， ，(. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 6004;.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 6004)

0 引 言

目前，直流電流融冰法和過(guò)電流融冰方法是最為成熟可行的兩種融冰手段。其中直流電流融冰法由于不受線(xiàn)路交流電抗的影響，所需電源容量能夠大大降低[1-3]。該方法將覆冰線(xiàn)路作為負(fù)載，施加直流電源，用較低電壓提供短路電流加熱導(dǎo)線(xiàn)使覆冰融化，一般采用發(fā)電機(jī)電源整流和采用系統(tǒng)電源的可控硅整流兩種方案[4-6]。前者雖可減少投資但卻受發(fā)電機(jī)組容量與融冰所需容量的限制，大多情況都不滿(mǎn)足需求；因此采用系統(tǒng)電源的可控硅整流融冰是直流融冰方法中的熱點(diǎn)，其適用性更強(qiáng)，可根據(jù)不同情況調(diào)節(jié)直流融冰電壓，使之滿(mǎn)足不同應(yīng)用環(huán)境的需要，是現(xiàn)有融冰方法中最理想的一種[7-10]。

下面對(duì)不同融冰方式下單極接地故障下直流融冰裝置的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，揭示PT飽和及熔絲熔斷的機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況提出改進(jìn)現(xiàn)有融冰裝置直流單極對(duì)地保護(hù)控制策略，并通過(guò)電磁暫態(tài)仿真建模驗(yàn)證所提對(duì)策的可行性。

1 直流融冰裝置在直流單極接地故障下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

1.1 直流單極接地故障下融冰裝置的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

目前直流融冰裝置主要有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：一是通過(guò)整流變壓器和整流裝置帶線(xiàn)路融冰，當(dāng)直流單極接地故障時(shí)可通過(guò)整流變壓器實(shí)現(xiàn)兩側(cè)系統(tǒng)的電氣隔離；二是通過(guò)換相電抗器和6脈動(dòng)整流裝置帶線(xiàn)路融冰，如圖1所示，下面主要討論這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)融冰裝置的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 直流融冰裝置接入電網(wǎng)示意圖

目前，圖1所示直流融冰裝置的融冰工作模式主要有1-1和1-2型兩種融冰模式。其中1-1型融冰模式的切換過(guò)程如圖2所示，設(shè)單相線(xiàn)路融冰的周期時(shí)間為T(mén)，三相線(xiàn)路融冰時(shí)間約為1.5T。對(duì)于A(yíng)C相融冰方式，WPQ11、WNQ11閉合，AC相融冰時(shí)間為T(mén)/2；對(duì)于BC相融冰方式，WPQ12、WNQ11閉合，BC相融冰時(shí)間為T(mén)/2；對(duì)于A(yíng)B相融冰方式，WPQ11、WNQ12閉合，AB相融冰時(shí)間為T(mén)/2。

1-2型融冰模式的切換過(guò)程如圖3所示，三相線(xiàn)路融冰時(shí)間約為2T。對(duì)于A(yíng)B-C融冰方式，WPQ11、WPQ12、WNQ11閉合，AB并聯(lián)及C相融冰時(shí)間為2T/3；對(duì)于BC-A融冰方式：WPQ11、WNQ11、WNQ12閉合，BC并聯(lián)及A相融冰時(shí)間為2T/3。

由于在1-2型融冰工作模式下線(xiàn)路總的直流電阻較小，所要求的直流融冰電源的功率相對(duì)較小，與1-1型融冰工作模式相比較總?cè)萘繙p小約1/4。1-2融冰模式可選擇作為較長(zhǎng)線(xiàn)路的融冰工作模式。

當(dāng)發(fā)生直流單極接地故障時(shí)，直流正負(fù)極電壓不對(duì)稱(chēng)，該直流電壓分量通過(guò)六脈動(dòng)整流閥直接耦合注入交流電網(wǎng)，引發(fā)交流側(cè)中性點(diǎn)電壓大幅度偏移，存在較大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 1-1型融冰模式

