陳仕龍，束洪春，甄 穎

（昆明理工大學 電力工程學院，云南 昆明 650051）

0 引言

云廣±800 kV特高壓直流輸電是世界上第一條特高壓直流輸電工程，西起云南省楚雄州楚雄換流站，東至廣東省廣州市穗東換流站，全長1418 km，額定輸送功率5000 MW，電壓等級±800 kV，額定直流電流3.125 kA，目前已經(jīng)雙極試運行[1]。由于負極運行在防雷方面的優(yōu)勢，在分期建設時一般采取先負極投運再建設正極的方式，在雙極運行過程中需要單極運行時也優(yōu)先考慮負極運行，云廣±800 kV特高壓直流輸電也會經(jīng)常采用負極運行方式。換相失敗是直流輸電系統(tǒng)最常見的一種故障，多數(shù)情況下?lián)Q相失敗可以自動恢復，如果發(fā)展為繼發(fā)性的換相失敗，直流系統(tǒng)就會強迫停運[2]。故對云廣±800 kV特高壓直流輸電負極運行換相失敗進行研究，對云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)安全運行是十分必要的。國內(nèi)外學者對高壓直流輸電系統(tǒng)及特高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗進行了深入的研究[3-9]。

本文對高壓直流輸電換相失敗機理、引起換相失敗的原因、換相失敗判斷標準及抑制換相失敗的控制措施進行研究。采用PSCAD/EMTDC仿真程序，以云廣±800 kV特高壓直流輸電工程為對象，根據(jù)云廣±800 kV特高壓直流輸電工程的設計參數(shù)，建立云廣±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)負極運行的精確仿真模型，對云廣±800 kV特高壓直流輸電負極運行時換相失敗進行仿真研究。

1 特高壓直流輸電換相失敗機理、影響因素及判斷標準

1.1 特高壓直流輸電換相失敗機理

換相失敗是直流輸電最常見的故障之一，在6脈動換流器中，當2個橋臂之間換相結(jié)束后，剛退出導通的閥在反向電壓作用的一段時間內(nèi)，如果未能恢復阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程一直未能進行完畢，這2種情況在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相，這稱為換相失敗[10-11]。

換流器的閥是可控電力電子開關(guān)，目前大容量直流輸電工程都采用晶閘管作為換流器的閥開關(guān)，晶閘管需要一定時間完成載流子復合，恢復正向阻斷能力。晶閘管的恢復時間以極限熄弧角γmin表示，在實際運行中，逆變器熄弧角γ小于γmin就認為換相失敗[12-13]，這是發(fā)生換相失敗的本質(zhì)。

1.2 特高壓直流輸電換相失敗的影響因素

晶閘管去游離恢復時間在400 μs左右（約為7°電角度），考慮到串聯(lián)元件的誤差，晶閘管的恢復時間以電角度γmin表示約為10°。所以在實際運行中，當γ＜10°時就認為發(fā)生換相失敗。受端系統(tǒng)對稱時，逆變器的熄弧角計算公式如下所示：

其中，Id為直流電流；XC為換相電抗；UL為換流母線線電壓有效值；β為觸發(fā)越前角；K為換流變壓器變比。當系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，會使換相線電壓過零點前移一個角度φ，此時逆變器關(guān)斷角為：

由式（2）可見，換相失敗的影響因素包括直流電流、觸發(fā)越前角、換流母線線電壓、換流變壓器變比、換相電抗、換相電壓過零點相位移角等[14]。

1.3 特高壓直流輸電換相失敗判斷標準

換相失敗的本質(zhì)是熄弧角γ小于極限熄弧角γmin。判斷換相失敗的最簡單、最準確標準應該以其基本特征為準：熄弧角小于換流閥恢復阻斷能力所對應的時間，即熄弧角γ小于極限熄弧角γmin。

云廣±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)采用單極雙12脈動換流器串聯(lián)的主接線方式，單極有4個6脈動換流閥，任意一個6脈動換流閥發(fā)生換相失敗都可認為特高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗。所以云廣±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的判斷標準應為：單極的4個6脈動換流閥中最小的熄弧角小于極限熄弧角γmin。

