張瑞，甘戰(zhàn)，陳慧

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

某電站送電廣東直流輸電工程，即牛從直流輸電系統(tǒng)是世界上首個(gè)±500 kV同塔雙回直流輸電工程，包括牛從甲、牛從乙兩回直流輸電系統(tǒng)。牛從甲、牛從乙直流輸電線路部分區(qū)段為雙回同桿架設(shè)，線路總長(zhǎng)超過(guò)1200 km，沿途經(jīng)過(guò)多段20 mm、30 mm重冰區(qū)，其地線每年出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰情況?！?00 kV牛寨換流站為牛從直流輸電系統(tǒng)送端換流站，雙回共站建設(shè)，站內(nèi)配置一套固定式直流融冰裝置（35 kV#1融冰裝置），可對(duì)牛從甲、乙回直流輸電線路地線進(jìn)行融冰。為提高直流通道送電能力，一般采取需融冰回停運(yùn)、另一回保持運(yùn)行的方式進(jìn)行融冰。2021年初融冰過(guò)程中，出現(xiàn)融冰裝置啟動(dòng)過(guò)程中受感應(yīng)電壓影響跳閘情況，導(dǎo)致融冰功能不可用，嚴(yán)重影響冰期線路安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力供應(yīng)。

1 35 kV #1融冰裝置受感應(yīng)電壓影響

1.1 融冰裝置及功能概況

牛寨換流站35 kV #1融冰裝置額定容量60 MW、額定電壓±20 kV、額定電流1500 A，2014年1月投運(yùn)。融冰裝置換流閥由Y橋和D橋串接組成，Y橋、D橋各6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂11只晶閘管串聯(lián)。為保護(hù)換流閥，每個(gè)橋臂檢測(cè)到2只及以上晶閘管擊穿故障時(shí)，融冰裝置跳閘。各晶閘管配置一塊TE板，TE板接收來(lái)自脈沖柜發(fā)出的光編碼信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生門極強(qiáng)觸發(fā)脈沖觸發(fā)可控硅，觸發(fā)的同時(shí)監(jiān)視晶閘管的工作狀態(tài)，并把信號(hào)傳回脈沖柜供其檢測(cè)。TE板由RC阻尼回路從晶閘管兩端取能。融冰換流變進(jìn)線開(kāi)關(guān)合上后，閥控系統(tǒng)開(kāi)始晶閘管擊穿檢測(cè)。正常工作時(shí)，每個(gè)周波在晶閘管兩端會(huì)產(chǎn)生一定幅值的截止電壓，TE板將該電壓轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并輸入至脈沖柜內(nèi)的擊穿檢測(cè)板監(jiān)測(cè)。晶閘管被擊穿后，截止電壓會(huì)消失，脈沖柜內(nèi)的擊穿檢測(cè)板接收不到截止電壓信號(hào)，判斷該晶閘管擊穿。

圖1 晶閘管級(jí)接線示意圖

該裝置可為牛從甲、乙直流輸電線路地線及牛寨側(cè)接地極線路進(jìn)行融冰。其中，對(duì)牛從直流輸電線路地線進(jìn)行融冰時(shí)，可通過(guò)雙回同停和一回運(yùn)行一回停運(yùn)方式開(kāi)展。

圖2 牛從直流輸電系統(tǒng)雙回同桿架設(shè)示意圖（其中，I回指牛從甲、II回指牛從乙）

圖3為牛寨站35 kV #1融冰裝置接線示意圖。圖中，3141為融冰換流變交流側(cè)進(jìn)線刀閘，314為融冰換流變交流側(cè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，05201為融冰裝置正極母線牛從乙直流極1線路選線刀閘，05202為融冰裝置負(fù)極母線牛從乙直流極2線路選線刀閘。