圖3 1-2型融冰模式

圖4給出了采用1-1型融冰模式、融冰電流達(dá)到4 000 A時(shí)對(duì)340 km的500 kV線(xiàn)路進(jìn)行融冰的仿真結(jié)果。在t=20 s時(shí)刻設(shè)置融冰線(xiàn)路B相近融冰裝置接入變電站側(cè)發(fā)生單相永久金屬性接地故障。不難看出，當(dāng)t<20 s時(shí)，融冰裝置直流正負(fù)極對(duì)地電壓上下對(duì)稱(chēng)，發(fā)生故障后直流正極對(duì)地平均電壓UdcP升高至30 kV，直流負(fù)極對(duì)地平均電壓UdcN約為0，導(dǎo)致中性點(diǎn)對(duì)地平均電壓Udc0(Udc0=(UdcP+UdcN)/2)從0升高至18.06 kV，該直流分量通過(guò)整流閥、換相電抗器耦合至35 kV交流母線(xiàn)(UDCS)，導(dǎo)致電磁式母線(xiàn)電壓互感器流過(guò)的直流電流達(dá)到1.26 A。直流電流流經(jīng)母線(xiàn)PT一次繞組，一方面將引起PT不對(duì)稱(chēng)飽和，從而使得測(cè)量不準(zhǔn)；另一方面，按照35 kV PT熔絲的熔斷電流通常設(shè)定為0.5 A進(jìn)行計(jì)算，該直流電流已足以導(dǎo)致PT熔絲熔斷。

圖4 1-1型模式下直流融冰線(xiàn)路B相近融冰裝置接入站側(cè)發(fā)生單相接地時(shí)的仿真波形

類(lèi)似地，圖5給出了采用1-2型融冰模式、融冰電流達(dá)到4 000 A時(shí)在同一點(diǎn)發(fā)生單極接地故障時(shí)的仿真波形。發(fā)生故障后流過(guò)PT的電流達(dá)到1.1 A，直流側(cè)中性點(diǎn)對(duì)地電壓和交流電壓的直流分量達(dá)到為15.78 kV。

目前，當(dāng)直流線(xiàn)路接地故障引起直流單極接地電壓超過(guò)其定值時(shí)，直流單極對(duì)地保護(hù)啟動(dòng)，但是直流單極對(duì)地保護(hù)僅觸發(fā)故障告警，不觸發(fā)閥閉鎖和斷路器跳閘，交流系統(tǒng)也缺乏針對(duì)直流電流的保護(hù)，存在較大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 1-2型模式下直流融冰線(xiàn)路B相近融冰裝置接入站側(cè)發(fā)生單相接地時(shí)的仿真波形

1.2 融冰線(xiàn)路不同位置發(fā)生單相接地故障時(shí)風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算

由于直流融冰大多采用1-2型模式，因此以下分析均建立在1-2型融冰模式基礎(chǔ)上。在直流融冰時(shí)，直流正極對(duì)地平均電壓UdcP和負(fù)極對(duì)地平均電壓UdcN主要與融冰線(xiàn)路的等效電阻有關(guān)，假設(shè)單相線(xiàn)路的電阻為R，圖6分別考慮一去兩回融冰模式下，在融冰線(xiàn)路不同點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)直流側(cè)等效示意圖。以A-BC方式為例，當(dāng)A相某點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)與直流正極之間的線(xiàn)路電阻為X，如圖6(a)所示；同理當(dāng)B相某點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)與直流負(fù)極間的線(xiàn)路電阻為X，如圖6(b)所示。

圖6 一去兩回融冰方式下在融冰線(xiàn)路不同位置發(fā)生單相接地時(shí)的直流側(cè)等效示意圖

因此，當(dāng)線(xiàn)路A相發(fā)生單相接地故障時(shí)，直流正極、負(fù)極對(duì)地平均電壓UdcP和UdcN分別為

(1)

正負(fù)極對(duì)地電壓平均值的絕對(duì)值之差為

|UdcP|-|UdcN|=(2X-1.5R)Idc,0≤X≤R

(2)

由此說(shuō)明，正負(fù)極對(duì)地電壓平均值的絕對(duì)值之差在[-1.5RIdc，0.5RIdc]之間變化。當(dāng)線(xiàn)路B或C相發(fā)生接地故障時(shí)，UdcP和UdcN分別為

(3)

正負(fù)極對(duì)地電壓平均值的絕對(duì)值之差為

|UdcP|-|UdcN|=(1.5R-X)Idc,0≤X≤R

(4)