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2 特高壓直流輸電換相失敗避免措施

避免換相失敗的措施可分為換相失敗的預防措施和防止繼發(fā)性換相失敗的措施2類[15]。

2.1 換相失敗的預防措施

換相失敗的預防措施是指在直流輸電系統(tǒng)設計和運行中采取適當?shù)拇胧Q相失敗故障進行預防。在直流輸電中主要有以下幾種換相失敗預防措施：利用無功補償維持換相電壓穩(wěn)定；采用較大的平波電抗器限制暫態(tài)時直流電流的上升；規(guī)劃時降低換流變壓器的短路電抗；增大β或γ的整定值；采取適當?shù)目刂品绞?；改善交流系統(tǒng)的頻譜特性；人工換相。

2.2 防止繼發(fā)性換相失敗的措施

逆變器發(fā)生換相失敗后，不需要馬上進行閉鎖保護，采取適當措施可以防止發(fā)生繼發(fā)性換相失敗，防止發(fā)生繼發(fā)性換相失敗的措施主要有以下幾種：控制系統(tǒng)中采用低壓限流環(huán)節(jié)（VDCOL）；增大換流閥觸發(fā)角β；增發(fā)觸發(fā)脈沖，對逆變器一次換相失敗故障的發(fā)展進行控制；投入旁通對和將換流閥閉鎖對逆變器2次和多次連續(xù)換相失敗故障的發(fā)展進行控制；直流系統(tǒng)采用適當?shù)幕謴退俾省?/p>

2.3 云廣特高壓直流輸電控制系統(tǒng)對換相失敗的控制措施

目前，國內(nèi)外高壓直流輸電工程控制系統(tǒng)主要有Siemens公司的技術(shù)和ABB公司的技術(shù)。Siemens直流輸電系統(tǒng)根據(jù)換相失敗的原理來檢測，采用了事后補救的措施，即檢測到換相失敗后，通過定熄弧角控制使系統(tǒng)從故障中恢復；而ABB直流輸電系統(tǒng)的換相失敗相關(guān)技術(shù)主要采用了預測手段，通過對交流系統(tǒng)故障的嚴重程度進行判斷，提前采取措施以避免換相失敗。云廣特高壓直流輸電工程控制保護系統(tǒng)采用的是許繼公司成套提供的DPS-2000A系統(tǒng)，采用的是Siemens公司的技術(shù)。云廣特高壓直流輸電控制系統(tǒng)對換相失敗的控制除在控制系統(tǒng)中采用VDCOL外，主要采用轉(zhuǎn)換控制方式的方法來抑制換相失敗，即當出現(xiàn)換相失敗時，逆變站的控制方式由定電壓控制轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏɑ〗强刂埔砸种茡Q相失敗。

3 云廣特高壓直流輸電負極運行系統(tǒng)建模

本文采用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件建立云廣特高壓直流輸電負極運行的精確仿真模型。參照云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站主接線，可建立云廣±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)負極運行仿真模型。云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)電壓等級為±800 kV，負極運行時直流額定電壓為-800 kV，直流額定功率為2500 MW，直流額定電流為3.125 kA。整流側(cè)交流系統(tǒng)額定電壓為525 kV，短路比SCR=2.5/84°；逆變側(cè)交流系統(tǒng)額定電壓為525 kV，短路比SCR=2.5/75°。整流側(cè)配置兩大組交流濾波器，直流濾波器的配置為2組三調(diào)諧濾波器，逆變側(cè)交直流濾波器配置及參數(shù)同整流側(cè)。整流側(cè)換流變壓器采用三相雙繞組變壓器，單臺容量750.63MV·A，接線型式為Y0/Y及Y0/△2種，換流阻抗0.18 p.u.，網(wǎng)側(cè)繞組額定電壓525 kV，閥側(cè)繞組額定電壓169.85 kV。逆變側(cè)換流變壓器采用三相雙繞組變壓器，單臺容量750.63 MV·A，接線型式為Y0/Y及Y0/△2種，換流阻抗0.18 p.u.，網(wǎng)側(cè)繞組額定電壓525 kV，閥側(cè)繞組額定電壓160.5 kV。整流側(cè)平波電抗器為極母線和中性母線各裝設2臺75 mH的干式平波電抗器，逆變側(cè)平波電抗器設置及參數(shù)與整流側(cè)相同。整流站和逆變站的換流閥采用2個12脈動換流單元串聯(lián)接線的接線方式，2個12脈動閥組串聯(lián)電壓按-（400+400）kV分配。直流輸電線路全長1 418 km，沿線大地電阻率的平均值為1000 Ω·m，采用了6×LGL-630/45 導線，采用 Frequency Dependent（Phase）Model Options模型①西南電力設計院.云南至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程楚雄±800 kV換流站新建工程初步設計.2007.。所建立的仿真模型見圖1。

