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        高嶺背靠背直流工程閥脈沖丟失故障分析

        2012-02-13 09:25:16阮思燁
        電力建設(shè) 2012年4期
        關(guān)鍵詞:延時(shí)直流脈沖

        阮思燁

        (國(guó)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(gè)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(guó)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(duì)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(duì)閥控制保護(hù)的認(rèn)識(shí),本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展研究,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(gè)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(hào)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(hào),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(hào)(IP)脈寬均在 5.8 μs到 6.3 μs之間,當(dāng)外部光信號(hào)寬度小于6.68 μs時(shí),VBE不一定能檢測(cè)到回報(bào)信號(hào)。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(hào)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(duì)于閥脈沖丟失故障對(duì)于直流運(yùn)行的影響以及相關(guān)保護(hù)動(dòng)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(duì)故障過程進(jìn)行具體分析,同時(shí)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(cè)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(gè)晶閘管級(jí)都配備1塊晶閘管監(jiān)測(cè)板,當(dāng)晶閘管兩端正向電壓超過70 V時(shí),晶閘管監(jiān)測(cè)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(hào),VBE的光接收板接收來自各個(gè)晶閘管監(jiān)測(cè)板的回檢信號(hào),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(gè)及以上周波內(nèi)不能接受到來自TVM板的回檢信號(hào),則會(huì)給出該可控硅的“回檢脈沖丟失”報(bào)警;當(dāng)VBE監(jiān)測(cè)到存在4個(gè)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(shí)[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(dòng)作延時(shí)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(gè)6脈動(dòng)閥觸發(fā)脈沖異常的情況;Ⅱ段動(dòng)作延時(shí)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(dòng)作延時(shí)2 s移相閉鎖,動(dòng)作時(shí)間應(yīng)與換相失敗保護(hù)最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間配合[5]。

        100 Hz保護(hù)I段動(dòng)作延時(shí)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(dòng)閥觸發(fā)脈沖異常的情況;Ⅱ段動(dòng)作延時(shí)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(shí)間與50 Hz保護(hù)Ⅱ段相配合;Ⅲ段動(dòng)作延時(shí)5 s移相閉鎖,動(dòng)作時(shí)間應(yīng)與交流系統(tǒng)主保護(hù)拒動(dòng)后備保護(hù)動(dòng)作切除故障時(shí)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(dòng),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(dòng)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(dòng)、逆變側(cè)閥故障或是整流側(cè)閥故障都會(huì)造成換流器工作不正常并引發(fā)50/100 Hz保護(hù)動(dòng)作[8-10],通過對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)排除“交流系統(tǒng)擾動(dòng)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(shí)工況,此時(shí)逆變側(cè)單橋或雙橋的直流出線端電壓短時(shí)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(shí)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(shí)工況,此時(shí)整變側(cè)單橋或是雙橋的直流出線端電壓短時(shí)間內(nèi)降為0,相當(dāng)于直流側(cè)開路,直流電流短時(shí)間內(nèi)突然下跌。但對(duì)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(huì)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(huì)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(shí)啟動(dòng)和中斷,且電流持續(xù)為0和電流建立的時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)截止,該過程與移相閉鎖的過程類似。

        (3)脈沖丟失一段時(shí)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(gè)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(dòng)作條件,50 Hz保護(hù)的延時(shí)較小,首先跳閘動(dòng)作。

        由于閥脈沖丟失是間歇性,而且持續(xù)的時(shí)間小于3個(gè)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(gè)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(chǎng)保護(hù)動(dòng)作的正確性,利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)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(shí)間為0.6個(gè)工頻周期、每次正常觸發(fā)的時(shí)間為1個(gè)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(chǎng)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(dòng)作正確。為此仿真模擬了故障動(dòng)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(shí)斷時(shí)續(xù),故障期間直流電流畸變嚴(yán)重,對(duì)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(duì)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(shí)被引發(fā)。根據(jù)保護(hù)延時(shí)設(shè)置,仿真中保護(hù)動(dòng)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(dòng),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(yǔ)

        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(duì)故障過程進(jìn)行具體分析,同時(shí)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(chǎng)屬于常見故障,本文所用到的分析方法可為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供一定指導(dǎo)和幫助。

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        [3]許繼集團(tuán)有限公司.東北—華北聯(lián)網(wǎng)背靠背高嶺換流站工程控制保護(hù)系統(tǒng)[Z].許昌:許繼集團(tuán)有限公司,2007.

        [4]許繼集團(tuán)有限公司.東北—華北聯(lián)網(wǎng)背靠背高嶺換流站工程換流站設(shè)備[Z].許昌:許繼集團(tuán)有限公司,2007.

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