普洱換流站極Ⅱ做線路中點對地故障時雙閥組跳閘的分析研究

周仁偉等

摘 要： 針對2014年1月22日普洱換流站進(jìn)行極Ⅱ線路中點的接地故障實驗時發(fā)生的雙閥組跳閘事件，詳細(xì)分析了保護(hù)動作的情況，指出所提出的直流保護(hù)方法正確和有效；并根據(jù)保護(hù)的范圍分析了可能發(fā)生故障的區(qū)域和原因，對故障區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行測試，找出了發(fā)生故障的避雷器，表明直流線路故障保護(hù)控制協(xié)調(diào)策略相關(guān)分析的正確性，為以后類似問題的分析提供有益參考。

關(guān)鍵詞： 直流輸電； 避雷器； 行波保護(hù)； 差動保護(hù)

中圖分類號： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0147?04

Abstract： Since the bivalve group trip event occurred in pole II circuit of Puer converter station when an experiment of the midpoint ground fault was executed on 22th January 2014， the situation of protection action is analyzed in detail. The correctness and validity of the DC protection method proposed in this paper are pointed out. The areas and reasons of faults which may occur are analyzed according to the protection region. The equipments in fault region were tested， and the fault arresters were found out. It proves that the correlation analysis of the control and coordination strategy to DC transmission line fault protection is correct and effective. This scheme provides a beneficial reference for analysis of the similar problems.

Keywords： DC transmission； arrester； traveling wave protection； differential protection

0 引 言

±800 kV普僑直流是南方電網(wǎng)第二個±800 kV，輸電容量500萬kW的特高壓，大容量直流輸電工程，工程包括普洱、僑鄉(xiāng)兩座換流站，以及普洱至僑鄉(xiāng)全長1 413 km的輸電線路。其中，普洱換流站位于云南省普洱市龍?zhí)洞?，為普僑直流的整流站。直流輸電系統(tǒng)常用的運行方式有雙極運行方式、單極大地回線方式和單極金屬回線方式，如果需要以單極方式運行較長時間時，往往會采用單極金屬回線接線方式[1?3]。然而，由于直流線路沿線地區(qū)環(huán)境污染，外力破壞以及雷擊等因素的影響，直流線路故障率逐年升高，成為直流輸電最經(jīng)常發(fā)生的故障。目前，世界上廣泛采用行波保護(hù)作為高壓直流線路保護(hù)的主保護(hù)。本文詳細(xì)分析了普僑直流金屬回線方式下線路中點接地實驗中保護(hù)動作狀況，根據(jù)保護(hù)控制策略，判斷故障區(qū)域，并找出產(chǎn)生問題的設(shè)備[4?7]。

1 普僑直流背景

普洱換流站極Ⅱ單極雙閥組金屬回線運行的接線如圖1所示，圖中簡單列出了一些電流電壓的測點和一些一次設(shè)備；逆變站的情況與整流站基本一致，此處忽略，只用虛線表示。本實驗所做的線路中點接地故障點如圖中接地故障點所示。針對直流線路故障，本工程設(shè)置了行波保護(hù)、低電壓變化率保護(hù)、直流線路縱差保護(hù)、金屬回線縱差保護(hù)及金屬回線橫差保護(hù)。其中，行波保護(hù)作為線路接地故障的主保護(hù)，低電壓變化率保護(hù)和直流線路縱差保護(hù)作為它的后備保護(hù)；金屬回線縱差保護(hù)和金屬回線橫差保護(hù)只在金屬回線運行方式下有效，前者主要檢測金屬回線線路上的接地故障，后者主要檢測金屬回線站內(nèi)連線上的接地故障。

行波保護(hù)通過計算直流線路電壓和直流線路電流的變化率來檢測這種故障情況。如果電壓的變化率和固定的時間內(nèi)電壓變化的幅值超過設(shè)定值，并且電流變化量也超過限定值，保護(hù)動作將啟動極控內(nèi)的直流線路故障恢復(fù)順序；如果超過預(yù)設(shè)的重起次數(shù)，則啟動極閉鎖。普僑直流輸電工程中配備的行波保護(hù)原理和參數(shù)如表1所示。