圖3 牛寨站35 kV #1融冰裝置接線示意圖

1.2 融冰裝置啟動(dòng)跳閘分析

2021年1月，牛從甲直流雙極運(yùn)行、牛從乙直流雙極停運(yùn)，利用牛寨站35 kV #1融冰裝置對(duì)停運(yùn)的牛從乙直流輸電線路地線進(jìn)行融冰，融冰裝置操作合上牛從乙直流線路選線刀閘后，監(jiān)控后臺(tái)報(bào)“1#整流閥1號(hào)臂3、8晶閘管擊穿”，融冰裝置換流變進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳開(kāi)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查融冰裝置直流極母線避雷器外觀正常，正、負(fù)極線路避雷器各動(dòng)作1次。查看波形，穩(wěn)定時(shí)正極母線感應(yīng)電壓最大值負(fù)40 kV、負(fù)極母線感應(yīng)電壓最大值負(fù)30 kV。對(duì)全部晶閘管進(jìn)行導(dǎo)通試驗(yàn)和直流電阻測(cè)試，結(jié)果正常。

牛從甲直流運(yùn)行、牛從乙直流停運(yùn)工況下，對(duì)牛從乙直流線路感應(yīng)電壓進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)停運(yùn)回線路不同程度存在感應(yīng)電壓，最高超過(guò)100 kV。

表1 一回運(yùn)行、一回停運(yùn)工況下停運(yùn)回線路感應(yīng)電壓監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

相同工況下，現(xiàn)場(chǎng)在停運(yùn)回線路感應(yīng)電壓基本為零時(shí)開(kāi)展牛寨站35 kV #1融冰裝置帶停運(yùn)回線路地線融冰，結(jié)果正常。

1.3 融冰裝置跳閘原因分析

1.3.1 融冰裝置歷史運(yùn)行分析

牛從直流部分線路采用同塔雙回架設(shè)方式，牛寨站35 kV #1融冰裝置工程設(shè)計(jì)階段，地線融冰時(shí)需雙回直流停運(yùn)進(jìn)行人工接線。2016年11月，牛從直流線路完成地線融冰自動(dòng)接線裝置改造，此后牛從直流地線融冰不需雙回同停。統(tǒng)計(jì)2018年以來(lái)融冰情況，在一回停運(yùn)、一回運(yùn)行方式下共開(kāi)展過(guò)融冰操作34次，其中融冰成功31次，2021年1月9日至10日融冰失敗3次。融冰成功情況下，停運(yùn)回線路電壓低于25 kV。3次融冰失敗情況下，停運(yùn)回線路感應(yīng)直流電壓大于35 kV。

感應(yīng)電壓在24 kV以下的有22次，占比78%，全部融冰成功；感應(yīng)電壓位于24 kV和35 kV之間的3次，占比11%，全部融冰成功；感應(yīng)電壓大于35 kV的3次，占比11%，全部融冰失敗，感應(yīng)電壓分別為40 kV、60 kV、38 kV?？梢?jiàn)，感應(yīng)電壓控制在24 kV以下可有效確保融冰裝置正常運(yùn)行。

1.3.2 融冰裝置跳閘原因

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析情況，結(jié)合融冰裝置晶閘管擊穿功能原理，判斷造成牛寨站35 kV #1融冰裝置在一回直流運(yùn)行、一回直流停運(yùn)工況下，對(duì)停運(yùn)線路開(kāi)展融冰操作過(guò)程中跳閘原因?yàn)椋汉仙先诒b置選線刀閘后，直流線路感應(yīng)電壓沿融冰管母?jìng)鬟f至換流閥直流側(cè)，與交流側(cè)換相電壓疊加，導(dǎo)致?lián)Q流閥晶閘管取能回路不能正常取能，進(jìn)而不能向閥控系統(tǒng)反饋正確的晶閘管兩端電壓信息，判斷晶閘管不可用，超過(guò)保護(hù)設(shè)定值后跳閘，換流變進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳開(kāi)。且感應(yīng)電壓小于24 kV時(shí)，可正常實(shí)現(xiàn)融冰功能。

2 線路融冰受感應(yīng)電壓影響應(yīng)對(duì)

2.1 感應(yīng)電壓影響因素分析

回間差異方面。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，牛從甲運(yùn)行、牛從乙融冰接線方式時(shí)，牛從乙感應(yīng)電壓為負(fù)電壓；牛從乙運(yùn)行、牛從甲融冰接線方式下，牛從甲感應(yīng)電壓為正電壓。且乙回線路更加容易耦合出較高感應(yīng)電壓，主要是由于甲乙回并非全線路對(duì)稱架設(shè)所導(dǎo)致。

