代書龍，朱鳳來(lái)，范冬春，楊茂，辛亮，陸健，馮子賢

（中國(guó)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電[1-7]。然而，交流系統(tǒng)發(fā)生單相故障期間，對(duì)直流輸電系統(tǒng)的擾動(dòng)較大，因此如何降低交流系統(tǒng)故障期間對(duì)直流系統(tǒng)的影響一直都是研究重點(diǎn)。

當(dāng)前對(duì)交直流系統(tǒng)影響的研究主要集中在交流系統(tǒng)故障對(duì)直流系統(tǒng)影響的機(jī)理方面，且取得了豐碩成果[8-12]，但研究方法基本為理論研究以及仿真驗(yàn)證，少有結(jié)合實(shí)際工程故障案例進(jìn)行分析并提出有效措施的方案。本文對(duì)單相重合閘邏輯進(jìn)行介紹后，詳細(xì)分析牛從直流牛寨站交流系統(tǒng)故障錄波，發(fā)現(xiàn)單相故障單相跳閘期間正常相在故障相上的感應(yīng)電壓幅值以及波形與故障類型存在較大差異，據(jù)此提出單相重合閘邏輯優(yōu)化措施，并在PSCAD/EMTDC 仿真模型的高壓直流輸電系統(tǒng)中驗(yàn)證了所提優(yōu)化措施的有效性。

1 重合閘邏輯介紹

為提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，目前500 kV 交流系統(tǒng)基本采用二分之三接線方式，交流線路的電壓互感器基本裝設(shè)在線路兩端，即：站內(nèi)開關(guān)跳開時(shí)，電壓互感器仍然與線路連接，跳閘期間也可測(cè)量跳閘線路上的感應(yīng)電壓。交流線路基本采用單相重合閘，即單相故障情況下單相跳閘單相重合，重合于永久性故障上瞬時(shí)跳開三相，相間故障直接三相跳閘不重合，單相重合閘邏輯圖如圖1 所示，當(dāng)線路保護(hù)跳閘命令收回時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)重合閘。

圖1 單相自動(dòng)重合閘邏輯

2 單相瞬時(shí)故障分析

由于單相故障存在瞬時(shí)故障與永久故障的區(qū)別，本文以牛從直流牛寨站交流線路故障情況為例進(jìn)行分析。其中，牛寨站交流場(chǎng)邊開關(guān)重合閘時(shí)間為0.9 s，中開關(guān)重合閘時(shí)間為1.4 s。2016 年07 月24 日21 時(shí)31 分牛寨站500 kV溪換甲線C 相發(fā)生故障，重合成功，故障瞬間電壓、電流如圖2、圖3 所示。重合瞬間電壓、電流如圖4、圖5 所示（圖2～圖10 中，電壓電流均為故障錄波采樣值，未經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理）。由圖可知，交流線路發(fā)生單相故障后，故障相電壓降低，故障相電流快速升高，由于500 kV系統(tǒng)為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，對(duì)非故障相電壓影響較小，保護(hù)檢測(cè)到故障后，故障相跳閘，由于通信延時(shí)以及開關(guān)本身分閘時(shí)間的存在，大約50 ms 左右線路從發(fā)生故障至開關(guān)完全跳開。開關(guān)跳閘后，經(jīng)過(guò)0.9 s 的延時(shí)發(fā)出故障相開關(guān)重合命令，由于通信延時(shí)以及開關(guān)本身機(jī)械特性的影響，從線路開關(guān)斷開至線路上重新出現(xiàn)電壓之間的時(shí)間將近1000 ms，故障相重合后，線路電壓經(jīng)過(guò)約15 ms 后恢復(fù)至正常水平，單相跳閘期間，故障跳閘線路處于缺相運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 單相瞬時(shí)故障瞬間電壓

圖3 單相瞬時(shí)故障瞬間電流

圖4 單相瞬時(shí)故障重合瞬間電壓

圖5 單相瞬時(shí)故障重合瞬間電流

3 單相永久性故障分析

2016 年07 月05 日19 時(shí)22 分500 kV 溪換丙線C 相永久性故障跳閘，重合不成功，故障瞬間電壓、電流如圖6、圖7 所示，重合瞬間電壓、電流如圖8、圖9 所示。由圖可知，交流線路發(fā)生單相故障后，故障相電壓降低，故障相電流快速升高，與重合成功不同的是該故障期間A、B 相電壓波形明顯發(fā)生畸變，且故障未切除期間故障相電壓幅值略小，故障相切除時(shí)間以及重合時(shí)間與重合成功情況基本一致。開關(guān)重合后，電壓基本沒(méi)有改善，但故障電流卻在開關(guān)合閘時(shí)快速升高，故障持續(xù)存在，保護(hù)檢測(cè)到故障為持續(xù)性故障后，發(fā)出三相跳閘命令，約50 ms 左右三相跳閘，三相跳閘后該線路三相均從系統(tǒng)中切除。