4 云廣特高壓直流輸電負極運行換相失敗及控制仿真

4.1 云廣特高壓直流輸電換流變壓器變比K增大

由式（2）可見，當其他變量不變時，變壓器變比K增大將使關(guān)斷角γ減小，從而導致?lián)Q相失敗。云廣特高壓直流輸電負極運行時逆變側(cè)換流變壓器額定變比K=525/160.5=3.271，通過大量的仿真發(fā)現(xiàn)：減小變比K，逆變器不發(fā)生換相失敗，當增大變比K到K=525/149=3.52時，逆變器發(fā)生換相失敗。云廣特高壓直流輸電負極運行時換流變壓器變比K=3.52，仿真波形如圖2—4所示。

圖中Ud為直流母線電壓；I為VDCOL輸出電流的標幺值（后同）；γ為云廣特高壓直流負極4個6脈動換流器的最小熄弧角。由仿真結(jié)果可見，當逆變側(cè)換流變壓器變比K≥3.52時，云廣特高壓直流周期性地出現(xiàn)負極4個6脈動換流器的最小熄弧角為0°的現(xiàn)象，小于極限熄弧角γmin，即云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)負極發(fā)生繼發(fā)性換相失敗。換相失敗發(fā)生后，VDCOL啟動，逆變側(cè)控制方式由定電壓控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏɑ〗强刂品绞?，使系統(tǒng)快速恢復正常，但過一段時間后換相失敗再次發(fā)生，如此周期性地發(fā)生換相失敗?？梢?，當云廣特高壓直流逆變側(cè)換流變壓器變比K≥3.52時，逆變器將發(fā)生繼發(fā)性換相失敗，即使云廣特高壓直流控制系統(tǒng)啟動，也不能避免。

圖1 云廣特高壓直流輸電-800 kV仿真模型Fig.1 Simulation model of Yun-Guang-800 kV UHVDC transmission system

圖2 整流側(cè)直流母線電壓Fig.2 DC bus voltage at rectifier side

圖3 控制系統(tǒng)VDCOL輸出Fig.3 VDCOL output of control system

圖4 逆變側(cè)最小熄弧角Fig.4 Minimum arc extinction angle at inverter side

4.2 逆變側(cè)交流系統(tǒng)三相接地短路

交流系統(tǒng)三相接地短路為對稱性故障，該故障發(fā)生時，不會使換相線電壓過零點前移一個角度φ，但會使換流母線線電壓UL降低，逆變器是否發(fā)生換相失敗以及換相失敗后能否恢復與換相電壓降落的速度與幅值、接地電阻大小及故障持續(xù)時間有關(guān)[16]。通過大量的仿真發(fā)現(xiàn)：三相對稱接地短路故障對于故障合閘角不敏感，即發(fā)生三相對稱接地短路時，故障發(fā)生的時刻對換相失敗是否發(fā)生及能否迅速恢復基本沒有影響，而接地電阻的大小和故障持續(xù)時間對換相失敗影響很大，接地電阻越小，故障持續(xù)時間越長，越容易發(fā)生換相失敗。對云廣特高壓直流輸電負極運行時逆變側(cè)交流系統(tǒng)三相接地短路進行仿真，故障起始時刻為0.3 s，故障持續(xù)時間為100 ms，通過大量仿真，得到不發(fā)生繼發(fā)性換相失敗的臨界接地電阻為31.5 Ω，此時交流母線電壓降為額定值的60%，仿真波形如圖5—8所示。

