陰春曉，艾 芊

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

線路開路試驗(yàn)（OLT）是為了在直流極長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)或直流區(qū)域設(shè)備檢修后，確保直流側(cè)的絕緣水平仍符合要求，而對(duì)直流側(cè)線路充直流電壓的一種檢測(cè)手段［1］。在進(jìn)行線路開路試驗(yàn)時(shí)，需要滿足本站試驗(yàn)極為獨(dú)立控制方式，對(duì)側(cè)換流站不在極開路試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑫r(shí)本側(cè)換流站直流極母線電壓不大于設(shè)定值，站間通信正常，試驗(yàn)極線刀閘合上、對(duì)站直流極線刀閘拉開或本側(cè)直流極線刀閘拉開的情況下，運(yùn)行人員才可以安全地解鎖對(duì)應(yīng)的換流極，并可把線路電壓調(diào)到0～1.05倍額定電壓之間的任一數(shù)值，以測(cè)試本端換流站設(shè)備以及與之相連的極線。

在進(jìn)行開路試驗(yàn)時(shí)，禁止對(duì)站相應(yīng)極解鎖，需要閉鎖所有斷線類保護(hù)及能夠閉鎖換流器的直流欠壓保護(hù)，并提供試驗(yàn)期間設(shè)備安全的保護(hù)措施。當(dāng)一極停運(yùn)一極運(yùn)行時(shí)，停運(yùn)極的兩端都能進(jìn)行帶或不帶直流線路的線路開路試驗(yàn)，而且不對(duì)運(yùn)行極提出任何限制要求。

1 線路開路試驗(yàn)的控制原理

線路開路試驗(yàn)的基本原理是通過調(diào)節(jié)換流閥的觸發(fā)角α來(lái)改變直流極母線電壓值，從而達(dá)到檢測(cè)線路絕緣的目的。12脈動(dòng)換流器是由兩個(gè)6脈動(dòng)換流器串聯(lián)而成，其極母線上的電壓就是兩個(gè)6脈動(dòng)換流器母線電壓之和，對(duì)于線路開路試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，12脈動(dòng)和6脈動(dòng)是一樣的。

1.1 理想情況下線路開路試驗(yàn)

理想情況是指直流電壓不存在由RC組成的泄壓回路，在可控硅開通的瞬間，電壓就保持在直流線路上，并且認(rèn)為在換流閥導(dǎo)通時(shí)，沒有電流通過換流閥?，F(xiàn)對(duì)理想情況下的觸發(fā)角與直流側(cè)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。

假設(shè)交流側(cè)電壓：

可控硅導(dǎo)通順序?yàn)椋海═1，T2）→（T2，T3）→（T3，T4）→（T4，T5）→（T5，T6）→（T6，T1）→（T1，T2），如圖1所示。

圖1 6脈動(dòng)換流器原理圖

以可控硅T1導(dǎo)通為例，計(jì)算理想情況下線路開路試驗(yàn)時(shí)的直流電壓，其中觸發(fā)角α是以Uac過零點(diǎn)作為起點(diǎn)計(jì)算。導(dǎo)通條件是陽(yáng)極和陰極之間為正向電壓，同時(shí)門極上有觸發(fā)脈沖，并且超過門檻值。在沒有觸發(fā)脈沖時(shí)，換流器直流m點(diǎn)和n點(diǎn)電位，在三相平衡的換相電壓作用下為零。當(dāng)α大于150°時(shí)，如圖2所示，加在T1上的相電壓Ua為負(fù)，T1承受反向電壓，即是有觸發(fā)脈沖tpi也不能開通，直流線路不能建壓。

圖2 交流側(cè)電壓及閥觸發(fā)的順序

當(dāng)α在60°～150°之間時(shí)，加在T1上的相電壓Ua為正，假如在此期間T1接收到觸發(fā)脈沖，則在T1導(dǎo)通的瞬間，直流線路m點(diǎn)對(duì)地電壓為A相的電壓瞬時(shí)值為：

