特高壓換流站直流穿墻套管故障動作策略優(yōu)化

宋海龍，史 磊，劉若鵬

（國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

特高壓換流站直流穿墻套管故障動作策略優(yōu)化

宋海龍，史 磊，劉若鵬

（國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750011）

針對特高壓換流站直流穿墻套管故障導(dǎo)致健全換流器閉鎖的問題，采用一種增加特高壓換流站換流器差動保護(hù)區(qū)域的方法，避免單極閉鎖后發(fā)生直流系統(tǒng)接地電流過大引起直流偏磁的危害。應(yīng)用結(jié)果表明：直流穿墻套管故障引起健全換流器自動重啟策略對直流系統(tǒng)利用率有著顯著提升。

穿墻套管；換流器差動保護(hù)；動作策略；直流偏磁

特高壓直流穿墻套管作為換流站直流場和閥廳的連接設(shè)備，在整個直流輸電工程中處于“咽喉”位置［1］。直流穿墻套管結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，制造難度較大［2］；對現(xiàn)場安裝工藝要求及試驗標(biāo)準(zhǔn)較高［3-4］，大功率運(yùn)行時具有故障機(jī)率高的特點［5-6］。隨著特高壓換流站傳輸能力的不斷提升，直流穿墻套管的性能好壞將是嚴(yán)重制約換流站直流電壓等級突破發(fā)展的重要因素［7-8］。直流穿墻套管故障可引起同一極內(nèi)健全換流器同時閉鎖，致使直流系統(tǒng)單極閉鎖時，其直流功率損失較大，系統(tǒng)利用率大大降低。

1 問題分析

2015年1月25日，天中直流中州站極Ⅰ800 kV極母線直流穿墻套管閃絡(luò)，導(dǎo)致3套極母線差動保護(hù)動作，致使極Ⅰ直流系統(tǒng)閉鎖，損失直流功率3.8 GW；2015年7月13日，賓金直流金華站極Ⅱ800 kV極母線直流穿墻套管內(nèi)部故障導(dǎo)致3套極母線差動保護(hù)動作，致使極Ⅱ直流系統(tǒng)閉鎖，損失功率4 GW［9-10］。據(jù)統(tǒng)計［11-13］，目前已投運(yùn)特高壓換流站中閥廳直流穿墻套管故障均屬于極母線差動保護(hù)范圍，通常由極母線差動保護(hù)而非換流器差動保護(hù)動作來閉鎖單極以隔離故障，致使該極健全換流器與故障換流器一樣造成閉鎖，使直流功率損失增大，嚴(yán)重降低了直流系統(tǒng)的利用率。

2 解決方案

2.1 動作策略

為了提高直流系統(tǒng)利用率，針對中州站和金華站2起由于直流穿墻套管故障導(dǎo)致單極閉鎖的案例特點，本文提出了一種優(yōu)化特高壓換流站換流器差動保護(hù)區(qū)域的方法，其動作策略是：將直流穿墻套管閥廳側(cè)光電流互感器移至直流場PLC電抗器外側(cè)，從而將直流穿墻套管納入換流器差動保護(hù)區(qū)域，一旦穿墻套管發(fā)生故障，則改由換流器差動保護(hù)動作來消除故障。

如圖1所示，以極Ⅰ為例，將直流穿墻套管閥廳側(cè)光電流互感器T11、T12、T21、T22移至直流場PLC電抗器外側(cè)，將直流穿墻套管由極母線差動保護(hù)區(qū)域改為換流器差動保護(hù)區(qū)域，從而縮小直流穿墻套管故障時的影響范圍。

圖1 光電流互感器測點位置

例如，當(dāng)特高壓換流站兩端均處于雙極4換流器運(yùn)行、站間通訊正常，且均為雙極功率控制模式時，任意一個換流器直流穿墻套管發(fā)生故障后，首先閉鎖該故障點所在極，使故障點快速熄弧，待隔離該故障點所在換流器后，再重啟該極另一個健全換流器，實現(xiàn)雙極三換流器平衡運(yùn)行，從而達(dá)到提升直流系統(tǒng)利用率的目的，并且有效降低了單極大地回線運(yùn)行的時間。

2.2 策略優(yōu)化

2.2.1 試驗條件

該動作策略需具備以下試驗條件：站間通信正常，當(dāng)站間通信故障時不執(zhí)行重啟；控制保護(hù)系統(tǒng)中直流場相關(guān)開關(guān)、刀閘設(shè)備狀態(tài)指示應(yīng)與一次設(shè)備保持一致；直流極母線及健全換流器等設(shè)備無異常，運(yùn)行回路狀態(tài)良好；兩極均為雙極功率控制；極閉鎖再重啟后雙極功率值為重啟時刻另一極的功率值；進(jìn)行極隔離時，若出現(xiàn)中性母線斷路器啟動失靈，則中止后續(xù)操作；預(yù)定時間內(nèi)未能重啟成功，則撤銷重啟指令。

