宋海龍，史 磊，劉若鵬

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

特高壓換流站直流穿墻套管故障動(dòng)作策略?xún)?yōu)化

宋海龍，史 磊，劉若鵬

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

針對(duì)特高壓換流站直流穿墻套管故障導(dǎo)致健全換流器閉鎖的問(wèn)題，采用一種增加特高壓換流站換流器差動(dòng)保護(hù)區(qū)域的方法，避免單極閉鎖后發(fā)生直流系統(tǒng)接地電流過(guò)大引起直流偏磁的危害。應(yīng)用結(jié)果表明：直流穿墻套管故障引起健全換流器自動(dòng)重啟策略對(duì)直流系統(tǒng)利用率有著顯著提升。

穿墻套管；換流器差動(dòng)保護(hù)；動(dòng)作策略；直流偏磁

特高壓直流穿墻套管作為換流站直流場(chǎng)和閥廳的連接設(shè)備，在整個(gè)直流輸電工程中處于“咽喉”位置［1］。直流穿墻套管結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，制造難度較大［2］；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝要求及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)較高［3-4］，大功率運(yùn)行時(shí)具有故障機(jī)率高的特點(diǎn)［5-6］。隨著特高壓換流站傳輸能力的不斷提升，直流穿墻套管的性能好壞將是嚴(yán)重制約換流站直流電壓等級(jí)突破發(fā)展的重要因素［7-8］。直流穿墻套管故障可引起同一極內(nèi)健全換流器同時(shí)閉鎖，致使直流系統(tǒng)單極閉鎖時(shí)，其直流功率損失較大，系統(tǒng)利用率大大降低。

1 問(wèn)題分析

2015年1月25日，天中直流中州站極Ⅰ800 kV極母線(xiàn)直流穿墻套管閃絡(luò)，導(dǎo)致3套極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，致使極Ⅰ直流系統(tǒng)閉鎖，損失直流功率3.8 GW；2015年7月13日，賓金直流金華站極Ⅱ800 kV極母線(xiàn)直流穿墻套管內(nèi)部故障導(dǎo)致3套極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，致使極Ⅱ直流系統(tǒng)閉鎖，損失功率4 GW［9-10］。據(jù)統(tǒng)計(jì)［11-13］，目前已投運(yùn)特高壓換流站中閥廳直流穿墻套管故障均屬于極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)范圍，通常由極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)而非換流器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作來(lái)閉鎖單極以隔離故障，致使該極健全換流器與故障換流器一樣造成閉鎖，使直流功率損失增大，嚴(yán)重降低了直流系統(tǒng)的利用率。

2 解決方案

2.1 動(dòng)作策略

為了提高直流系統(tǒng)利用率，針對(duì)中州站和金華站2起由于直流穿墻套管故障導(dǎo)致單極閉鎖的案例特點(diǎn)，本文提出了一種優(yōu)化特高壓換流站換流器差動(dòng)保護(hù)區(qū)域的方法，其動(dòng)作策略是：將直流穿墻套管閥廳側(cè)光電流互感器移至直流場(chǎng)PLC電抗器外側(cè)，從而將直流穿墻套管納入換流器差動(dòng)保護(hù)區(qū)域，一旦穿墻套管發(fā)生故障，則改由換流器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作來(lái)消除故障。

如圖1所示，以極Ⅰ為例，將直流穿墻套管閥廳側(cè)光電流互感器T11、T12、T21、T22移至直流場(chǎng)PLC電抗器外側(cè)，將直流穿墻套管由極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)區(qū)域改為換流器差動(dòng)保護(hù)區(qū)域，從而縮小直流穿墻套管故障時(shí)的影響范圍。

圖1 光電流互感器測(cè)點(diǎn)位置

例如，當(dāng)特高壓換流站兩端均處于雙極4換流器運(yùn)行、站間通訊正常，且均為雙極功率控制模式時(shí)，任意一個(gè)換流器直流穿墻套管發(fā)生故障后，首先閉鎖該故障點(diǎn)所在極，使故障點(diǎn)快速熄弧，待隔離該故障點(diǎn)所在換流器后，再重啟該極另一個(gè)健全換流器，實(shí)現(xiàn)雙極三換流器平衡運(yùn)行，從而達(dá)到提升直流系統(tǒng)利用率的目的，并且有效降低了單極大地回線(xiàn)運(yùn)行的時(shí)間。