式中：V1為換流閥側(cè)繞組空載線電壓有效值。

對(duì)于1個(gè)6脈動(dòng)整流電路來(lái)說(shuō)，每個(gè)單閥導(dǎo)通角度為120°。在60°≤α≤150°時(shí)，隨著α的增加，交流側(cè)電壓Ua是單調(diào)下降的。若閥在導(dǎo)通以后α增加，那么此時(shí)的交流電壓Ua小于閥導(dǎo)通瞬間的電壓Um，對(duì)于T1閥來(lái)說(shuō)，陰極電位（直流線路電壓）還繼續(xù)保持在閥導(dǎo)通時(shí)的瞬時(shí)值（絕緣良好無(wú)泄放回路），而陽(yáng)極電位已開始下降，閥承受反向電壓，換流閥關(guān)斷。所以，直流線路上半橋電壓Um維持瞬時(shí)值下半橋電壓Un保持直流電壓Ud＝

式中：Udi0為6脈動(dòng)換流器理想空載直流電壓華新站取270.9kV。

當(dāng)α小于60°時(shí)，在閥導(dǎo)通的120°區(qū)間里，直流線路電壓會(huì)一直上升，至α等于60°時(shí)為最大電壓，并且一直保持此電壓

在實(shí)際工程做線路開路試驗(yàn)時(shí)，α在60°～150°間，12脈動(dòng)換流器整流后得到的直流電壓為：

從UD表達(dá)式可以看出：直流電壓從α等于150°開始遞增，當(dāng)α等于60°時(shí)直流電壓達(dá)到最大，UD只在電流為零時(shí)才成立。華新站做線路開路試驗(yàn)時(shí)，直流母線電壓理論計(jì)算最大值為655kV。

1.2 實(shí)際工程的線路開路試驗(yàn)

在實(shí)際工程做線路開路試驗(yàn)時(shí)，考慮到交流電源有等值電感，直流側(cè)有等值電容、電阻和電感，并且換流閥也不僅僅是由1個(gè)單純的可控硅組成，而是由一些電容、電阻、電抗相互串并聯(lián)組成，華新站可控硅模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由圖3可看出，線路開路試驗(yàn)時(shí)電流流過換流閥，以三角波形式對(duì)線路充電，如圖4所示。

考慮到上述影響，當(dāng)可控硅上的電壓由正變負(fù)，換流閥并不關(guān)斷，經(jīng)過一定的時(shí)間后緩慢下降為0，在這個(gè)換相重疊過程中會(huì)引起壓降ΔVS：

圖3 華新站可控硅模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 OLT過程中錄波圖

考慮到換相壓降，12脈動(dòng)直流電壓為：

當(dāng)α約等于60°時(shí)，12脈動(dòng)換流器的直流電壓約為2Udi0，即為550kV?？梢姡瑢?shí)際電壓值（550kV）是低于理論計(jì)算值（655kV）的。

另外，在做線路開路試驗(yàn)時(shí)，直流場(chǎng)設(shè)備也在試驗(yàn)范圍之內(nèi)，諸如電暈損耗和其他一些損耗，會(huì)使直流電壓降低。比如：試驗(yàn)時(shí)直流濾波器對(duì)地處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于和平波電抗器組成阻尼回路，電壓會(huì)因?yàn)榫徛龑?duì)地泄放而降低。而對(duì)于帶線路開路實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，因線路對(duì)地是有電容的，此時(shí)等值電路的電容更大，等值電阻更小，會(huì)使線路電壓變化更快。當(dāng)天氣變化時(shí)，就會(huì)使工況產(chǎn)生很大的變化。

線路開路試驗(yàn)手動(dòng)閉鎖后波形如圖5所示。

圖5 OLT手動(dòng)閉鎖后波形

由圖5可以看出，在閥閉鎖以后，由于泄壓回路的存在，電壓在緩慢下降，速率約為2kV／s。因此，考慮到電容等因素的放電情況，實(shí)際電壓值要略小于VD。表1便是同樣的α角度所對(duì)應(yīng)的實(shí)際電壓值和理論電壓值，可以看出，在充電電壓小的時(shí)候，電壓值接近。

