代書龍，劉百爽，張銳，滕昭林，徐學(xué)海，辛亮，周亞樹

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 前言

由于高壓直流輸電系統(tǒng)存在輸送容量大、功率調(diào)整靈活、節(jié)省輸電走廊等眾多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量直流輸電[1-6]。但交流線路故障現(xiàn)象時有發(fā)生，交流故障對直流系統(tǒng)的影響一直都是重點研究內(nèi)容。高壓直流系統(tǒng)正常運行時，若在交直流側(cè)人為制造故障點研究相互之間的影響，不僅接地電阻較難控制，且勢必會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此當(dāng)前對交直流系統(tǒng)故障時相互之間的影響主要通過仿真實現(xiàn)，但當(dāng)前的研究方法主要是在交流系統(tǒng)母線或直流側(cè)設(shè)置不同大小的接地電阻后，研究相互影響機理，并取得了豐碩成果[7-9]。然而對于交流線路而言，電抗遠(yuǎn)大于電阻，因此通過在換流站交流母線上設(shè)置接地電阻的研究方式與系統(tǒng)實際運行情況仍然存在偏差。

本文借助典型高壓直流系統(tǒng)模型，將換流站交流母線與電源點之間阻抗等效為4條交流線路后，計算出其中一條交流線路任何一點發(fā)生故障時，換流站交流母線處等效阻抗與故障點距換流站母線之間距離的關(guān)系，并借助修改之后的等效模型，對其中一條交流線路不同位置發(fā)生不同類型故障進(jìn)行仿真分析，并對相互之間的影響進(jìn)行了研究。

1 典型高壓直流系統(tǒng)模型介紹

PSCAD/EMTDC模型庫中的標(biāo)準(zhǔn)直流輸電系統(tǒng)測試模型如圖1所示，該模型為單極系統(tǒng)，大地回線接線方式，系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)見表1。整流站配置有定電流控制器以及最小觸發(fā)角兩種控制器，正常運行時，整流站為定電流控制，逆變站為定γ角控制，當(dāng)整流站交流電壓降低時，整流站降低觸發(fā)角以便維持電流恒定，若電壓降低幅度較大，觸發(fā)角降低至最小值5°時，整流站觸發(fā)角維持在最小值運行。逆變站采用定γ角控制，可降低換相失敗發(fā)生的概率，當(dāng)逆變站電壓降低時，換相角增大，逆變站觸發(fā)角a相應(yīng)減小。此外，逆變站配置有電流控制器，電流控制的定值比整流站定值小10%。整流站以及逆變站均配置VDCL（低壓限流），以便在電壓降低時減小直流電流，避免換流器連續(xù)發(fā)生換相失敗，整流站VDCL電流最小限制值為0.55倍額定值，逆變站VDCL電流最小限制值為0.45倍額定值，詳細(xì)控制原理圖如圖2所示[10-11]。

圖1 直流測試系統(tǒng)模型

表1 直流系統(tǒng)主要參數(shù)

圖2 直流系統(tǒng)控制原理圖

2 整流站交流故障對直流系統(tǒng)影響

由于換流站送端主要建在大型水電站或火電站附近，受端主要建在負(fù)荷中心，因此換流站兩端的交流線路均較短，屬于短距離線路，本研究中采用的交流線路等效電路模型如圖3所示。

圖3 交流線路等效電路圖

為便于分析線路不同位置接地時，相對于換流站母線處等效阻抗的變化規(guī)律，將模型中換流站母線與電源之間等效為4條并聯(lián)的交流線路，并假設(shè)其中一條線路的某個位置發(fā)生接地故障，其故障點設(shè)置如圖4所示，其中R'為3.737 Ω，經(jīng)過折算之后的電阻R為1.041 Ω，電抗X為47.41519 Ω，故障點距離換流站母線之間的距離為dx，故障點距離電源點之間的距離為1-dx，可計算出電源點與換流站母線之間的等效阻抗如式(1)所示，根據(jù)該式可繪制出距離換流站母線不同位置的交流線路上發(fā)生故障時等效阻抗曲線如圖5所示。