2.2.2 控制保護(hù)策略優(yōu)化

由于換流器差動保護(hù)動作時極差動保護(hù)也有可能動作，所以當(dāng)直流穿墻套管故障后自動重啟健全換流器時，需進(jìn)一步調(diào)整極差動保護(hù)出口的動作策略。

（1）當(dāng)極差動保護(hù)動作時，若有換流器差動保護(hù)動作，則認(rèn)為是換流器保護(hù)區(qū)域故障，執(zhí)行重啟健全換流器的動作時序。此時，極差動保護(hù)僅跳故障換流器交流進(jìn)線開關(guān)，而健全換流器交流進(jìn)線開關(guān)不跳閘，執(zhí)行重啟健全換流器的動作時序。

（2）當(dāng)極差動保護(hù)動作時，若無換流器差動保護(hù)動作，則認(rèn)為是極保護(hù)區(qū)域故障，執(zhí)行跳開高、低端換流器交流開關(guān)，不重啟換流器的動作時序。

如圖2所示，直流穿墻套管故障后重啟健全換流器的動作時序：當(dāng)某一個閥組直流穿墻套管發(fā)生故障時，其對應(yīng)閥組的換流器差動保護(hù)動作，極閉鎖，極隔離，跳開故障換流器交流進(jìn)線開關(guān)，本站故障換流器隔離，對站對應(yīng)換流器隔離，本站極連接，重啟健全換流器。

圖2 直流穿墻套管故障后重啟健全換流器動作時序

2.3 試驗驗證

在靈紹直流工程施工期間，現(xiàn)場已將直流穿墻套管閥廳側(cè)光電流互感器移至直流場PLC電抗器外側(cè)，滿足增加換流器差動保護(hù)區(qū)域的基本條件。

2.3.1 現(xiàn)場聯(lián)調(diào)試驗

在靈紹直流工程現(xiàn)場調(diào)試期間，通過軟件置數(shù)模擬直流穿墻套管故障，對自動重啟健全換流器的新策略進(jìn)行了充分驗證。

當(dāng)雙極4換流器運(yùn)行，輸送功率800 MW，直流電流500 A時，模擬整流站極Ⅰ高端閥組直流穿墻套管發(fā)生擊穿故障，則故障套管所在極被閉鎖，隨即隔離故障換流器（對站隔離相對應(yīng)換流器），待滿足判據(jù)條件后再重啟健全換流器，其保護(hù)動作及重啟過程如下：

（1）正常運(yùn)行時，電流 IDCP=IDCN=500 A，差流為0。

（2）當(dāng)極Ⅰ高端換流器直流穿墻套管故障時，該換流器的差動保護(hù)Ⅱ段動作。

（3）換流器差動保護(hù)動作閉鎖極Ⅰ后，極Ⅱ帶800 MW運(yùn)行。

與此同時，直流控制程序自動重啟極Ⅰ低端換流器功能，執(zhí)行過程如下：

（a）極Ⅰ極閉鎖；

（b）極Ⅰ高端換流器由連接轉(zhuǎn)隔離，極Ⅰ低端換流器保持連接狀態(tài)不變；

（c）極Ⅰ極連接；

（d）極Ⅰ低端換流器重啟，與極Ⅱ高、低端雙極3換流器平衡運(yùn)行，功率均為266.7 MW。

圖3為極Ⅰ低端換流器自動重啟實際波形圖。其中，（a）圖左側(cè)標(biāo)示處直流電壓UDL為398.126 kV，（b）圖左側(cè)標(biāo)示處直流電流為699.614 A，則直流功率為278.5 MW；（a）圖右側(cè)色標(biāo)示處直流電壓UDL為397.111 kV，（b）圖右側(cè)標(biāo)示處直流電流IDCP為648.382 A，則直流功率為257.5 MW，故極Ⅰ低端換流器在266.7 MW附近運(yùn)行，極Ⅰ高端閥組處于停運(yùn)狀態(tài)。

圖3 極Ⅰ低端換流器自動重啟波形

（e）極Ⅰ以單換流器功率266.7 MW啟動運(yùn)行后，極Ⅱ為雙換流器運(yùn)行，兩極均為雙極功率控制模式，雙極功率實現(xiàn)自動平衡，使接地極電流為零。此時，極Ⅰ功率為266.7 MW運(yùn)行，極Ⅱ功率為533.3 MW運(yùn)行，即雙極800 MW運(yùn)行，故障后無功率損失。