表1 α對(duì)應(yīng)的實(shí)際和理論電壓值

2 實(shí)際工程中的極開路控制原理

在實(shí)際運(yùn)行中，直流系統(tǒng)在閉鎖狀態(tài)時(shí)，α保持在164°左右。在接受解鎖命令和α值以后，控制系統(tǒng)先判斷出最近的線電壓過零點(diǎn)，然后在觸發(fā)角等于α值時(shí)，發(fā)出觸發(fā)脈沖，將相應(yīng)閥導(dǎo)通。由圖6可以看出，控制系統(tǒng)在解鎖命令發(fā)出約240ms以后，觸發(fā)角驟降至155°，隨后緩慢下降，至150°時(shí)直流線路開始建壓。

圖6 OLT解鎖時(shí)錄波圖

在直流工程中，通過比較OLT時(shí)的參考電壓和直流側(cè)實(shí)際電流和電壓值來(lái)控制α角，從而對(duì)試驗(yàn)電壓控制，其控制原理圖如圖7表示。

圖7 OLT閉環(huán)控制觸發(fā)角α原理簡(jiǎn)化圖

如圖7所示，OLT的參考值輸入U(xiǎn)D＿REF＿OLT經(jīng)過變化率限制環(huán)節(jié)（在自動(dòng)OLT中，電壓上升和下降的速率都為1kV／s）算出實(shí)時(shí)參考值后，與實(shí)際直流電壓UD＿POL的差值輸入到PI控制環(huán)節(jié)（K／STI）上，PI控制器的輸出為OLT觸發(fā)角OLTALPHAORD（電角度）。這個(gè)PI環(huán)節(jié)主要是將實(shí)際直流電壓反饋，確保實(shí)際電壓與電壓參考值相等。

積分器的輸出被限制在零至95°之間。穩(wěn)態(tài)情況下OLT的輸出可以寫成：

通常PI控制器被限幅在95°，所以開路試驗(yàn)中的點(diǎn)火角的最小值是60°，在這個(gè)角度可以得到最高的直流電壓。

通過華新站歷年來(lái)的線路開路試驗(yàn)來(lái)看，每次試驗(yàn)過程中，直流線路電壓參考值和實(shí)際電壓測(cè)量值可以同步變化，其差值未超過10kV。

3 線路開路試驗(yàn)時(shí)的其他保護(hù)新技術(shù)

在線路開路試驗(yàn)中，所有的斷線保護(hù)以及欠壓保護(hù)被閉鎖，但是在ABB的控制系統(tǒng)中加入了其他一些保護(hù)，用來(lái)保證在試驗(yàn)不成功時(shí)閉鎖換流器以及在試驗(yàn)過程中保護(hù)設(shè)備。

3.1 電壓差值保護(hù)

當(dāng)直流系統(tǒng)存在接地或絕緣損壞時(shí)，電壓將無(wú)法保持，而是通過RC構(gòu)成的阻尼回路進(jìn)行放電，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)實(shí)際電壓值低于參考值。因此，可以通過這兩個(gè)差值對(duì)OLT進(jìn)行保護(hù)。但是，這個(gè)電壓判據(jù)僅限于不帶線路開路試驗(yàn)，也就是本站直流母線側(cè)刀閘拉開時(shí)。若對(duì)帶線路OLT也采用電壓判據(jù)的話，那么就會(huì)由于線路電容的影響，導(dǎo)致理論計(jì)算值和實(shí)際值相差較大，而使直流系統(tǒng)誤閉鎖。當(dāng)兩者之間的差值大于125kV時(shí)報(bào)警；當(dāng)兩者之間的差值大于150kV，故障保持4ms，閉鎖換流器。

3.2 過流保護(hù)