可以看出，其值在[0.5RIdc，1.5RIdc]變化。

根據(jù)上述推導(dǎo)，圖7給出了當(dāng)融冰電流為4 000 A、融東天線(xiàn)時(shí)在線(xiàn)路不同位置發(fā)生故障時(shí)正負(fù)極對(duì)地電壓平均值的絕對(duì)值之差的變化范圍?？梢钥闯?，隨著故障點(diǎn)位置的變化，對(duì)地電壓絕對(duì)值之差分別在-31.54～10.51 kV、10.51～31.54 kV之間變化。

從式(2)、式(4)并結(jié)合圖7看出，直流正負(fù)極對(duì)地電壓平均值絕對(duì)值之差的最小值Umin和最大值Umax(不計(jì)正負(fù))分別為0.5RIdc和1.5RIdc，最大值點(diǎn)出現(xiàn)在直流正極或負(fù)極處。

圖7 當(dāng)直流融冰電流為4 000 A時(shí)融東天線(xiàn)時(shí)正負(fù)極對(duì)地電壓平均值絕對(duì)值之差隨故障點(diǎn)變化的曲線(xiàn)

圖8 直流正負(fù)極對(duì)地電壓平均值絕對(duì)值之差最小值、最大值與融冰電流的關(guān)系曲線(xiàn)

圖8則給出了融東天線(xiàn)時(shí)Umin和Umax隨融冰電流變化的關(guān)系曲線(xiàn)。按照35 kV PT熔絲熔斷電流為0.5 A，并考慮到一定的裕度，即根據(jù)35 kV PT一次側(cè)電流達(dá)到0.2 A時(shí)的臨界電壓Ulim來(lái)確定發(fā)生直流單極接地閉鎖時(shí)晶閘管閥觸發(fā)脈沖的啟動(dòng)條件。當(dāng)Umax>Ulim時(shí)即啟動(dòng)閉鎖晶閘管閥觸發(fā)脈沖，反之當(dāng)Umax≤Ulim時(shí)，則繼續(xù)融冰，也即是說(shuō)只要在某融冰電流下Umax≤Ulim，則Umin≤Ulim肯定滿(mǎn)足；若Umax>Ulim，則在該融冰電流下線(xiàn)路上某點(diǎn)發(fā)生單點(diǎn)故障則會(huì)引起PT一次側(cè)電流超過(guò)0.2 A。

進(jìn)一步地，在PSCAD直流融冰模型的基礎(chǔ)上搭建35 kV PT模型，設(shè)置不同的融冰電流，在東天線(xiàn)路B相東坡站出口處設(shè)置單相接地故障(因?yàn)樵擖c(diǎn)對(duì)應(yīng)的直流正負(fù)極對(duì)地電壓平均值絕對(duì)值之差最大)，檢測(cè)35 kV PT一次側(cè)電流，仿真結(jié)果如表1所示。相應(yīng)地，圖9給出了正負(fù)極對(duì)地電壓平均值絕對(duì)值之差與PT一次側(cè)電流的關(guān)系曲線(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)擬合結(jié)果得知，當(dāng)絕對(duì)值之差為6.22 kV時(shí)，PT一次側(cè)電流為0.2 A，對(duì)應(yīng)的直流融冰電流為788 A。

從上述分析看出，當(dāng)直流正負(fù)極對(duì)地電壓平均值的絕對(duì)值之差小于6.22 kV，PT一次側(cè)電流都不會(huì)大于0.2 A(PT飽和電流為0.5 A，考慮一定的裕度)，因此設(shè)置直流單極接地保護(hù)定值為6.22 kV，為保證交流側(cè)PT的安全運(yùn)行，將保護(hù)動(dòng)作修改為閉鎖晶閘管閥，停止融冰。

表1 不同融冰電流下在東天線(xiàn)路B相東坡站出口處發(fā)生單相接地故障時(shí)PT電流

圖9 直流正負(fù)極對(duì)地電壓平均值絕對(duì)值之差與PT一次側(cè)電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系及擬合曲線(xiàn)

2 防止直流融冰啟動(dòng)過(guò)程誤動(dòng)作對(duì)策

考慮到直流融冰裝置啟動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)一定的沖擊電流和直流電壓調(diào)整過(guò)程，需要確保直流單極接地保護(hù)在融冰裝置啟動(dòng)階段不會(huì)誤動(dòng)作，因此對(duì)直流融冰啟動(dòng)階段進(jìn)行仿真核實(shí)。

