宋臻吉，邢海文，馬龍，程寧

（1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東青島266300；2.國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001）

換流站換相失敗保護(hù)原理分析

宋臻吉1，邢海文2，馬龍1，程寧1

（1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東青島266300；2.國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001）

換相失敗是換流站常見的故障之一。對(duì)換相原理進(jìn)行闡述，以直流工程實(shí)際故障波形為基礎(chǔ)，對(duì)比分析交流系統(tǒng)電壓跌落、控制脈沖故障引起換相失敗的問題。分析膠東換流站換相失敗保護(hù)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)分析換相失敗故障有一定幫助作用。

換相失?。浑妷翰▌?dòng)；保護(hù)設(shè)計(jì)

0 引言

±660 kV銀東直流輸電系統(tǒng)投運(yùn)以來，膠東換流站每年都會(huì)多次出現(xiàn)換相失敗的問題。換相失敗會(huì)導(dǎo)致逆變器直流側(cè)短路，使直流電壓為零、直流電流增大、直流系統(tǒng)輸送功率減少；若換相失敗后控制不當(dāng)，還會(huì)引發(fā)連續(xù)的換相失敗，導(dǎo)致?lián)Q流閥壽命縮短、換流變壓器直流偏磁及逆變側(cè)弱交流系統(tǒng)過電壓等不良后果。

1 換相失敗保護(hù)

逆變器接線原理圖如圖1所示，其輸出的電壓波形，如圖2所示。逆變器與整流器最主要的區(qū)別在于逆變器是利用加在晶閘管上的交流電壓處于負(fù)半周時(shí)使晶閘管導(dǎo)通，此時(shí)直流平均電壓Vdn為負(fù)值，電流可沿著回路流通。

圖1 逆變器原理接線

圖2 逆變器的電壓波形

晶閘管V1在ea負(fù)半周時(shí)才觸發(fā)導(dǎo)通，T1時(shí)刻前V5和V6導(dǎo)通。ea是V1的陽極電位，雖然它處于低電位，但由于外加直流電壓Vdn在陰極通過V5的導(dǎo)通提供了一個(gè)更低的電位ec，所以V1處于正向電壓，一經(jīng)觸發(fā)即可導(dǎo)通。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)V5向V1換相，必須滿足ec＜ea。由于在自然換相點(diǎn)C4之后ec＞ea，因此換相必須在c4點(diǎn)之前完成，否則V1在反向電壓作用下將會(huì)被關(guān)斷。

在換相結(jié)束（V5關(guān)斷）T2時(shí)刻到最近一個(gè)自然換相點(diǎn)（C4）之間的角度稱為熄弧角γ（又稱關(guān)斷角）。由于閥在關(guān)斷之后還需要一個(gè)使載流子復(fù)合的過程，因此熄弧角必須足夠大，使換流閥有足夠長(zhǎng)的時(shí)間處于反向電壓作用之下，以保證剛關(guān)斷的閥能夠完全恢復(fù)阻斷能力。由于整流器在電流關(guān)斷后的較長(zhǎng)時(shí)間處于反向電壓之下，熄弧角較大，所以僅當(dāng)觸發(fā)電路發(fā)生故障時(shí)，整流器才會(huì)發(fā)生換相失敗。如果熄弧角太小，在過C4點(diǎn)后V5又承受正向電壓，而此時(shí)載流子尚未復(fù)合完，則V5不經(jīng)觸發(fā)就會(huì)導(dǎo)通，使V1承受反向電壓而被迫關(guān)斷，從而發(fā)生換相失?。?］。這就要求逆變器的熄弧角必須有一個(gè)最小值γmin，其大小為閥恢復(fù)阻斷能力所需時(shí)間加上一定的裕度，一般為15°或更大一些，膠東換流站熄弧角γ為17°。

熄弧角γ的計(jì)算公式：

式中：μ為換相角，（°）；Id為直流電流，A；Xr為換相電抗，Ω；E為換相電壓，V；γ為關(guān)斷角，（°）；β為觸發(fā)越前角，（°）。

由此可見，直流電流、換相電抗、換相電壓和觸發(fā)越前角都會(huì)影響逆變器的熄弧角。換相失敗發(fā)生的原因主要有交流系統(tǒng)電壓畸變和控制系統(tǒng)觸發(fā)脈沖異常兩種情況。當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，直流系統(tǒng)控制器的響應(yīng)和換流變壓器的變比變化都需要一定的時(shí)間，所以故障瞬間β保持不變。由式（1）、式（2）和圖2可見，當(dāng)其他變量不變時(shí)，U的降低將使熄弧角γ減少，從而導(dǎo)致?lián)Q相失?。?］。