圖6 單相永久故障瞬間電壓

圖7 單相永久故障瞬間電流

圖8 單相永久故障重合瞬間電壓

圖9 單相永久故障重合瞬間電流

4 缺相運(yùn)行期間故障相感應(yīng)電壓分析

再次對(duì)牛寨站多個(gè)單相故障切除至尚未重合期間故障相感應(yīng)電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)比2016 年07 月24 日21 時(shí)31 分500 kV 溪換甲線C 相故障重合成功案例（圖10 中“重合成功1”）、2014 年02 月16 日01 時(shí)07 分500 kV 甘換甲線C 相故障重合成功案例（圖10 中“重合成功2”）、2016 年07 月05 日19 時(shí)22 分500 kV溪換丙線C 相永久性故障重合不成功案例（圖10 中“重合失敗1”）、2013 年09 月18 日22時(shí)56 分500 kV 溪換丙線B 相永久性故障重合不成功案例（圖10 中“重合失敗2”）后發(fā)現(xiàn)：對(duì)于單相瞬時(shí)故障以及單相永久性故障在故障相切除期間，故障相感應(yīng)電壓存在較大區(qū)別，由于線路采用單相重合閘，單相跳閘期間，另外兩個(gè)正常相處于運(yùn)行狀態(tài)，因此會(huì)在故障相上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，瞬時(shí)性故障線路在跳閘期間正常相在故障相上的感應(yīng)電壓基本為正弦波。對(duì)于永久性故障，由于故障切除期間故障相線路上仍然存在接地點(diǎn)，因此非故障相在故障相上的感應(yīng)電壓則基本為零或?yàn)椴灰?guī)則的正弦波，且感應(yīng)電壓幅值沒(méi)有瞬時(shí)故障情況下的幅值高，如圖10 所示。

圖10 故障相跳閘期間故障相感應(yīng)電壓

5 重合閘邏輯改進(jìn)及驗(yàn)證

根據(jù)重合閘成功與重合閘不成功波形分析可知，在故障相兩側(cè)開關(guān)跳閘的情況下，瞬時(shí)故障的故障相電壓為具有一定幅值的正弦波，但永久性故障的故障相電壓幅值較低且波形不規(guī)則，本文根據(jù)該現(xiàn)象提出改進(jìn)型的單相重合閘控制策略，通過(guò)故障相切除期間根據(jù)感應(yīng)電壓判斷故障類型，判斷為單相永久性故障后，直接閉鎖重合閘，以降低重合閘期間交流系統(tǒng)單相接地對(duì)直流系統(tǒng)的影響，改進(jìn)后的單相重合閘邏輯如圖11 所示。

圖11 改進(jìn)型單相故障自動(dòng)重合閘邏輯

根據(jù)上述分析，換流站交流系統(tǒng)單相接地故障可等效為單相接地、缺相運(yùn)行、重合后快速恢復(fù)或重合后再次單相接地并跳開三相的過(guò)程。取單相接地持續(xù)時(shí)間為50 ms，缺相運(yùn)行時(shí)間為1000 ms，重合成功電壓恢復(fù)時(shí)間為15 ms，重合于永久故障后三相跳閘時(shí)間為50 ms，在PSCAD/EMTDC 仿真模型的高壓直流輸電系統(tǒng)測(cè)試模型[13-15]中，對(duì)改進(jìn)型單相故障自動(dòng)重合閘邏輯進(jìn)行驗(yàn)證。首先對(duì)模型中整流站交流系統(tǒng)等效為4 條交流線路，假設(shè)0.6 s 時(shí)其中一條交流線路B 相中點(diǎn)發(fā)生永久性故障跳閘，經(jīng)過(guò)1000 ms 后，1.6 s 時(shí)發(fā)出重合指令，若未對(duì)重合閘邏輯進(jìn)行優(yōu)化，1.6 s 時(shí)將重合故障相，經(jīng)過(guò)50 ms 后三相跳閘，若重合閘檢測(cè)跳閘相感應(yīng)電壓不正常后，采用改進(jìn)型自動(dòng)重合閘邏輯時(shí)，將閉鎖自動(dòng)重合閘，直接聯(lián)調(diào)非故障兩相。

重合閘邏輯優(yōu)化前后交流電壓有效值、整流站觸發(fā)角、直流功率、直流電流對(duì)比情況如圖12～圖15 所示。

圖12 重合閘邏輯優(yōu)化前后交流電壓有效值對(duì)比

圖13 重合閘邏輯優(yōu)化前后觸發(fā)角對(duì)比

圖14 重合閘邏輯優(yōu)化前后直流功率對(duì)比

圖15 重合閘邏輯優(yōu)化前后直流電流對(duì)比

由圖可知，單相跳閘期間交流電壓有效值、直流功率均較額定值稍有偏小，對(duì)于永久性故障，采用單相故障直接聯(lián)跳非故障相對(duì)交流電壓有效值波動(dòng)影響不大，約降低至額定值的95%，直接重合跳閘相時(shí)相當(dāng)于再次發(fā)生單相接地，交流電壓有效值約降低至額定值的85%。由于換相電壓的降低，觸發(fā)角指令快速發(fā)生改變，直接重合跳閘相將導(dǎo)致整流站觸發(fā)角快速降低至最小值5°，采用聯(lián)跳非故障相時(shí)觸發(fā)角波動(dòng)不大。直接重合故障相時(shí)直流電流以及直流功率波動(dòng)較大，且存在大量諧波，但聯(lián)跳非故障相的情況下直流電流以及直流功率變化均較平穩(wěn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

交流線路發(fā)生單相永久性故障時(shí)，通過(guò)檢測(cè)故障相上的感應(yīng)電壓大小以及波形判斷故障類型后，對(duì)當(dāng)前采用的重合閘邏輯進(jìn)行優(yōu)化，直接聯(lián)跳非故障兩相，該措施與重合故障相后再次三相跳閘相比，更有利于提高換流母線電壓的穩(wěn)定性，直流側(cè)諧波更小，有利于提高直流功率、直流電流的穩(wěn)定性。