表2 采用不同融冰電流目標(biāo)值的啟動(dòng)過(guò)程相關(guān)參數(shù)結(jié)果

表2給出了設(shè)定不同融冰啟動(dòng)電流目標(biāo)值、融冰線(xiàn)路無(wú)任何單相接地的正常啟動(dòng)過(guò)程中直流正負(fù)極對(duì)地平均值的絕對(duì)值之差最大值和PT一次側(cè)電流最大值。圖10和11分別給出了設(shè)置目標(biāo)融冰電流為788 A和2 750 A時(shí)融冰裝置在融冰線(xiàn)路無(wú)單相接地故障時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程仿真結(jié)果。

圖10 直流融冰裝置在融冰線(xiàn)路無(wú)單相接地時(shí)的正常啟動(dòng)過(guò)程(設(shè)置目標(biāo)融冰電流為788 A)

圖11 直流融冰裝置在融冰線(xiàn)路無(wú)單相接地時(shí)的正常啟動(dòng)過(guò)程(設(shè)置目標(biāo)融冰電流為2 750 A)

結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)定融冰電流目標(biāo)值大于等于2 750 A時(shí)，在啟動(dòng)過(guò)程中直流正負(fù)極對(duì)地電壓平均值絕對(duì)值之差的最大值超過(guò)6.22 kV，盡管PT一次側(cè)電流并未超過(guò)0.2 A，但已滿(mǎn)足融冰電流大于788 A且直流正負(fù)極對(duì)地電壓平均值的絕對(duì)值之差大于6.22 kV的條件，從而導(dǎo)致直流融冰裝置單極接地保護(hù)動(dòng)作。因此，為了避開(kāi)直流融冰啟動(dòng)過(guò)程單極接地保護(hù)的誤動(dòng)作，融冰裝置的啟動(dòng)電流應(yīng)遠(yuǎn)小于2 750 A，待裝置啟動(dòng)流程完成后再增加融冰電流設(shè)定值，確保融冰裝置的正常啟動(dòng)。

另一方面，在啟動(dòng)過(guò)程中若融冰線(xiàn)路已發(fā)生單極接地，只要達(dá)到單極接地保護(hù)的條件也應(yīng)正確動(dòng)作，圖12給出了融冰電流目標(biāo)值為788 A時(shí)東天線(xiàn)路B相東坡站出口處發(fā)生單相接地時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程仿真波形，這個(gè)過(guò)程已達(dá)到直流融冰裝置單極接地保護(hù)動(dòng)作條件，單極接地保護(hù)正確動(dòng)作。

圖12 直流融冰裝置在融冰線(xiàn)路發(fā)生單相接地時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程(設(shè)置目標(biāo)融冰電流為788 A)

綜上所述，按照35 kV PT熔絲的熔斷電流為0.5 A，并考慮到一定的裕度，建議PT一次電流達(dá)到0.2 A時(shí)即啟動(dòng)單極接地保護(hù)。經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)和仿真校驗(yàn)，建議東坡站直流融冰裝置單極接地保護(hù)修改方案為：當(dāng)直流電流大于788 A且直流正負(fù)極對(duì)地電壓平均值的絕對(duì)值之差大于6.22 kV時(shí)，直流單極接地保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作邏輯修改為閉鎖晶閘管觸發(fā)脈沖；同時(shí)為了防止融冰裝置啟動(dòng)階段的誤動(dòng)作，融冰裝置在啟動(dòng)過(guò)程中的融冰電流設(shè)定值應(yīng)遠(yuǎn)小于2 750 A，建議啟動(dòng)融冰電流設(shè)定值小于1 000 A，確保融冰裝置能夠正常啟動(dòng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

上面評(píng)估和量化了不同融冰方式下單極接地故障時(shí)直流融冰裝置的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，揭示了PT飽和及熔絲熔斷的機(jī)理，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況提出了現(xiàn)有融冰裝置直流單極對(duì)地保護(hù)改進(jìn)措施，并通過(guò)

電磁暫態(tài)仿真建模驗(yàn)證了該對(duì)策的可行性。結(jié)果表明，所提出的方法能夠有效地降低直流單極接地故障下直流融冰裝置的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)融冰、防范直流融冰裝置單極接地故障下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)具有較好的實(shí)用性。

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