換相失敗保護(hù)，用于檢測(cè)換流器的換相失敗故障，其配置原理如圖3所示，圖中IVY、IVD對(duì)應(yīng)的換流閥組即Y橋和D橋。通過判斷直流電流IDP、IDNC，換流變壓器閥側(cè)電流IVY、IVD，執(zhí)行告警，增大γ角，切換極控系統(tǒng)，持續(xù)的換相失敗會(huì)導(dǎo)致通過換流閥的電流過大，直流電流經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行重新起動(dòng)，引起極閉鎖。

圖3 換相失敗保護(hù)配置原理

2 典型換相失敗保護(hù)原理

膠東換流站換相失敗軟件邏輯設(shè)計(jì)與國內(nèi)其他換流站一致，即判斷直流電流、換流變壓器閥側(cè)電流，根據(jù)上述電氣量的關(guān)系，引起不同的動(dòng)作后果，具體保護(hù)判據(jù)為

其中：

式中：ID為閥廳高壓側(cè)直流電流測(cè)量值和閥廳中性母線側(cè)直流電流測(cè)量值的較大值，A；IVY是Y橋?qū)?yīng)換流變壓器閥側(cè)電流計(jì)算值，A；IVD是D橋?qū)?yīng)換流變壓器閥側(cè)電流計(jì)算值，A；Ia、Ib、Ic為換流變壓器閥側(cè)套管實(shí)際值，A；1.11和0.74分別為程序中設(shè)定的平衡系數(shù)。

軟件邏輯采用STRUC G可視化圖形編程工具，如圖4所示。

圖4 換相失敗軟件邏輯

換相失敗分為單橋換相失敗和任意橋（雙橋）換相失敗兩類。雙橋換相失敗根據(jù)故障特性又分為連續(xù)換相失敗和間斷性換相失敗，針對(duì)上述故障雙橋換相失敗保護(hù)分成快速段、慢速Ⅰ段和慢速Ⅱ段。

3 換相失敗案例分析

3.1 銀東直流膠東換流站交流側(cè)故障引起換相失敗

2014－06－14T06∶31∶06和2014－06－14T06∶31∶08，膠東換流站連續(xù)發(fā)生兩次雙極換相失敗告警。檢查站內(nèi)設(shè)備無異常，故障原因是青島地區(qū)220 kV宜午線發(fā)生A相永久性接地故障，線路單相跳閘重合閘不成功，引起交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)。如圖5故障錄波文件所示。T1即第一次換相失敗故障時(shí)刻，T2為第二次換相失敗故障時(shí)刻。

圖5 換相失敗發(fā)生時(shí)交流側(cè)故障波形

以第二次換相失敗波形為例分析，換流閥Y橋先發(fā)生換相失敗，D橋后發(fā)生換相失敗。換相失敗發(fā)生時(shí)交流側(cè)故障波形如圖6所示。故障前Y橋Y1、Y2導(dǎo)通，故障時(shí)刻06∶31∶08∶037900，當(dāng)Y1向Y3換相時(shí)，由于A相電壓跌落導(dǎo)致熄弧角減小，因此Y3導(dǎo)通后，由于Y1閥未完全關(guān)斷，在Ua＞Ub后，Y1再次導(dǎo)通Y3關(guān)斷，Y4在Y3觸發(fā)后3.3 ms觸發(fā)，因此Y1Y4形成旁通，換流變壓器Y側(cè)三相短路。Y5觸發(fā)脈沖發(fā)出時(shí)，Y5承受反向電壓無法導(dǎo)通，直到Y(jié)5換相至Y1，Y4換相至Y6，換流變壓器閥側(cè)短路才恢復(fù)正常狀態(tài)。

圖6 換相失敗發(fā)生時(shí)交流側(cè)故障波形

圖7 換相失敗發(fā)生時(shí)直流側(cè)故障波形

根據(jù)圖7故障波形可知，06∶31∶08∶037900時(shí)刻，γ角已經(jīng)跌落至11.58°；持續(xù)4 ms后，由換相失敗預(yù)測(cè)功能起作用，使γ角增大至19°，但是交流系統(tǒng)故障電壓波動(dòng)依然存在，致?lián)Q相失敗發(fā)生。