圖5 逆變側(cè)交流母線電壓Fig.5 AC bus voltage at inverter side

圖6 整流側(cè)直流母線電壓Fig.6 DC bus voltage at rectifier side

圖7 控制系統(tǒng)VDCOL輸出Fig.7 VDCOL output of control system

圖8 逆變側(cè)最小熄弧角Fig.8 Minimum arc extinction angle at inverter side

圖中UAC為交流母線電壓。由仿真結(jié)果可見，當逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路，故障持續(xù)時間為100 ms，不發(fā)生繼發(fā)性換相失敗的臨界接地電阻為31.5 Ω。當接地電阻小于31.5 Ω時，發(fā)生換相失敗，VDCOL啟動，逆變側(cè)控制方式由定電壓控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏɑ〗强刂品绞剑瓜到y(tǒng)快速恢復正常，但過一段時間后換相失敗再次發(fā)生，即使故障已經(jīng)切除，也將連續(xù)出現(xiàn)負極4個6脈動換流器的最小熄弧角為0°的現(xiàn)象，小于極限熄弧角γmin，即發(fā)生繼發(fā)性換相失?。划斀拥仉娮璐笥诘扔?1.5 Ω時，也發(fā)生換相失敗，VDCOL啟動，逆變側(cè)控制方式由定電壓控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏɑ〗强刂品绞剑瓜到y(tǒng)快速恢復正常，直流系統(tǒng)只發(fā)生一次負極4個6脈動換流器的最小熄弧角為0°的現(xiàn)象，小于極限熄弧角γmin，即只發(fā)生一次換相失敗。

4.3 逆變側(cè)交流系統(tǒng)兩相短路

交流系統(tǒng)兩相短路為非對稱性故障，該故障發(fā)生時，不但會使換相線電壓過零點前移一個角度φ，還會使換流母線線電壓UL降低，逆變器很容易發(fā)生換相失敗。通過大量的仿真發(fā)現(xiàn)：兩相短路時換相失敗與接地電阻、故障持續(xù)時間、故障合閘角關(guān)系密切，接地電阻越小，故障持續(xù)時間越長，越容易發(fā)生換相失敗，在線電壓相位為90°和270°，即故障合閘角為90°和270°時，兩相短路最容易引發(fā)逆變器換相失敗。對云廣特高壓直流輸電負極運行時逆變側(cè)交流系統(tǒng)A、B兩相短路進行仿真，故障合閘角為90°，故障持續(xù)時間為100 ms，通過大量仿真，得到不發(fā)生繼發(fā)性換相失敗的臨界接地電阻為497 Ω，仿真波形如圖9—12所示。

圖9 逆變側(cè)交流母線電壓Fig.9 AC bus voltage at inverter side

圖10 整流側(cè)直流母線電壓Fig.10 DC bus voltage at rectifier side

圖11 控制系統(tǒng)VDCOL輸出Fig.11 VDCOL output of control system

圖12 逆變側(cè)最小熄弧角Fig.12 Minimum arc extinction angle at inverter side

由仿真結(jié)果可見，當逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生兩相短路，故障持續(xù)時間為100 ms，故障合閘角為90°，不發(fā)生繼發(fā)性換相失敗的臨界接地電阻為497 Ω。當接地電阻小于497 Ω時，發(fā)生換相失敗，VDCOL啟動，逆變側(cè)控制方式由定電壓控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏɑ〗强刂品绞?，使系統(tǒng)快速恢復正常，但過一段時間后換相失敗再次發(fā)生，即使故障已經(jīng)切除，也將連續(xù)出現(xiàn)負極4個6脈動換流器的最小熄弧角為0°的現(xiàn)象，小于極限熄弧角γmin，即發(fā)生繼發(fā)性換相失?。划斀拥仉娮璐笥诘扔?97 Ω時，也發(fā)生換相失敗，VDCOL啟動，逆變側(cè)控制方式由定電壓控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏɑ〗强刂品绞剑瓜到y(tǒng)快速恢復正常，直流系統(tǒng)只發(fā)生一次負極4個6脈動換流器的最小熄弧角為0°的現(xiàn)象，小于極限熄弧角γmin，即只發(fā)生一次換相失敗。

