裘 鵬，王 一，陸 翌，黃曉明，陳 騫，許 烽

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江大學(xué)，杭州 310027；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

柔性直流輸電技術(shù)[1-9]具有優(yōu)越的控制特性及功率翻轉(zhuǎn)能力，是發(fā)展直流電網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)。迄今為止，世界上已有多個(gè)多端柔性直流輸電工程投運(yùn)。從多端柔性直流輸電發(fā)展到直流電網(wǎng)必須解決直流故障分?jǐn)?、隔離和系統(tǒng)快速重啟動(dòng)問(wèn)題，在這方面，國(guó)內(nèi)已率先實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。2016 年12 月29 日，世界首臺(tái)高壓直流斷路器和阻尼恢復(fù)系統(tǒng)在舟山五端柔性直流輸電（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“舟山柔直”）工程投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了多端柔性直流輸電系統(tǒng)的直流故障快速隔離和系統(tǒng)快速重啟[10-13]。2017 年12 月20 日，世界首臺(tái)機(jī)械式高壓直流斷路器在南澳多端柔性直流輸電工程投運(yùn)[14-16]。

目前已有許多文獻(xiàn)討論直流故障的隔離和系統(tǒng)重啟策略[17-18]，但除了南澳工程在投運(yùn)初期開(kāi)展了人工短路試驗(yàn)，未見(jiàn)其他有關(guān)工程應(yīng)用上直流斷路器和故障恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行情況的公開(kāi)報(bào)道。本文詳細(xì)分析了2018 年11 月23 日舟山柔直工程定岱線(xiàn)路遭遇單極接地故障的過(guò)程及直流斷路器和阻尼恢復(fù)系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程。

1 舟山柔直工程直流故障處理邏輯

1.1 舟山柔直拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

舟山柔直工程由舟定換流站（簡(jiǎn)稱(chēng)“舟定站”，下同）、舟岱站、舟衢站、舟泗站和舟洋站五站組成，其容量分別為400 MW，300 MW，100 MW，100 MW，100 MW,交流側(cè)分別接入交流220 kV或110 kV 變電站，直流側(cè)采用樹(shù)狀接線(xiàn)，舟岱站作為中心樞紐站，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 舟山柔直接入結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)故障隔離和快速重啟動(dòng)，五站在換流閥橋臂均配置了阻尼模塊，此外，在舟定站直流出線(xiàn)正負(fù)極各配置一個(gè)直流斷路器，其余四站所有直流線(xiàn)路正極為諧振型直流開(kāi)關(guān)，負(fù)極為普通交流斷路器。系統(tǒng)接線(xiàn)、直流斷路器及阻尼恢復(fù)系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2—4 所示。

圖2 加裝直流斷路器和阻尼恢復(fù)系統(tǒng)的舟山柔直拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 阻尼恢復(fù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 單極接地故障判斷邏輯

一般來(lái)說(shuō)，直流電網(wǎng)對(duì)直流故障處理需要以下幾個(gè)步驟：故障判斷、定位、隔離、重啟。

針對(duì)舟山多端柔直工程，由于采用了偽雙極拓?fù)洌绷鞴收弦话阌袉螛O接地故障和雙極短路故障兩類(lèi)。單極接地故障判斷和保護(hù)邏輯如表1所示。

表1 單極接地故障判斷和保護(hù)邏輯

1.3 故障隔離邏輯

由于舟山五站僅配置了一端的直流斷路器，同時(shí)也未配置快速故障定位裝置，因此無(wú)法進(jìn)行直接故障隔離。故障發(fā)生后通過(guò)如下邏輯實(shí)現(xiàn)故障隔離：

（1）閉鎖所有運(yùn)行的換流站，投入阻尼模塊加速故障電流衰減，并觸發(fā)跳交流進(jìn)線(xiàn)斷路器。

（2）交流斷路器分?jǐn)嗥陂g，利用站間通信開(kāi)展線(xiàn)路差流分析，定位直流故障線(xiàn)路。

（3）若故障線(xiàn)路為定岱線(xiàn)，則直接跳開(kāi)直流斷路器，另一側(cè)待故障電流衰減至500 A 以下后跳開(kāi)諧振斷路器和交流斷路器。

（4）若故障線(xiàn)路為非定岱線(xiàn)，則待故障電流衰減至500 A 以下后跳開(kāi)本側(cè)諧振斷路器和交流斷路器。

1.4 快速重啟動(dòng)邏輯

故障隔離完成后就需要快速開(kāi)展健全系統(tǒng)的恢復(fù)供電，其執(zhí)行步驟如下：

（1）健全系統(tǒng)中的容量較大換流站重合交流斷路器。

（2）直流充電電壓建立后，其余換流站重合交流斷路器。

（3）定直流電壓換流站解鎖。

（4）其余換流站解鎖，恢復(fù)故障前輸送功率。

從故障判斷到重啟動(dòng)完成一般需要500～600 ms。

2 故障經(jīng)過(guò)

2.1 故障前運(yùn)行狀態(tài)

故障前柔直系統(tǒng)舟定、舟岱、舟衢三端聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，其中舟定站定直流電壓控制，送有功功率53 MW（包括系統(tǒng)損耗）；舟岱站定功率控制，受有功功率40 MW，吸收無(wú)功功率20 Mvar；舟衢站定功率運(yùn)行，受有功功率10 MW，吸收無(wú)功功率0 Mvar。