2 實驗時保護(hù)動作的分析

2014?01?22，15：08：24，普洱換流站進(jìn)行極Ⅱ高端閥組系統(tǒng)調(diào)試項目，普洱換流站在金屬回線極Ⅱ雙閥組運行工況下，雙極輸送功率為250 MW；對極Ⅱ線路中點（普僑直流極Ⅱ線路#1272與#1273塔之間）進(jìn)行瞬時金屬直接接地故障實驗。

圖2是實驗時錄到的行波保護(hù)判據(jù)用到的量[dUdt]，deltaU，delta_Id和行波保護(hù)輸出結(jié)果直流線路故障重啟請求的波形。從波形上可以看出，[dUdt]的最大值達(dá)到了125 kV以上，deltaU的最大值大于500 kV，delta_Id的最大值大于2 500 A，對照表1的行波保護(hù)判據(jù)可以看出，滿足行波保護(hù)判據(jù)的條件，所以行波保護(hù)正常動作，向極控發(fā)送了直流線路故障重啟請求命令。

在只有線路中點瞬時金屬直接接地這一單一故障的情況下，行波保護(hù)動作發(fā)直流線路故障重啟請求命令后，極控經(jīng)過一定的去游離時間后，會重啟成功，重新恢復(fù)直流運行。但在這次實驗中，行波保護(hù)動作之后，極保護(hù)的中性母線差動保護(hù)1段和極差動保護(hù)1段也進(jìn)行了動作，發(fā)緊急停運命令（ESOF）到極控和組控，導(dǎo)致極Ⅱ沒有重啟成功，直流停運。

普僑直流輸電工程中配備的中性母線差動保護(hù)和極差動保護(hù)原理和定值如表2所示。

中性母線差動保護(hù)覆蓋換流器中性線側(cè)直流電流互感器和接地極出線的直流電流互感器之間的區(qū)域，檢測直流中性母線上的接地故障；極差動保護(hù)覆蓋線路端直流電流互感器和接地極線出線的直流電流互感器之間的區(qū)域，檢測保護(hù)區(qū)內(nèi)的接地故障；極差動保護(hù)是中性母線差動保護(hù)的后備保護(hù)。

圖3是這兩個保護(hù)用到的量[IdCN，][IdLN，][IdLH]以及發(fā)出的緊急停運命令ESOF信號的錄波圖。

從故障錄波圖3中可以看出，在極控做出線路故障順序重啟之后，極Ⅱ低壓閥側(cè)電流[IdCN]在振蕩很短一段時間后就趨向于0，而中性線電流[IdLN]在Ⅰ[IdCN]趨向于0后還在一直振蕩并且數(shù)值還比較大；而中性母線差動保護(hù)1段在[ABSIdCN-IdLN>781 A]且延時50 ms，兩個條件都滿足的情況下動作，發(fā)緊急停運命令ESOF命令到極控。從故障錄波圖中可以看出，在X1到X2的區(qū)間內(nèi)，滿足中性母線差動保護(hù)1段動作的條件，所以中性母線差動保護(hù)1段屬于正常動作。

極差動保護(hù)1段動作同樣是由于[IdLN]沒有及時降下來，在X1到X2的持續(xù)時間內(nèi)，超過了60 ms，且[ABSIdLH-IdLN>781 A] ，滿足極差動保護(hù)1段動作的條件，所以極差動保護(hù)1段屬于正常動作。

綜上所述，中性母線差動保護(hù)1段和極差動保護(hù)1段均滿足保護(hù)判據(jù)且達(dá)到動作延時的時間，保護(hù)動作正確。根據(jù)這兩個保護(hù)的范圍和分析錄波可推測，應(yīng)該是中性母線上[IdLN]和[IdCN]的兩個CT之間的這段母線上存在接地點。

3 故障分析和排查

圖4為普洱換流站主接線圖極Ⅱ中性母線連接圖，在[IdLN]和[IdCN]的兩個CT之間含有?F1，?F2，?F3避雷器組、平波電抗器、直流濾波器避雷器?F4和直流濾波器等設(shè)備。