基于以上試驗初始條件，當(dāng)采用以往動作策略時，極Ⅰ高端換流器直流穿墻套管發(fā)生故障，則極Ⅰ極母線差動保護(hù)動作，故障套管所在極被直接閉鎖而健全換流器不再重啟，致使直流系統(tǒng)處于極Ⅱ單極800 MW大地回線運(yùn)行，其接地極電流較大，為1 kA。

2.3.2 網(wǎng)聯(lián)聯(lián)調(diào)試驗

在靈紹直流網(wǎng)聯(lián)調(diào)試期間，通過實時仿真系統(tǒng)進(jìn)行直流穿墻套管故障模擬，反復(fù)驗證健全換流器自動重啟邏輯的正確性。

當(dāng)直流系統(tǒng)雙極4換流器8 GW滿負(fù)荷運(yùn)行，整流站極Ⅰ高端換流器直流穿墻套管發(fā)生故障時，換流器差動保護(hù)動作閉鎖極Ⅰ后，極Ⅱ先進(jìn)入3 s過負(fù)荷4.8 GW運(yùn)行，隨即進(jìn)入2 h過負(fù)荷4.2 GW運(yùn)行。當(dāng)極Ⅰ低端閥換流器2 00 MW功率重啟后，極Ⅰ為單換流器運(yùn)行，極Ⅱ為雙換流器運(yùn)行，雙極均為雙極功率控制模式，雙極功率實現(xiàn)自動平衡，使接地極電流為零。此時，極Ⅰ為1.4 GW運(yùn)行，極Ⅱ為2.8 GW運(yùn)行，損失功率3.8 GW。

基于以上滿負(fù)荷試驗條件，當(dāng)采用以往動作策略時，極Ⅰ高端換流器直流穿墻套管發(fā)生故障，則極Ⅰ極母線差動保護(hù)動作，故障套管所在極被直接閉鎖而健全換流器不再重啟，致使極Ⅱ處于單極4 GW大地回線運(yùn)行，其接地極電流更大，為5 kA，損失功率4 GW。

3 效果評價

3.1 技術(shù)對比

在現(xiàn)場聯(lián)調(diào)試驗和網(wǎng)聯(lián)聯(lián)調(diào)試驗中，采用以往策略時大地中均要流過較大的直流電流，其產(chǎn)生的直流偏磁將嚴(yán)重影響換流變及周圍變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行［14-15］，而采用新策略時大地中流過的直流電流為零，其技術(shù)優(yōu)勢顯著。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

以直流系統(tǒng)雙極4換流器8 GW滿負(fù)荷運(yùn)行，整流站某一換流器直流穿墻套管發(fā)生故障為例，新策略下自動重啟健全換流器可減少200 MW的直流功率損失，也就相當(dāng)于2 h事故處理期間可節(jié)省約15.5萬元經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)論

（1）本文提出了一種通過將閥廳內(nèi)光電流互感器外移而增加換流器差動保護(hù)區(qū)域的方法。通過現(xiàn)場聯(lián)調(diào)試驗和網(wǎng)聯(lián)聯(lián)調(diào)試驗，充分驗證了直流穿墻套管故障后自動重啟健全換流器控制保護(hù)功能的正確性。

（2）直流穿墻套管故障引起健全換流器自動重啟策略對直流系統(tǒng)利用率有著顯著提升，可避免單極閉鎖后發(fā)生直流系統(tǒng)接地極電流過大引起直流偏磁的危害。

（3）直流穿墻套管故障引起健全換流器自動重啟策略降低了直流穿墻套管故障時直流功率的損失，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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Optimization of DC wall bushing faults action strategy in UHV converter station

SONG Hailong，SHI Lei，LIU Ruopeng
(Maintenance Filiale of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China)

Aiming at the problem of DC wall bushing faults leading to the healthy converter blocking in UHV converter station,using the method of enlarging the converter differential protection area of UHV converter station avoids the hazard of DC magnetic bias due to large DC system earth current after the monopoles blocking.The result shows that the automatic restart strategy of the healthy converter causing by DC wall bushing faults can promote significantly the utilization ratio of DC system.

wall bushing;converter differential protection;action strategy;DC magnetic bias

TM721.1

B

1672-3643（2017）01-0044-04

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.009

2016-10-26

宋海龍（1988），男，工學(xué)碩士，助理工程師，從事交直流測量裝置的研究。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.009