一次側(cè)阻抗支路、勵(lì)磁阻抗支路，二次阻抗支路不起作用。所以二次側(cè)的暫態(tài)變化對(duì)Y/Y換流變一次側(cè)中性點(diǎn)電流影響可以忽略，Y/Y網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)仍然是正常波動(dòng)的零序電流波形。

2.4 換流變中性點(diǎn)直流偏磁電流機(jī)理

在雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)極2單極大地運(yùn)行的暫態(tài)過(guò)程中，極2接地極線路近區(qū)桿塔遭受雷擊，原本應(yīng)該在接地極極址入地的入地電流在桿塔雷擊處續(xù)流，最大達(dá)到3 000 A。入地電流在近區(qū)進(jìn)入大地并間接進(jìn)入地網(wǎng)，導(dǎo)致站內(nèi)Y/Y和Y/△換流變均出現(xiàn)明顯的直流偏磁現(xiàn)象。

(1)入地電流在雷擊處續(xù)流前，Y/△換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流已經(jīng)出現(xiàn)了正向的暫態(tài)偏置，疊加直流偏磁電流后超出了霍爾單元的可測(cè)量范圍(±250 A)，Y/△換流變中性點(diǎn)電流表現(xiàn)為250 A的直線；

(2)入地電流在雷擊處續(xù)流前，Y/Y換流變?nèi)员３譃檎２▌?dòng)的零序電流，在疊加直流偏磁電流后，Y/Y換流變中性點(diǎn)電流表現(xiàn)為偏磁畸變的尖頂波，并在尖頂波超過(guò)250 A后出現(xiàn)了削峰現(xiàn)象，如圖4所示；

(3)電容隔直裝置投入動(dòng)作時(shí)間(約5 s ～12 s)和隔直電容充電時(shí)間(約600 ms～6 000 ms)均比橋差保護(hù)動(dòng)作時(shí)間(200 ms)和接地極線路平衡電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間(500 ms或1 s)長(zhǎng)，保護(hù)仍會(huì)率先動(dòng)作導(dǎo)致閉鎖。加裝電容隔直裝置起不到應(yīng)有的隔離直流的效果。

3 PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證

3.1 暫態(tài)偏置電流仿真

仿真用的HVDC系統(tǒng)主接線圖如圖1所示。仿真工況包括：不同ESOF時(shí)刻雙極轉(zhuǎn)單極、不同功率下雙極轉(zhuǎn)單極、輸電線路長(zhǎng)度、線路耦合、中性點(diǎn)電壓變化、交流單相接地、重啟動(dòng)過(guò)程、換相失敗等。

仿真結(jié)果表明：

(1)換流變檔位變化，會(huì)導(dǎo)致Y/△換流變出現(xiàn)偏置電流。并且向上調(diào)檔位，暫態(tài)電流為正向偏置；并且向下調(diào)檔位，暫態(tài)電流為負(fù)向偏置;

(2)改變高坡站和肇慶站的地電位，發(fā)現(xiàn)Y/△換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)出現(xiàn)偏置電流；并且地電位改變的越大，偏置電流越明顯；改變雙方地電位的方向后，偏置電流也跟著反向偏置;

(3)雙極轉(zhuǎn)單極大地瞬間，在直流側(cè)施加從1.0倍階躍1.4倍的負(fù)荷直流電流，模擬工程實(shí)際中負(fù)荷的變化，如圖8所示。Y/Δ換流變中性點(diǎn)電流會(huì)出現(xiàn)偏置現(xiàn)象，如圖9。

圖8 HVDC直流負(fù)荷電流階躍變化比較

(4)直流重啟動(dòng)、換相失敗(脈沖丟失)、交流側(cè)單相接地短路故障、直流輸電線路電磁耦合等工況，不會(huì)導(dǎo)致Y/△換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)出現(xiàn)偏置電流。