當(dāng)其中任意設(shè)備對地?fù)舸┗蜷W絡(luò)時，對地之間就會形成一條通路，會有電流從這個通路分流，從而導(dǎo)致[IdLN]和[IdCN]的兩個CT之間流過的電流不等，形成兩個CT間的差流。因此，導(dǎo)致差流存在的原因可能為：

（1） 避雷器動作導(dǎo)致分流；

（2） 中性母線?F1，?F2，?F3避雷器組及直流濾波器?F4避雷器中有個別避雷器被擊穿；

（3） 中性母線絕緣支柱發(fā)生對地閃絡(luò)；

（4） 直流濾波器存在分流。

基于以上分析對發(fā)生故障可能的原因進(jìn)行逐一排查分析。根據(jù)避雷器動作原理，避雷器動作的時間極短，雖然存在差流但達(dá)不到保護(hù)動作的延時（50 ms），所以這個原因基本可以排除。由于中性母線差動保護(hù)1段動作，說明[IdLN]與[IdLH]間也存在差流，如果是直流濾波器分流，而且中間沒有接地點的話，[IdLN]與[IdLH]兩個CT是處于一個回路上，不會有差流存在，所以直流濾波器分流的原因基本可以排除。對[IdCN]和[IdLN]兩個CT之間的?F1，?F2，?F3避雷器組和直流濾波器?F4避雷器進(jìn)行搖絕緣及泄露電流的測試。搖絕緣及泄露電流的測試都是檢測電器絕緣性能的方法。其中，對?F1避雷器組的02號避雷器（型號為3EQ3 143_4DZ8）的測試情況如下。

對其進(jìn)行搖絕緣試驗時，試驗電壓為5 kV，所得電阻值顯示為10 000 ΜΩ，滿足規(guī)程要求。

隨后對避雷器進(jìn)行了泄露電流的測試，在通過直流高壓發(fā)生器將電壓提升至16 kV時，避雷器動作，噴嘴噴氣釋放內(nèi)部壓力。但按照出廠試驗數(shù)據(jù)，滿足要求的1 mA泄漏電流的參考電壓應(yīng)在178 kV以上。所以此避雷器雖在5 kV搖表電壓下能夠顯示出很好的絕緣性，但電壓升高遠(yuǎn)未到參考電壓時避雷器就發(fā)生動作，故懷疑02號避雷器內(nèi)部絕緣存在問題。

將該避雷器對地放電后，再次進(jìn)行搖絕緣，結(jié)果顯示絕緣電阻為0 Ω，避雷器已無絕緣性能，確定此避雷器已損壞。圖5是?F1避雷器組的02號避雷器的底部，從圖可以看出已經(jīng)有鼓泡現(xiàn)象和燒損的痕跡。

經(jīng)過上述的故障分析和排查，找到了發(fā)生故障的設(shè)備，本工程配置的保護(hù)配合之間是合理的，動作是正確的，也證明了本文分析的正確性，根據(jù)分析找到了出問題的設(shè)備。

4 結(jié) 論

本文通過對故障錄波波形及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的分析，指出行波保護(hù)正確響應(yīng)了本次的線路中點對地故障實驗，并向極控發(fā)送了直流線路故障重啟請求命令，但由于中性母線差動保護(hù)一段和極差動保護(hù)一段的動作，發(fā)緊急停運命令到極控和組控，導(dǎo)致極Ⅱ沒有重啟成功，直流停運。

根據(jù)中性母線差動保護(hù)和極差動保護(hù)的原理、保護(hù)范圍和它們之間的配合，找出了出現(xiàn)問題的避雷器，避免了問題的進(jìn)一步擴(kuò)大，成功完成了對一次設(shè)備的保護(hù)。表明了本工程相關(guān)直流保護(hù)設(shè)置、協(xié)調(diào)策略的合理性和相關(guān)分析的正確性。為以后類似問題的分析提供有益參考。另外，?F1避雷器組的02號避雷器被擊穿的原因還需進(jìn)一步的分析研究。

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