表2 不同回線路感應(yīng)電壓水平統(tǒng)計(jì)表

運(yùn)行工況和環(huán)境條件方面。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)融冰回路平均覆冰厚度比值和感應(yīng)電壓無(wú)明顯線性關(guān)系，融冰回路平均溫度和感應(yīng)電壓無(wú)明顯線性關(guān)系，融冰回路平均濕度和感應(yīng)電壓無(wú)明顯線性關(guān)系，運(yùn)行回功率大小和停運(yùn)回線路感應(yīng)電壓無(wú)明顯線性關(guān)系。但可發(fā)現(xiàn)，不論甲回停運(yùn)還是乙回停運(yùn)，其感應(yīng)電壓最大值均出現(xiàn)在下午15:00-18:00之間，最小值均出現(xiàn)在凌晨5:00-10:00之間。

運(yùn)行方式方面。經(jīng)過(guò)仿真分析，牛從甲直流雙極運(yùn)行、牛從乙直流雙極停運(yùn)時(shí)，牛從甲直流極2降壓70%運(yùn)行時(shí)在牛從乙直流線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最低。牛從乙直流雙極運(yùn)行、牛從甲直流雙極停運(yùn)時(shí)，牛從乙直流極1降壓70%運(yùn)行時(shí)在牛從甲直流線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最低。

2.2 應(yīng)對(duì)措施

因造成融冰裝置跳閘的原因?yàn)橥＿\(yùn)回感應(yīng)電壓影響，故圍繞抑制感應(yīng)電壓研究應(yīng)對(duì)措施。

2.2.1 技術(shù)措施

1）通過(guò)融冰裝置母線并聯(lián)放電間隙，限制過(guò)高靜電耦合電壓，確保設(shè)備安全和正常融冰功能。

2）增加兩組旁路開(kāi)關(guān)，并聯(lián)于上、下六脈動(dòng)閥組兩側(cè)，通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)形成導(dǎo)線接地鉗位點(diǎn)，降低靜電耦合電壓。地線融冰啟動(dòng)時(shí)按以下步驟執(zhí)行：合上旁路開(kāi)關(guān)、合上選線刀閘、斷開(kāi)旁路開(kāi)關(guān)的同時(shí)解鎖換流閥。

3）將零功率試驗(yàn)隔離開(kāi)關(guān)改造為直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。地線融冰啟動(dòng)時(shí)按以下步驟執(zhí)行：零功率試驗(yàn)?zāi)Ｊ较乱宰钚‰娏鹘怄i、合上選線刀閘、斷開(kāi)直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

4）在融冰線路或融冰母線構(gòu)建高阻接地降低靜電耦合電壓。地線融冰啟動(dòng)時(shí)按以下步驟執(zhí)行：通過(guò)開(kāi)關(guān)將接地電阻接入融冰母線、合上選線刀閘、融冰裝置地線融冰模式下最小電流解鎖、斷開(kāi)接地電阻開(kāi)關(guān)。

以上4類技術(shù)方案均能有效限制線路感應(yīng)電壓對(duì)融冰裝置的影響，但考慮經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性、緊迫性，現(xiàn)場(chǎng)選取了融冰裝置母線加裝放電間隙的措施并完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及試驗(yàn)。其他3類方案可作為科技創(chuàng)新方向進(jìn)行深入研究。融冰裝置正負(fù)極母線均加裝放1-30 mm可調(diào)電間隙，在牛從甲直流雙極運(yùn)行、牛從乙直流停運(yùn)工況下，合上融冰裝置選線刀閘，間隙可有效抑制線路侵入的感應(yīng)電壓，且驗(yàn)證間隙與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系為3.4 kV/mm。表3為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 放電間隙調(diào)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

2.2.2 管理措施現(xiàn)場(chǎng)參照仿真結(jié)論

在牛從甲直流運(yùn)行、牛從乙直流停運(yùn)工況下進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論與仿真結(jié)果一致，牛從甲直流極1全壓、牛從甲直流極2降壓70%時(shí)在牛從乙直流線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最小。表4為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 牛從甲降壓運(yùn)行對(duì)牛從乙線路感應(yīng)電壓影響試驗(yàn)記錄表