3.2 60EL保護(hù)動(dòng)作整定仿真

60EL保護(hù)重啟動(dòng)延時(shí)動(dòng)作原定值為整流站500 ms、逆變站1 s。針對(duì)高肇直流單極大地大功率運(yùn)行工況(max(Idee1,Idee2) >550A)，綜合考慮60EL保護(hù)出口時(shí)間、直流系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、87CBD動(dòng)作時(shí)間、各回直流60EL保護(hù)定值及重啟動(dòng)策略等，將60EL保護(hù)重啟動(dòng)延時(shí)優(yōu)化為400 ms，確保在接地極線路發(fā)生接地故障時(shí)60EL保護(hù)重啟段先于87CBD保護(hù)動(dòng)作，降低直流跳閘風(fēng)險(xiǎn)。

仿真驗(yàn)證表明，高肇直流60EL重啟段延時(shí)優(yōu)化為400 ms后，能避免接地極線路故障時(shí)87CBD先于60EL保護(hù)動(dòng)作，且不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，如圖10所示。圖11中，二進(jìn)制數(shù)值由0變?yōu)椤?時(shí)，保護(hù)發(fā)生動(dòng)作?？梢钥吹?，角側(cè)橋差保護(hù)先于接地極電流保護(hù)動(dòng)作，延時(shí)優(yōu)化整定起到了良好的工程效果。

圖10 EMTDC仿真的保護(hù)動(dòng)作整定

圖11 保護(hù)動(dòng)作情況仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)對(duì)南方電網(wǎng)公司所轄各直流工程暫態(tài)工況的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，各直流在雙極轉(zhuǎn)單極大地回線運(yùn)行的暫態(tài)工況下，Y/△換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流都會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)偏置并緩慢衰減的現(xiàn)象。并且在雙極轉(zhuǎn)正極大地回線運(yùn)行時(shí)，整流站正向偏置，逆變站負(fù)向偏置；在雙極轉(zhuǎn)負(fù)極大地回線運(yùn)行時(shí)，整流站負(fù)向偏置，逆變站正向偏置；

(2)對(duì)直流功率變化、換相失敗、換流變檔位切換、地網(wǎng)電位變化等各種暫態(tài)工況下的仿真發(fā)現(xiàn)，在零序等值回路里，零序電壓的變化或零序阻抗的變化，是導(dǎo)致Y/△換流變中性點(diǎn)零序電流出現(xiàn)暫態(tài)偏置的原因；

(3)綜合分析造成換流變直流偏磁的原因，并評(píng)估了換流變耐受直流偏磁的能力。研究結(jié)果表明，本次直流偏磁直接原因是近區(qū)遭受雷擊后，入地電流續(xù)流并在近區(qū)入地，是小概率事件，持續(xù)時(shí)間僅為ms級(jí)；直流偏磁的危害主要是時(shí)間的累積效應(yīng)造成，換流變可以承受短時(shí)暫態(tài)過(guò)程的直流偏磁電流；

(4)對(duì)加裝電容隔直裝置可行性的分析結(jié)果表明，電容隔直裝置投入動(dòng)作時(shí)間(約5 s～12 s)和隔直電容充電時(shí)間(約600 ms～6 000 ms)均比橋差保護(hù)動(dòng)作時(shí)間(200 ms)和接地極線路不平衡電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間(500 ms或1 s)長(zhǎng)，保護(hù)仍會(huì)率先動(dòng)作導(dǎo)致閉鎖。加裝電容隔直裝置起不到應(yīng)有的隔離直流的效果；

(5)針對(duì)高肇直流單極大地大功率運(yùn)行工況(max(Idee1,Idee2) >550 A)，高肇直流60EL重啟段延時(shí)優(yōu)化為400 ms后，可以確保在接地極線路發(fā)生接地故障時(shí)，60EL保護(hù)重啟段先于87CBD保護(hù)動(dòng)作，不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，降低了直流跳閘風(fēng)險(xiǎn)。