由于線路開路試驗(yàn)的直流電流以充電的脈動(dòng)形式出現(xiàn)，其電流穩(wěn)態(tài)值與放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)，在正常時(shí)電流值小于20A。在直流系統(tǒng)存在接地或絕緣損壞時(shí)，電流值將會(huì)增大。所以，這個(gè)保護(hù)是針對(duì)直流線路發(fā)生嚴(yán)重的絕緣故障來(lái)設(shè)立的。當(dāng)直流電流（IDNC）大于保護(hù)定值60A時(shí)報(bào)警；當(dāng)保護(hù)定值等于75A時(shí)，延時(shí)4ms，閉鎖脈沖，跳交流開關(guān)。

3.3 過流后備保護(hù)

當(dāng)短路或接地故障發(fā)生在換流變至閥之間時(shí)，這個(gè)情況判據(jù)2就無(wú)法很快隔離故障，所以加入判據(jù)3，即通過交流側(cè)電流減去直流側(cè)電流，max｛IVY＿ABS＿M(jìn)AX，IVD＿ABS＿M(jìn)AX｝－IDNC來(lái)迅速切除故障。當(dāng)兩者之間的差值大于60A時(shí)報(bào)警；當(dāng)兩者之間的差值大于75A時(shí)，延時(shí)2ms，閉鎖脈沖，跳交流開關(guān)。

3.4 保護(hù)性觸發(fā)

保護(hù)性觸發(fā)用于檢測(cè)可控硅內(nèi)部的工作。當(dāng)可控硅處于正常觸發(fā)不成功時(shí)，單個(gè)可控硅承受過電壓大于6.8kV，還沒有被觸發(fā)導(dǎo)通，為了避免可控硅遭受過電壓的破壞，控制單元（TCU）利用就地的保護(hù)觸發(fā)功能及時(shí)觸發(fā)可控硅。

在正常的極解鎖和運(yùn)行過程中，保護(hù)性觸發(fā)只發(fā)報(bào)警，不停極，在開路試驗(yàn)時(shí)，只要有一個(gè)可控硅發(fā)保護(hù)性觸發(fā)信號(hào)，則該極跳閘出口。例如：華新站2009年10月8日極I做OLT時(shí)，P1PCPA1／B1先發(fā)“New Thyristor Component Faulty.Fault code 182”，在 解 鎖 后，P1PCPA1 發(fā) “Protective Firing Alarm.Fault code 1”，導(dǎo)致極I X閉鎖，OLT失敗，更換可控硅組件后OLT成功。

在線路開路試驗(yàn)中采用上述新技術(shù)后，保證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性以及設(shè)備的安全性。但是，若在檢修結(jié)束后線路上有接地點(diǎn)，那么線路開路試驗(yàn)無(wú)法成功，由于此時(shí)整流站和逆變站有一側(cè)的線路刀閘拉開，線路故障定位無(wú)法通過行波保護(hù)算出故障點(diǎn)，使得工作人員無(wú)法及時(shí)尋找到故障點(diǎn)，加大了排除故障的難度。為此，試驗(yàn)時(shí)可以考慮多加入1套阻抗保護(hù)，用以改善此種情況。

4 線路開路試驗(yàn)的控制模式

線路開路試驗(yàn)只能在本地實(shí)施，將有功控制方式作為獨(dú)立控制，一般有兩種控制方式：手動(dòng)控制與自動(dòng)控制［2］。

1）手動(dòng)控制 運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定線路開路試驗(yàn)的直流電壓參考值。直流電壓的參考值在0～1.05pu值之間可調(diào)。直流電壓以預(yù)先設(shè)定的速度線性變化至直流電壓參考值。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，運(yùn)行人員手動(dòng)降壓，閉鎖換流閥。

2）自動(dòng)模式 運(yùn)行人員啟動(dòng)空載降壓試驗(yàn)程序，此程序就自動(dòng)解鎖對(duì)應(yīng)的換流閥，觸發(fā)角降低到150°以后，從零開始建立電壓，然后以1kV／s的速率調(diào)整電壓參考值，把直流電壓升至預(yù)定值500kV后，保持120s，然后以1kV／s的下降速率下降到零，最后閉鎖換流閥。直流電壓預(yù)定值和最高電壓保持時(shí)間可以由運(yùn)行人員設(shè)定。