圖4為牛從甲直流雙極全壓運(yùn)行、牛從乙直流雙極停運(yùn)時(shí)電壓波形圖，為現(xiàn)場(chǎng)錄波在錄波分析軟件上的回放。圖中示出牛從甲直流極2線路電壓和牛從乙直流極1線路電壓。從圖中可看出，牛從甲直流極2線路為額定電壓-500 kV，牛從乙直流極1線路電壓近50 kV?！癤”、“O”所示值為牛從乙直流極1線路兩個(gè)不同時(shí)刻電壓值，橫坐標(biāo)為時(shí)間（s）。

圖4 牛從甲直流雙極全壓運(yùn)行、牛從乙直流雙極停運(yùn)時(shí)牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓波形

圖5為牛從甲直流極1全壓運(yùn)行、牛從甲直流極2 80%額定電壓運(yùn)行，牛從乙直流雙極停運(yùn)時(shí)電壓波形圖，為現(xiàn)場(chǎng)錄波在錄波分析軟件上的回放。圖中示出牛從甲直流極2線路電壓和牛從乙直流極1線路電壓。從圖中可看出，牛從甲直流極2線路電壓為80%額定電壓即-400 kV，牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓為22 kV左右?！癤”、“O”所示值為牛從乙直流極1線路兩個(gè)不同時(shí)刻電壓值，橫坐標(biāo)為時(shí)間（s）。

圖5 牛從甲直流極1全壓、牛從甲直流極2 80%降壓運(yùn)行時(shí)牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓波形

圖6為牛從甲直流極1全壓運(yùn)行、牛從甲直流極2降壓70%運(yùn)行，牛從乙直流雙極停運(yùn)工況下電壓波形圖。圖中示出牛從甲直流極2線路電壓和牛從乙直流極1線路電壓。從圖中可看出，牛從甲直流極2線路電壓為70%額定電壓即-350 kV，牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓為13 kV左右?！癤”、“O”所示值為牛從乙直流極1線路兩個(gè)不同時(shí)刻電壓值，橫坐標(biāo)為時(shí)間（s）。

圖6 牛從甲直流極1全壓、牛從甲直流極2 70%降壓運(yùn)行時(shí)牛從乙直流極1線路感應(yīng)電壓

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析研究，得出如下結(jié)論：

1）同塔雙回直流輸電線路一回運(yùn)行、一回停運(yùn)工況下，開(kāi)展停運(yùn)回線路地線融冰時(shí)，融冰裝置會(huì)受停運(yùn)回線路上侵入的感應(yīng)電壓影響導(dǎo)致晶閘管監(jiān)測(cè)回路不能正常取能，進(jìn)而誤判多個(gè)晶閘管擊穿故障跳閘。

2）根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，直流輸電線路感應(yīng)電壓與運(yùn)行回直流功率、環(huán)境溫濕度、覆冰厚度等無(wú)明顯線性關(guān)系，但感應(yīng)電壓最大值基本出現(xiàn)在每日15:00-18:00之間，最小值基本出現(xiàn)在凌晨5:00-10:00之間，可選擇有利時(shí)段開(kāi)展融冰。

3）通過(guò)在直流融冰裝置母線加裝放電間隙，并設(shè)定合適間隙值，可有效將停運(yùn)回線路感應(yīng)電壓限制至融冰裝置正常運(yùn)行條件內(nèi)，此為最經(jīng)濟(jì)最有效的措施。本文中提出的在融冰裝置閥組中增加兩組旁路開(kāi)關(guān)、改造融冰裝置零功率試驗(yàn)隔離開(kāi)關(guān)、在融冰線路或融冰母線構(gòu)建高阻接地3種方案也可有效限制感應(yīng)電壓，可在后續(xù)進(jìn)一步深入研究。

4）對(duì)于同塔雙回直流輸電工程，運(yùn)行回采取合適降壓運(yùn)行模式時(shí)，可有效抑制停運(yùn)回線路上感應(yīng)電壓。

5）本文基于同塔雙回直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行直流融冰裝置受線路感應(yīng)電壓影響分析，單獨(dú)架設(shè)的同走廊多回直流、交叉跨越直流等系統(tǒng)及交流輸電線路融冰裝置受感應(yīng)電壓影響也可借鑒本文研究結(jié)果。同時(shí)，建議直流融冰裝置母線均裝設(shè)放電間隙，并調(diào)試設(shè)定合理間隙值，以有效避免線路感應(yīng)電壓侵入影響融冰設(shè)備及功能。