徐 松

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司安寧局,昆明 650000）

楚穗直流輸電工程是世界上第一個(gè)±800kV、輸電容量5000MW的特高壓、大容量直流輸電工程，承擔(dān)著云電送粵的重要責(zé)任，其安全穩(wěn)定的運(yùn)行將直接影響著廣東地區(qū)部分負(fù)荷的正常供應(yīng)。在雙極平衡運(yùn)行方式下，楚穗直流多次發(fā)生單極閉鎖故障后接地極線路過(guò)電壓現(xiàn)象，這一故障現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致接地極線路閃絡(luò)，導(dǎo)致站內(nèi)設(shè)備損傷，并有可能使得另一極也發(fā)生閉鎖現(xiàn)象，影響楚穗直流的正常輸電。因此通過(guò)對(duì)故障實(shí)例的具體分析故障原因及導(dǎo)致后果，并通過(guò)建模分析提出改進(jìn)意見(jiàn)，對(duì)楚穗直流安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

1 故障介紹及分析

1.1 故障介紹

2012 年12 月15 日，在進(jìn)行楚穗直流工程孤島調(diào)制的準(zhǔn)備工作中，操作極1 高端閥組由定角度控制方式切換為定Udio 控制方式，切換完成一段時(shí)間后，該極低端閥組的F5 避雷器（M 型避雷器）過(guò)熱損壞，楚穗直流極I 的87DCM 和87CSD I 段保護(hù)動(dòng)作，將極I 雙閥組退至備用狀態(tài)，直流功率轉(zhuǎn)移至極2 運(yùn)行。在隨后極II 單極運(yùn)行期間，接地極線路保護(hù)60EL動(dòng)作，將極II 雙閥組強(qiáng)制移相并重啟成功。

在極I 閉鎖2s后接地極線路不平衡保護(hù)動(dòng)作將極II 強(qiáng)制移相并重啟成功，通過(guò)錄波可知在極I 閉鎖后兩條接地極線中流過(guò)電流差別較大達(dá)到60EL-2 保護(hù)定值且持續(xù)時(shí)間超過(guò)2s 從而導(dǎo)致60EL-2 保護(hù)動(dòng)作。

圖1-1 60EL 保護(hù)動(dòng)作錄波分析

1.2 故障分析

F5避雷器損壞后形成極I低端閥組200kV母線短路故障，在中性母線上將產(chǎn)生過(guò)電壓，由于接地極線路絕緣水平小于中性母線的絕緣水平，因此該過(guò)電壓極有可能造成接地極線路閃絡(luò)從而導(dǎo)致接地極線路不平衡保護(hù)動(dòng)作。事后的巡線結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。極I低端閥組200kV母線接地短路過(guò)程中中性母線上的過(guò)電壓錄波結(jié)果如圖所示。從圖中可以看出其最后一條紅線對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為接地極線路閃絡(luò)的時(shí)刻，該時(shí)刻中性母線的過(guò)電壓為170.47kV，從圖中可以看出中性母線電壓從零值附近上升到閃絡(luò)時(shí)刻的時(shí)間為2.8ms，因此，可認(rèn)為作用在接地極線路上的過(guò)電壓是一個(gè)波頭時(shí)間為2800μs，幅值為170.47kV 的操作波。

由于楚雄換流站接地極線路裝設(shè)了0.4m 的招弧角，其正極性雷電沖擊耐受為150kV，負(fù)極性雷電沖擊耐受為-160kV。當(dāng)外施電壓為波頭時(shí)間更長(zhǎng)的操作波時(shí)其耐受電壓將進(jìn)一步降低，因此中性母線上產(chǎn)生的過(guò)電壓能夠引起接地極線路的閃絡(luò)。接地極線路入口處裝有一臺(tái)E 避雷器，該避雷器主要是用于來(lái)自接地極線路的雷電侵入波保護(hù)，其主要目的是保護(hù)中性母線設(shè)備的。即中性母線和接地極線的絕緣設(shè)計(jì)不匹配，中性母線避雷器不能防止在類(lèi)似工況下接地極線發(fā)生閃絡(luò)。