圖4 故障點位置示意圖

圖5 不同位置故障時等效阻抗

由圖5可知，交流線路故障點在距換流站母線20%以內(nèi)時，等效阻抗的增長趨勢隨距離增加而快速增大，距換流站母線30%～95%范圍內(nèi)故障時，等效阻抗隨故障距離增長趨勢明顯變緩。距離在0%～95%范圍內(nèi)，等效阻抗增長斜率整體上隨距離增大而減小，當(dāng)接地距離超過約95%時，距離增加，等效阻抗出現(xiàn)減小趨勢。

2.1 交流線路發(fā)生單相金屬接地

為準(zhǔn)確分析整流站與電源之間交流線路發(fā)生金屬性故障時系統(tǒng)實時發(fā)展趨勢，將仿真系統(tǒng)中4條交流線路的其中一條平均分割為8個分段，并分別在每個分段點設(shè)置金屬接地故障，以此模擬其中一相線路發(fā)生單相金屬接地故障，此時故障回路中將同時存在電阻以及電感，與系統(tǒng)實際故障情況類似，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。不難看出，換流站母線處發(fā)生接地故障時，直流電流降低幅值最大，故障點遠(yuǎn)離換流站母線時，直流電流降低幅度逐漸減小，但當(dāng)故障點為距母線8/8（即電源母線）處時，直流電流降低幅度僅次于換流站母線處故障時的降低幅度，這一方面是由于電源母線處接地將導(dǎo)致電源電壓大幅降低，另一方面則是由于電源母線處發(fā)生接地故障時，換流站母線處等效阻抗存在一定程度的降低導(dǎo)致。

圖6 整流站交流線路單相金屬接地時直流電流變化曲線

圖7 整流站交流線路單相金屬接地時觸發(fā)角變化趨勢

由于整流站為定電流控制，當(dāng)線路發(fā)生故障導(dǎo)致直流電流降低時，為了維持直流電流不變，整流站迅速降低觸發(fā)角，直流系統(tǒng)控制器反應(yīng)極其迅速，觸發(fā)角降低速率隨直流電流降低速率的增加而增大，觸發(fā)角基本在3 ms左右便從19°降低至最小值觸發(fā)角5°，觸發(fā)角降低至最小值后，若直流電流維持在較低值附近，觸發(fā)角將繼續(xù)保持在最小值運行，當(dāng)直流電流回升后，觸發(fā)角隨即增大。

2.2 交流線路發(fā)生單相不同電阻接地

整流站四條交流線路中的一條線路中點A相發(fā)生不同大小的電阻接地時，仿真情況如圖8所示。線路中點通過不同電阻接地，接地電阻將與線路本身的電阻以及電抗疊加，接地電阻越大，引起接地點電壓降低幅度越低，因此接地電阻越大，對直流系統(tǒng)的影響越小，直流電流降低幅度越低。

圖8 整流站交流線路通過不同電阻接地時電流變化曲線

2.3 交流線路發(fā)生三相金屬接地

整流站4條交流線路中的其中一條發(fā)生三相金屬性接地時，仿真情況如圖9、圖10所示。此時直流電流降低速率明顯高于單相接地故障，換流站母線處接地時直流電流降低速率最快，故障點離換流站母線逐漸變遠(yuǎn)時，直流電流降低程度逐漸減小，當(dāng)電源母線處發(fā)生三相接地故障時，直流電流降低幅值僅次于換流站母線發(fā)生接地故障，由于電流降幅較大，故障后觸發(fā)角基本保持最小觸發(fā)角，整流側(cè)變?yōu)樽钚∮|發(fā)角控制時，逆變側(cè)VDCL控制器起作用，根據(jù)電壓降低幅值限制直流電流，若電壓降低幅值較大，VDCL控制器會將直流電流限制在VDCL控制器的下限0.45倍額定值。