2.2 故障過(guò)程

2018-11-23 T 8：41：13，舟定站、舟岱站、舟衢站后臺(tái)PCP A/B 系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)“直流電壓不平衡保護(hù)Ⅰ段跳閘”“跳閥側(cè)交流斷路器命令已觸發(fā)”“五站連跳命令已觸發(fā)”“永久性閉鎖已觸發(fā)”“本站五站緊急停運(yùn)命令發(fā)出”“定岱線(xiàn)直流線(xiàn)路故障出現(xiàn)”。具體時(shí)序如下：

（1）舟定站

08：41：13：096 直流電壓不平衡保護(hù)Ⅰ段，跳閘；08：41：13：096 換流器閉鎖命令，觸發(fā)；08：41：13：097五站連跳命令，觸發(fā)；08：41：13：097 跳閥側(cè)斷路器命令，觸發(fā)。

（2）舟岱站

08：41：13：096 直流電壓不平衡保護(hù)Ⅰ段，跳閘；08：41：13：096 換流器閉鎖命令，觸發(fā)；08：41：13：097五站連跳命令，觸發(fā)；08：41：13：097 跳閥側(cè)斷路器命令，觸發(fā)。

（3）舟衢站

08：41：13：097 直流電壓不平衡保護(hù)Ⅰ段，跳閘；08：41：13：097 換流器閉鎖命令，觸發(fā)；08：41：13：098五站連跳命令，觸發(fā)；08：41：13：098 跳閥側(cè)斷路器命令，觸發(fā)。

3 故障錄波及分析

本次故障涉及3 個(gè)換流站，其故障期間波形如圖5—7 所示。

圖5 舟定站波形

根據(jù)上述波形可見(jiàn)，三站波形相似，以舟定站波形為例分析：故障后直流電壓迅速發(fā)生變化，在2 ms 內(nèi)正極電壓從200 kV 降至0 kV，負(fù)極電壓從-200 kV 降到-380 kV 左右；同時(shí)，正負(fù)極電流及接地極電流也迅速上升，交流電壓發(fā)生負(fù)向偏置。到定值并延時(shí)10 ms 后三站電壓不平衡保護(hù)動(dòng)作，換流閥閉鎖并跳開(kāi)閥側(cè)交流斷路器。根據(jù)上述電壓電流變化情況，可以判斷直流系統(tǒng)正極極線(xiàn)發(fā)生了單極接地故障。

圖6 舟岱站波形

圖7 舟衢站波形

為判斷故障線(xiàn)路，需分析所有線(xiàn)路正極電流變化，定岱、岱衢2 條線(xiàn)路兩端線(xiàn)路電流如圖8—11 所示。

以故障前時(shí)刻差流為0 作為參考，計(jì)算得到故障后8 ms 線(xiàn)路電流差值如表2 所示?？梢?jiàn)，岱衢線(xiàn)差流非常小，定岱線(xiàn)出現(xiàn)明顯差流，因此可以確定定岱線(xiàn)發(fā)生正極接地短路。

待系統(tǒng)閉鎖且故障位置明確后，系統(tǒng)跳開(kāi)故障線(xiàn)路兩側(cè)斷路器，舟定站直流側(cè)采用混合式高壓直流斷路器，但由于故障電流較小，斷路器屬于慢分，隔離故障需要30 多毫秒，舟岱站線(xiàn)路采用了諧振斷路器，需要直流電流下降至500 A以下方可開(kāi)斷，隔離故障時(shí)間稍長(zhǎng)。

圖8 定岱線(xiàn)舟定站側(cè)正極直流故障電流

圖9 定岱線(xiàn)舟岱站側(cè)正極直流故障電流

圖10 岱衢線(xiàn)舟岱站側(cè)正極直流故障電流

圖11 岱衢線(xiàn)舟衢站側(cè)正極直流故障電流

表2 線(xiàn)路差流

為保障系統(tǒng)供電，故障隔離完成后需要重啟動(dòng)健全系統(tǒng)，因此舟岱站、舟衢站及舟衢線(xiàn)需要快速重啟動(dòng)。舟岱站交流側(cè)斷路器在故障發(fā)生451 ms 后重新合閘充電并解鎖，舟衢站在故障發(fā)生681 ms 后重合閘充電、解鎖并恢復(fù)至故障前運(yùn)行狀態(tài)，具體波形如圖12—13 所示。

圖12 舟岱站重啟動(dòng)波形

圖13 舟衢站重啟動(dòng)波形

由圖12—13 可見(jiàn)，重啟動(dòng)后舟岱站作為定直流電壓站平衡系統(tǒng)功率，舟衢站依舊為定功率運(yùn)行，并恢復(fù)至故障前輸送功率，因此最終由舟岱站向舟衢站輸送有功功率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了加裝高壓直流斷路器和阻尼恢復(fù)系統(tǒng)后的舟山五端柔性直流輸電工程直流故障隔離和系統(tǒng)重啟策略。

（1）定岱線(xiàn)正極接地故障期間保護(hù)與控制動(dòng)作邏輯、選線(xiàn)邏輯和系統(tǒng)重啟動(dòng)邏輯符合設(shè)計(jì)要求。

（2）本次故障電流較小，不利于轉(zhuǎn)移支路進(jìn)入工作狀態(tài)，高壓直流斷路器滿(mǎn)速分?jǐn)喙收想娏?。諧振斷路器只具備較小直流電流開(kāi)斷能力，系統(tǒng)仍需要全停隔離故障后重啟動(dòng)。