圖1-2 極1 閉鎖過(guò)程中中性母線對(duì)地電壓波形

目前±800kV 電壓等級(jí)接地極線路招弧角的操作沖擊電壓耐受水平相當(dāng)于交流35kV 電壓等級(jí)，800kV 換流站中性母線的操作沖擊電壓耐受水平相當(dāng)于交流110kV 電壓等級(jí)，存在兩者操作沖擊電壓耐受水平不匹配的問(wèn)題。中性母線避雷器的保護(hù)水平高于接地極線路的招弧角閃絡(luò)電壓，發(fā)生直流線路極線因雷擊閃絡(luò)等原因?qū)е陆拥毓收蠒r(shí)，接地極線路可能會(huì)閃絡(luò)。雙極對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)，如果故障極重啟成功則可以清除接地極線路閃絡(luò)，如果故障極不允許重啟則接地極線路閃絡(luò)故障需要依靠健全極重啟來(lái)實(shí)現(xiàn)。就楚穗工程而言，聯(lián)網(wǎng)方式下，根據(jù)目前電網(wǎng)安全穩(wěn)定研究的結(jié)論，一極閉鎖后15 分鐘內(nèi)另外一極不允許重啟。在孤島運(yùn)行方式下，單極閉鎖后另外一極短時(shí)間內(nèi)重啟引起的交流過(guò)電壓過(guò)高，過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作會(huì)切除大組濾波器引起雙極閉鎖。即，單極故障有引起雙極相繼閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)。

為評(píng)估中性母線和接地極線路操作沖擊電壓耐受水平不匹配的程度，主要對(duì)楚穗直流工程發(fā)生站內(nèi)接地故障時(shí)，接地極線路沿線操作過(guò)電壓水平進(jìn)行了計(jì)算。

2 建模分析計(jì)算

2.1 計(jì)算條件

運(yùn)行方式選擇

中性母線和接地極線路操作沖擊耐受水平不匹配引起的主要問(wèn)題是：雙極運(yùn)行時(shí)，一極發(fā)生故障引起接地極線路閃絡(luò)，如果故障極不允許重啟（例如站內(nèi)接地故障）或重啟失敗，則接地極的故障電流無(wú)法自清除，直至中性母線差流保護(hù)動(dòng)作，閉鎖或重啟健全極，根據(jù)目前電網(wǎng)安全穩(wěn)定研究的結(jié)論，在單極閉鎖后15分鐘內(nèi)不允許另外一極重啟，即單極故障會(huì)引起雙極閉鎖。

單極大地運(yùn)行方式下，極母線接地故障或雷擊引起接地極線路閃絡(luò)，只要閉鎖該極，接地極線路上的電弧就會(huì)熄滅，然后會(huì)重啟成功。

單極金屬運(yùn)行方式下，逆變站接地極線路僅提供電位參考，無(wú)直流工作電流，即使接地極線路閃絡(luò)，也不會(huì)有續(xù)流存在，可以不考慮。但整流站站內(nèi)金屬回線母線絕緣水平相當(dāng)于交流110kV 等級(jí)電壓，若雷擊金屬回線導(dǎo)致站內(nèi)金屬回線母線閃絡(luò)，則導(dǎo)致金屬回線與大地并聯(lián)，流經(jīng)大地的工作電流，同樣可導(dǎo)致接地點(diǎn)的故障電流不能熄滅，直至保護(hù)動(dòng)作閉鎖閥。