3.2 控制脈沖丟失引起換相失敗仿真分析

RTDS全稱為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，用于研究電力系統(tǒng)中的電磁暫態(tài)現(xiàn)象等。如圖8所示，模擬膠東站單閥丟一個(gè)觸發(fā)脈沖故障。故障前，Y5、Y6導(dǎo)通，在Y5向Y1換相時(shí)（圖中T1時(shí)刻），Y1觸發(fā)脈沖丟失，導(dǎo)致Y1不能導(dǎo)通，自然換相點(diǎn)之后，Y5又承受正向電壓而繼續(xù)導(dǎo)通，Y1觸發(fā)脈沖丟失3.3 ms后Y2觸發(fā)，Y6向Y2換相（T2時(shí)刻），Y2承受正向電壓Ub＞Uc，故Y2、Y5旁通，Y橋直流側(cè)短路；而后Y3觸發(fā)脈沖到來時(shí)，由于Y2、Y5旁通導(dǎo)致Y3承受反向電壓不導(dǎo)通，直到Y(jié)3換向Y5，Y2換向Y4，換流變壓器閥側(cè)短路才恢復(fù)正常狀態(tài)。

圖8 丟失1個(gè)Y1觸發(fā)脈沖故障波形

如圖9所示，通過RTDS仿真，模擬膠東站Y橋閥1、D橋閥1連續(xù)丟觸發(fā)脈沖故障。連續(xù)的換相失敗使換流變壓器交流側(cè)電流呈規(guī)律的故障波形。逢Y1、D1脈沖丟失，發(fā)生換相失敗，且Y2、D2導(dǎo)通時(shí)形成旁通，換流變壓器閥側(cè)三相短路。

圖9 Y1、D1連續(xù)丟觸發(fā)脈沖故意波形

分析直流側(cè)故障特征，換相失敗使直流電流增大2～3倍，直流電壓跌至零，當(dāng)控制脈沖恢復(fù)正常后，故障能夠很快恢復(fù)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中，換相失敗保護(hù)作用檢測(cè)此類故障，300 ms內(nèi)連續(xù)換相失敗直流系統(tǒng)將閉鎖。

綜上所述，若為交流系統(tǒng)電壓畸變引起的換相失敗，有以下特征。

1）通過故障錄波查看交流電壓，交流電壓存在畸變；

2）換相失敗發(fā)生時(shí)，若關(guān)斷角先減小后發(fā)生換相失敗，這說明由于交流電壓的畸變，使關(guān)斷角減小發(fā)生換相失敗，與控制系統(tǒng)無關(guān)；

3）交流電壓畸變引起的換相失敗，在雙極、單極或是單極一個(gè)6脈動(dòng)逆變器都有可能出現(xiàn)，雖然交流電壓對(duì)應(yīng)雙極直流系統(tǒng)，但是由于測(cè)量或控制的微小差異，時(shí)間很短的電壓波動(dòng)時(shí)，對(duì)換相失敗的判別會(huì)產(chǎn)生差異，不一定完全一致。

4 結(jié)語

針對(duì)膠東站幾種換相失敗類型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障波形，對(duì)比分析仿真試驗(yàn)波形，總結(jié)外部交流系統(tǒng)擾動(dòng)和控制脈沖故障情況下典型的故障波形。同時(shí)結(jié)合膠東站換相失敗保護(hù)的軟件邏輯，明確系統(tǒng)擾動(dòng)導(dǎo)致的換相失敗，雖然對(duì)直流系統(tǒng)有不良影響，但是換相失敗保護(hù)功能正常情況下，不會(huì)造成設(shè)備損壞、直流系統(tǒng)停運(yùn)等嚴(yán)重故障。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［2］浙江大學(xué)直流輸電科研組.直流輸電［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1982.

Commutation Failure Protection Principle in Convertor Station

SONG Zhenji1，XING Haiwen2，MA Long1，CHENG Ning1
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Qingdao 266300，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

Commutation failure is one of the common faults in convertor stations.Principle of commutation failure is introduced. On basis of analyzing the fault waveform in HVDC system，the commutation failure caused by AC system faults is compared with the one which is caused by firing pulse faults.The protection design ideas relevant to the commutation failure are analyzed，which have reference significance for future failure analysis.

commutation failure；voltage fluctuation；protection design

TM711

B

1007－9904（2015）05－0045－04

2014－12－10

宋臻吉（1986），男，從事直流換流站檢修工作；

邢海文（1979），男，高級(jí)工程師，從事交、直流電力生產(chǎn)管理；

馬龍（1976），男，高級(jí)工程師，從事交、直流電力生產(chǎn)管理；

程寧（1982），男，從事直流換流站檢修工作。