4.4 逆變側(cè)交流系統(tǒng)單相接地短路

交流系統(tǒng)單相接地短路為非對稱性故障，該故障發(fā)生時，不但會使換相線電壓過零點前移一個角度φ，還會使換流母線線電壓UL降低，逆變器容易發(fā)生換相失敗。通過大量的仿真發(fā)現(xiàn)：單相接地短路時換相失敗與接地電阻、故障持續(xù)時間、故障合閘角關(guān)系密切，接地電阻越小，故障持續(xù)時間越長，越容易發(fā)生換相失敗，在接地相電壓相位為90°和270°，即故障合閘角為90°和270°時，單相接地短路最容易引發(fā)逆變器換相失敗。對云廣特高壓直流輸電負極運行時逆變側(cè)交流系統(tǒng)C相接地短路進行仿真，故障合閘角為90°，故障持續(xù)時間為100 ms，通過大量仿真，得到不發(fā)生繼發(fā)性換相失敗的臨界接地電阻為168 Ω，仿真波形如圖13—16所示。

圖13 逆變側(cè)交流母線電壓Fig.13 AC bus voltage at inverter side

圖14 整流側(cè)直流母線電壓Fig.14 DC bus voltage at rectifier side

圖15 控制系統(tǒng)VDCOL輸出Fig.15 VDCOL output of control system

圖16 逆變側(cè)最小熄弧角Fig.16 Minimum arc extinction angle at inverter side

由仿真結(jié)果可見，當逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路，故障持續(xù)時間為100 ms，故障合閘角為90°，不發(fā)生繼發(fā)性換相失敗的臨界接地電阻為168 Ω。當接地電阻小于168 Ω時，發(fā)生換相失敗，VDCOL啟動，逆變側(cè)控制方式由定電壓控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏɑ〗强刂品绞剑瓜到y(tǒng)快速恢復正常，但過一段時間后換相失敗再次發(fā)生，即使故障已經(jīng)切除，也將連續(xù)出現(xiàn)負極4個6脈動換流器的最小熄弧角為0°的現(xiàn)象，小于極限熄弧角γmin，即發(fā)生繼發(fā)性換相失敗；當接地電阻大于等于168 Ω時，也發(fā)生換相失敗，VDCOL啟動，逆變側(cè)控制方式由定電壓控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏɑ〗强刂品绞剑瓜到y(tǒng)快速恢復正常，直流系統(tǒng)只發(fā)生一次負極4個6脈動換流器的最小熄弧角為0°的現(xiàn)象，小于極限熄弧角γmin，即只發(fā)生一次換相失敗。

5 結(jié)論

本文針對云廣±800 kV特高壓直流輸電負極運行方式，應用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件建立了云廣特高壓直流輸電負極運行的仿真模型，并對云廣±800 kV特高壓直流輸電負極運行時換流變壓器變比、逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障進行仿真。通過本文的研究，得出如下結(jié)論。

a.云廣特高壓直流輸電負極運行換相的判斷標準為單極的4個6脈動換流閥中最小的熄弧角小于極限熄弧角γmin。

b.在云廣特高壓直流輸電負極運行狀態(tài)下，不能使逆變側(cè)換流變壓器變比K≥3.52，否則逆變器將周期性地發(fā)生換相失敗。

c.逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路時，換相失敗對故障合閘角（故障發(fā)生時刻）不敏感，但與接地電阻大小和故障持續(xù)時間關(guān)系密切。

d.逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生兩相短路和單相接地短路時，換相失敗與短路電阻和接地電阻、故障持續(xù)時間、故障合閘角（故障開始時刻）密切相關(guān)；對于兩相短路，在線電壓相位為90°和270°時，兩相短路最容易引發(fā)逆變器換相失??；對于單相接地短路，在相電壓相位為90°和270°時，單相接地短路最容易引發(fā)逆變器換相失敗。