2.2 策略?xún)?yōu)化

2.2.1 試驗(yàn)條件

該動(dòng)作策略需具備以下試驗(yàn)條件：站間通信正常，當(dāng)站間通信故障時(shí)不執(zhí)行重啟；控制保護(hù)系統(tǒng)中直流場(chǎng)相關(guān)開(kāi)關(guān)、刀閘設(shè)備狀態(tài)指示應(yīng)與一次設(shè)備保持一致；直流極母線(xiàn)及健全換流器等設(shè)備無(wú)異常，運(yùn)行回路狀態(tài)良好；兩極均為雙極功率控制；極閉鎖再重啟后雙極功率值為重啟時(shí)刻另一極的功率值；進(jìn)行極隔離時(shí)，若出現(xiàn)中性母線(xiàn)斷路器啟動(dòng)失靈，則中止后續(xù)操作；預(yù)定時(shí)間內(nèi)未能重啟成功，則撤銷(xiāo)重啟指令。

2.2.2 控制保護(hù)策略?xún)?yōu)化

由于換流器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)極差動(dòng)保護(hù)也有可能動(dòng)作，所以當(dāng)直流穿墻套管故障后自動(dòng)重啟健全換流器時(shí)，需進(jìn)一步調(diào)整極差動(dòng)保護(hù)出口的動(dòng)作策略。

（1）當(dāng)極差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，若有換流器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，則認(rèn)為是換流器保護(hù)區(qū)域故障，執(zhí)行重啟健全換流器的動(dòng)作時(shí)序。此時(shí)，極差動(dòng)保護(hù)僅跳故障換流器交流進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)，而健全換流器交流進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)不跳閘，執(zhí)行重啟健全換流器的動(dòng)作時(shí)序。

（2）當(dāng)極差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，若無(wú)換流器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，則認(rèn)為是極保護(hù)區(qū)域故障，執(zhí)行跳開(kāi)高、低端換流器交流開(kāi)關(guān)，不重啟換流器的動(dòng)作時(shí)序。

如圖2所示，直流穿墻套管故障后重啟健全換流器的動(dòng)作時(shí)序：當(dāng)某一個(gè)閥組直流穿墻套管發(fā)生故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)閥組的換流器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，極閉鎖，極隔離，跳開(kāi)故障換流器交流進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)，本站故障換流器隔離，對(duì)站對(duì)應(yīng)換流器隔離，本站極連接，重啟健全換流器。

圖2 直流穿墻套管故障后重啟健全換流器動(dòng)作時(shí)序

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在靈紹直流工程施工期間，現(xiàn)場(chǎng)已將直流穿墻套管閥廳側(cè)光電流互感器移至直流場(chǎng)PLC電抗器外側(cè)，滿(mǎn)足增加換流器差動(dòng)保護(hù)區(qū)域的基本條件。

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

在靈紹直流工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試期間，通過(guò)軟件置數(shù)模擬直流穿墻套管故障，對(duì)自動(dòng)重啟健全換流器的新策略進(jìn)行了充分驗(yàn)證。

當(dāng)雙極4換流器運(yùn)行，輸送功率800 MW，直流電流500 A時(shí)，模擬整流站極Ⅰ高端閥組直流穿墻套管發(fā)生擊穿故障，則故障套管所在極被閉鎖，隨即隔離故障換流器（對(duì)站隔離相對(duì)應(yīng)換流器），待滿(mǎn)足判據(jù)條件后再重啟健全換流器，其保護(hù)動(dòng)作及重啟過(guò)程如下：

（1）正常運(yùn)行時(shí)，電流 IDCP=IDCN=500 A，差流為0。

（2）當(dāng)極Ⅰ高端換流器直流穿墻套管故障時(shí)，該換流器的差動(dòng)保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作。

（3）換流器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作閉鎖極Ⅰ后，極Ⅱ帶800 MW運(yùn)行。

與此同時(shí)，直流控制程序自動(dòng)重啟極Ⅰ低端換流器功能，執(zhí)行過(guò)程如下：

（a）極Ⅰ極閉鎖；

（b）極Ⅰ高端換流器由連接轉(zhuǎn)隔離，極Ⅰ低端換流器保持連接狀態(tài)不變；

（c）極Ⅰ極連接；

（d）極Ⅰ低端換流器重啟，與極Ⅱ高、低端雙極3換流器平衡運(yùn)行，功率均為266.7 MW。

圖3為極Ⅰ低端換流器自動(dòng)重啟實(shí)際波形圖。其中，（a）圖左側(cè)標(biāo)示處直流電壓UDL為398.126 kV，（b）圖左側(cè)標(biāo)示處直流電流為699.614 A，則直流功率為278.5 MW；（a）圖右側(cè)色標(biāo)示處直流電壓UDL為397.111 kV，（b）圖右側(cè)標(biāo)示處直流電流IDCP為648.382 A，則直流功率為257.5 MW，故極Ⅰ低端換流器在266.7 MW附近運(yùn)行，極Ⅰ高端閥組處于停運(yùn)狀態(tài)。