圖9 整流站交流線路發(fā)生三相接地時直流電流變化曲線

圖10 整流站交流線路發(fā)生三相接地時觸發(fā)角變化趨勢

3 逆變站交流故障對直流系統(tǒng)影響

3.1 交流線路發(fā)生單相金屬接地

晶閘管需要一定時間完成載流子復(fù)合，恢復(fù)阻斷能力，其去離子恢復(fù)時間在400 μs（約7°電角度）左右[12-13]?？紤]測量誤差的存在，本文假設(shè)關(guān)斷角小于8°時逆變側(cè)換流閥發(fā)生換相失敗。依然像整流站一樣將換流站母線與負(fù)荷之間的阻抗等效為4條交流線路，當(dāng)4條交流線路中的一條發(fā)生單相金屬性接地故障時，仿真情況如圖11～圖13所示。圖13中，0表示沒有發(fā)生換相失敗，1表示發(fā)生換相失敗。由于接地故障導(dǎo)致逆變站換相電壓降低，逆變站母線處故障后約6 ms便發(fā)生換相失敗，交流線路其余位置故障后約8 ms發(fā)生換相失敗，逆變側(cè)發(fā)生換相失敗時，直流電流升高，換流站母線處發(fā)生故障時直流電流上升速率最快，其余位置故障點上升速率相差不大。無論逆變側(cè)交流線路哪個位置發(fā)生故障，由于整流側(cè)觸發(fā)角的快速調(diào)節(jié)，直流電流上升所能達(dá)到的最大值相差不大。

圖11 逆變站單相接地時直流電流變化曲線

圖12 逆變站單相接地時整流站觸發(fā)角變化曲線

圖13 逆變站單相接地時換相失敗情況

3.2 交流線路發(fā)生單相不同電阻接地

逆變站4條交流線路中的一條中點經(jīng)過不同大小的電阻接地時，仿真情況如圖14所示。接地電阻在20Ω以下時，直流電流升高趨勢較明顯且發(fā)展趨勢基本一致，但當(dāng)接地電阻超過100Ω時，對直流電流的影響有限，接地電阻達(dá)到200Ω時，對直流電流基本沒有影響。

圖14 逆變站交流線路中點經(jīng)不同電阻接地直流電流趨勢

3.3 交流線路發(fā)生三相金屬接地

逆變站交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地故障時，仿真情況如圖15所示。故障點距換流站越遠(yuǎn)，故障初期直流電流上升速率基本越慢，但受端電源母線發(fā)生三相接地故障與距逆變站母線1/4處發(fā)生故障時的發(fā)展趨勢基本一致，無論哪個位置發(fā)生接地故障，直流電流上升幅值基本一致。

圖15 逆變站交流線路三相金屬性接地時直流電流趨勢

4 結(jié)束語

交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，直流系統(tǒng)控制器反應(yīng)極其迅速，各控制器能嚴(yán)格按照設(shè)定模式快速做出響應(yīng)。整流站三相接地故障對直流系統(tǒng)的影響明顯大于單相接地故障，但逆變站三相接地以及單相接地導(dǎo)致的直流電流幅值相差不大。

由于電源與換流站母線之間發(fā)生故障時，等效阻抗與故障點距離換流站母線之間的距離并不是簡單的正相關(guān)關(guān)系，交流線路發(fā)生接地故障時，在一定距離范圍內(nèi)，故障點越靠近換流站母線，對直流系統(tǒng)影響越大，超過該距離時，越靠近換流站母線，對直流系統(tǒng)影響越小。

逆變站母線處發(fā)生故障時極易引發(fā)換相失敗，當(dāng)線路接地電阻超過200 Ω時，對直流系統(tǒng)的影響有限。