綜上，考慮雙極運(yùn)行方式作為研究的基本運(yùn)行方式。

交流系統(tǒng)短路容量選擇

根據(jù)理論分析和絕緣配合研究的結(jié)果，選擇最大系統(tǒng)短路容量，5000MW 作為校核的基礎(chǔ)。

故障選擇

選擇了可能引起中性母線過(guò)電壓的各種典型工況進(jìn)行了計(jì)算。包括：直流線路接地故障、直流母線接地故障、閥廳出口處極母線接地故障、各換流變2 次側(cè)接地故障，各換流器連接母線接地故障。

建模

模型使用詳細(xì) EMTDC 模型，考慮了除濾波器避雷器外的所有避雷器，仿真中不考慮接地極線路閃絡(luò)。計(jì)算模型中，楚雄站、穗東站的接地極線長(zhǎng)度為106km、95km。

2.2 楚雄站計(jì)算結(jié)果

表1-1 給出了楚雄站的過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果，表中各故障點(diǎn)的描述均基于楚雄站。E0是指中性母線處，E1 距離換流站十分之一接地極線路長(zhǎng)度處，依次類(lèi)推。從表中可以看出，沿線的過(guò)電壓水平與距離接地極的距離基本上成正比。幾乎站內(nèi)所有故障下的過(guò)電壓水平都超過(guò)了接地極線路招弧角的閃絡(luò)電壓（約150kV）。圖1-1 給出了表1-1 中各點(diǎn)最大過(guò)電壓沿線的變化趨勢(shì)。

表1-1 各種故障下楚雄站接地極線路沿線操作過(guò)電壓水平

圖1-1 楚雄站接地極線路沿線操作過(guò)電壓水平及操作沖擊耐受水平要求曲線

2.3 穗東站計(jì)算結(jié)果

表1-2 給出了穗東站的過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果，表中各故障點(diǎn)的描述均基于穗東站。E0是指中性母線處，E1 距離換流站十分之一接地極線路長(zhǎng)度處，依次類(lèi)推。從表中可以看出，沿線的過(guò)電壓水平與距離接地極的距離基本上成正比。幾乎站內(nèi)所有故障下的過(guò)電壓水平都超過(guò)了接地極線路的閃絡(luò)電壓（約150kV）。圖1-2 給出了表1-2中各點(diǎn)最大過(guò)電壓沿線的變化趨勢(shì)。

表1-2 各種故障下穗東站接地極線路沿線操作過(guò)電壓水平

圖 1-2 穗東站接地極線路沿線操作過(guò)電壓水平及操作沖擊耐受水平要求曲線

2.4 建模結(jié)果分析

對(duì)上述兩表的分析可知，送端的過(guò)電壓水平高于受端。正常功率傳輸方式下,楚雄站的過(guò)電壓水平高于穗東站。為使接地極線路和中性母線的絕緣水平相匹配，常規(guī)規(guī)律傳輸方向下，需要改造接地極線路，使其耐壓水平滿(mǎn)足實(shí)際的過(guò)電壓水平。

3 結(jié)論

（1）降低E型避雷器額定電壓后，E2型避雷器約需增至120柱并聯(lián)。避雷器的并聯(lián)柱數(shù)過(guò)多，均流問(wèn)題難以解決，在發(fā)生故障時(shí)部分避雷器的熱崩潰仍然會(huì)使得對(duì)地閃絡(luò)發(fā)生。因此，不推薦改造中性母線避雷器以使其和現(xiàn)有的接地極線路絕緣水平匹配。

（2）推薦的永久性解決方案為改造接地極線路絕緣配置、提高接地極線路絕緣水平，以使其和目前E型避雷器的保護(hù)水平和中性母線的絕緣水平相匹配。楚雄和穗東站推薦提高距離換流站0～約60%接地極線路長(zhǎng)度范圍內(nèi)的接地極線路的絕緣水平。

[1] GB/T_311.3_2007 絕緣配合[S].第3 部分：高壓直流換流站絕緣配合程序.

[2] 楚雄換流站運(yùn)行規(guī)程[Z].

[3] ±800kV直流換流站運(yùn)行技術(shù)[M].中國(guó)電力出版社，2011.