在升壓或者降壓過程中，運(yùn)行人員可以終止升壓或者降壓過程。在這種情況下電壓保持在終止時(shí)刻的值，可以根據(jù)需要再次增加或者減小電壓。在電壓沒有變化到零的情況下，可以隨時(shí)閉鎖該極。

5 線路開路試驗(yàn)的運(yùn)行原則

通過總結(jié)華新站直流系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，有些OLT的運(yùn)行原則可以遵照?qǐng)?zhí)行。

1）在直流輸電系統(tǒng)正常停運(yùn)后，如果直流輸電系統(tǒng)設(shè)備無(wú)檢修，在系統(tǒng)啟動(dòng)前可不做極開路試驗(yàn)。

2）直流輸電系統(tǒng)閥廳內(nèi)設(shè)備、極母線、平波電抗器等站內(nèi)直流一次設(shè)備或極控制系統(tǒng)部分二次設(shè)備檢修或故障后，在正式送電前，相應(yīng)換流站的檢修或故障極應(yīng)進(jìn)行不帶線路開路試驗(yàn)；試驗(yàn)成功，該換流站的檢修或故障極才具備正式送電條件。

3）直流線路檢修或故障后，在正式送電前，相應(yīng)直流線路應(yīng)由任一換流站進(jìn)行帶線路極開路試驗(yàn)；試驗(yàn)成功，該直流線路才具備正式送電條件。

4）兩側(cè)換流站及直流線路均需進(jìn)行極開路試驗(yàn)時(shí)，一般情況下由整流站進(jìn)行不帶線路極開路試驗(yàn)，由逆變站進(jìn)行帶線路極開路試驗(yàn)。

5）一般情況下極開路試驗(yàn)不成功不得送電，應(yīng)盡快查明原因，消除故障后重新進(jìn)行試驗(yàn)。

6）換流站之間通信故障時(shí)，一般不進(jìn)行帶線路極開路試驗(yàn)；確實(shí)需要進(jìn)行，應(yīng)電話聯(lián)系對(duì)側(cè)換流站，確定接線方式滿足極開路試驗(yàn)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行中，直流極母線既存在直流電壓，也存在直流電流，由于電流和換相阻抗的存在，使直流電壓產(chǎn)生換相壓降。但是，線路開路試驗(yàn)中，僅有直流電壓，直流電流幾乎為零，此時(shí)換相壓降的大小是由換相時(shí)的交流電壓來(lái)決定，而與電流無(wú)關(guān)，這就導(dǎo)致了原理上直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行和開路試驗(yàn)有所不同。

在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)通過電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和功率調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)控制，輸出觸發(fā)角對(duì)直流系統(tǒng)電壓、電流進(jìn)行控制。但是，在進(jìn)行直流開路試驗(yàn)時(shí)，直流極母線中僅充直流電壓，理想的開路試驗(yàn)并無(wú)直流電流流過，并且由于閥組件中存在電容和電感，線路電暈、濾波等各方面的影響，電壓呈現(xiàn)緩慢地衰減?？刂葡到y(tǒng)僅僅通過電壓調(diào)節(jié)器的反饋，就可對(duì)線路電壓進(jìn)行控制，使參考電壓和線路實(shí)際電壓保持一致。這就導(dǎo)致了工程運(yùn)行上直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行和開路試驗(yàn)有所不同。

考慮到線路開路試驗(yàn)時(shí)的特殊運(yùn)行工況，其保護(hù)與直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的保護(hù)也有所不同。

［1］Kundur P.Power system stability and control.New York：MacGraw－Hill，1994.

［2］石巖，徐玲鈴，陶瑜，曾南超.背靠背換流站極控系統(tǒng)的研究［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（9）：832－838.