圖3 極Ⅰ低端換流器自動(dòng)重啟波形

（e）極Ⅰ以單換流器功率266.7 MW啟動(dòng)運(yùn)行后，極Ⅱ?yàn)殡p換流器運(yùn)行，兩極均為雙極功率控制模式，雙極功率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡，使接地極電流為零。此時(shí)，極Ⅰ功率為266.7 MW運(yùn)行，極Ⅱ功率為533.3 MW運(yùn)行，即雙極800 MW運(yùn)行，故障后無(wú)功率損失。

基于以上試驗(yàn)初始條件，當(dāng)采用以往動(dòng)作策略時(shí)，極Ⅰ高端換流器直流穿墻套管發(fā)生故障，則極Ⅰ極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，故障套管所在極被直接閉鎖而健全換流器不再重啟，致使直流系統(tǒng)處于極Ⅱ單極800 MW大地回線(xiàn)運(yùn)行，其接地極電流較大，為1 kA。

2.3.2 網(wǎng)聯(lián)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

在靈紹直流網(wǎng)聯(lián)調(diào)試期間，通過(guò)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行直流穿墻套管故障模擬，反復(fù)驗(yàn)證健全換流器自動(dòng)重啟邏輯的正確性。

當(dāng)直流系統(tǒng)雙極4換流器8 GW滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，整流站極Ⅰ高端換流器直流穿墻套管發(fā)生故障時(shí)，換流器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作閉鎖極Ⅰ后，極Ⅱ先進(jìn)入3 s過(guò)負(fù)荷4.8 GW運(yùn)行，隨即進(jìn)入2 h過(guò)負(fù)荷4.2 GW運(yùn)行。當(dāng)極Ⅰ低端閥換流器2 00 MW功率重啟后，極Ⅰ為單換流器運(yùn)行，極Ⅱ?yàn)殡p換流器運(yùn)行，雙極均為雙極功率控制模式，雙極功率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡，使接地極電流為零。此時(shí)，極Ⅰ為1.4 GW運(yùn)行，極Ⅱ?yàn)?.8 GW運(yùn)行，損失功率3.8 GW。

基于以上滿(mǎn)負(fù)荷試驗(yàn)條件，當(dāng)采用以往動(dòng)作策略時(shí)，極Ⅰ高端換流器直流穿墻套管發(fā)生故障，則極Ⅰ極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，故障套管所在極被直接閉鎖而健全換流器不再重啟，致使極Ⅱ處于單極4 GW大地回線(xiàn)運(yùn)行，其接地極電流更大，為5 kA，損失功率4 GW。

3 效果評(píng)價(jià)

3.1 技術(shù)對(duì)比

在現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和網(wǎng)聯(lián)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中，采用以往策略時(shí)大地中均要流過(guò)較大的直流電流，其產(chǎn)生的直流偏磁將嚴(yán)重影響換流變及周?chē)儔浩鞯陌踩€(wěn)定運(yùn)行［14-15］，而采用新策略時(shí)大地中流過(guò)的直流電流為零，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

以直流系統(tǒng)雙極4換流器8 GW滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，整流站某一換流器直流穿墻套管發(fā)生故障為例，新策略下自動(dòng)重啟健全換流器可減少200 MW的直流功率損失，也就相當(dāng)于2 h事故處理期間可節(jié)省約15.5萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)論

（1）本文提出了一種通過(guò)將閥廳內(nèi)光電流互感器外移而增加換流器差動(dòng)保護(hù)區(qū)域的方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和網(wǎng)聯(lián)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了直流穿墻套管故障后自動(dòng)重啟健全換流器控制保護(hù)功能的正確性。

（2）直流穿墻套管故障引起健全換流器自動(dòng)重啟策略對(duì)直流系統(tǒng)利用率有著顯著提升，可避免單極閉鎖后發(fā)生直流系統(tǒng)接地極電流過(guò)大引起直流偏磁的危害。

（3）直流穿墻套管故障引起健全換流器自動(dòng)重啟策略降低了直流穿墻套管故障時(shí)直流功率的損失，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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Optimization of DC wall bushing faults action strategy in UHV converter station

SONG Hailong，SHI Lei，LIU Ruopeng
(Maintenance Filiale of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China)

Aiming at the problem of DC wall bushing faults leading to the healthy converter blocking in UHV converter station,using the method of enlarging the converter differential protection area of UHV converter station avoids the hazard of DC magnetic bias due to large DC system earth current after the monopoles blocking.The result shows that the automatic restart strategy of the healthy converter causing by DC wall bushing faults can promote significantly the utilization ratio of DC system.

wall bushing;converter differential protection;action strategy;DC magnetic bias

TM721.1

B

1672-3643（2017）01-0044-04

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.009

2016-10-26

宋海龍（1988），男，工學(xué)碩士，助理工程師，從事交直流測(cè)量裝置的研究。

有效訪(fǎng)問(wèn)地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.009