特高壓直流輸電系統(tǒng)金屬旁通支路運行工況問題與對策

文/韓俊秀

1 金屬旁通支路運行情況介紹

對于單個12脈動閥組，其金屬旁通支路則包括2種情況，分別如圖1中的支路1和2所示，可將閥組的金屬旁通狀態(tài)定義為：AI，CI，BPS同為合位或BPI為合位。

典型的金屬旁通支路運行工況如圖1所示。在圖1中，極1在兩站的所有閥組均為金屬旁通狀態(tài)，極2為大地回線運行，極2直流電流為ID。ID經(jīng)過極2中性母線后即由接地極回路與極1金屬旁通支路分流為ID1和ID2，其大小由接地極回路與極1旁通支路的阻抗比決定。

2 金屬旁通支路的形成與種類

直流系統(tǒng)的金屬旁通支路運行是基于單個閥組的金屬旁通狀態(tài)而發(fā)生的，當(dāng)某極兩站四閥組或故障下某一站的若干閥組進入金屬旁通狀態(tài)，系統(tǒng)才有可能轉(zhuǎn)入金屬旁通支路運行。

在雙12脈動閥組串聯(lián)的直流系統(tǒng)中，能夠?qū)е聠蝹€閥組進入金屬旁通狀態(tài)的動作類型包括3項：開關(guān)、刀閘設(shè)備的手/自動控制，閉鎖極。

2.1 開關(guān)、刀閘的手/自動控制

通常閥組在開展檢修工作前，需先進入閥組隔離狀態(tài)再轉(zhuǎn)入閥組接地狀態(tài)。在當(dāng)前已投運的特高壓直流工程中，往往具備閥組隔離自動控制功能。在閥組隔離狀態(tài)中，由于操作BPI至合位，閥組將進入金屬旁通狀態(tài)。另外，通過閥組閉鎖情況下的旁通區(qū)開關(guān)、刀閘手動操作，顯然也可令閥組進入金屬旁通狀態(tài)。

若兩站極連接且對極已在運行，則通過開關(guān)、刀閘的手/自動控制令閥組進入金屬旁通狀態(tài)，進而極有可能導(dǎo)致系統(tǒng)進入金屬旁通支路運行。

2.2 極閉鎖

極閉鎖策略中的投入BPS命令一般在閥組投入旁通對之后發(fā)出，其作用在于縮短旁通對運行時間，同時隔離換流閥，對閥組形成保護。通常在BPS投入后即閉鎖換流閥觸發(fā)脈沖。

2.2.1 正常極閉鎖

在滇西北直流工程中，正常極閉鎖時，當(dāng)電流下降至最小電流后，由整流側(cè)先執(zhí)行移相閉鎖命令，逆變側(cè)則執(zhí)行觸發(fā)角移相90°命令（ALPHA_90），后續(xù)延時閉鎖極，閉鎖過程中整流、逆變側(cè)閥組均不投入旁通對與BPS。

考察國內(nèi)其他特高壓直流工程，正常極閉鎖過程中均在逆變側(cè)執(zhí)行觸發(fā)角移相90°/降低直流電壓命令，其目的是為泄放直流線路中殘余的能量。而在逆變側(cè)閉鎖之前，則在現(xiàn)有特高壓工程中存在2種做法：投入旁通對與BPS后，再閉鎖極；與滇西北工程相同，不投旁通對和BPS，經(jīng)延時后閉鎖極。

考察現(xiàn)有各特高壓直流工程實施情況，由于正常閉鎖過程中整流側(cè)均不投入旁通對和BPS，因此最多只有逆變側(cè)閥組進入金屬旁通狀態(tài)，而不存在系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)入金屬旁通支路運行的可能。

2.2.2 極層保護性閉鎖

主要考慮直流雙極運行時一極發(fā)生永久性故障的情況。對于該情況下的金屬旁通支路運行工況，須考慮以下影響：

（1）極層保護性閉鎖策略中的合BPS或隔離閥組動作是否導(dǎo)致金屬旁通支路運行工況。

（2）接地故障中故障點的分流作用是否導(dǎo)致金屬旁通支路運行工況。

（3）故障側(cè)的極隔離動作能否對已形成的金屬旁通支路進行有效隔離。

3 對策與建議

通過斷開NBS來隔離金屬旁通支路時，由于回路結(jié)構(gòu)的變化以及NBS開關(guān)的振蕩作用，運行極工況將受開關(guān)分?jǐn)噙^程影響而發(fā)生波動。為參照滇西北工程實際接地極線路、直流線路以及NBS開關(guān)參數(shù)，通過實時數(shù)字仿真儀（RTDS）仿真系統(tǒng)模擬金屬旁通支路運行時斷開NBS的波形。

若金屬旁通支路運行工況是由極層保護性閉鎖引起，則剩余運行極可能在經(jīng)過功率轉(zhuǎn)帶后進入過負(fù)荷運行，此時，金屬旁通支路中的電流可能超出NBS開關(guān)的分?jǐn)嗄芰Γ鵁o法成功隔離。滇西北工程 RTDS仿真模型中模擬逆變站極高壓側(cè)母線接地故障導(dǎo)致單極閉鎖的試驗錄波，試驗系統(tǒng)中各主要運行參數(shù)與工程現(xiàn)場一致，圖中狀態(tài)量為逆變站故障極在閉鎖過程中的關(guān)鍵狀態(tài)量。故障極閉鎖后，剩余運行極立即進入短期過負(fù)荷運行（秒級），短期過負(fù)荷能力耗盡后再進入長期過負(fù)荷運行。由于逆變站故障后投入旁通對與BPS，形成故障點，對應(yīng)金屬旁通支路運行工況，又因接地故障點位于逆變站內(nèi)，因此金屬旁通支路電流ID2在BPS閉合后迅速升高至與ID接近。此后，由于金屬旁通支路電流始終超出NBS的分?jǐn)嗄芰?，而無法隔離金屬旁通支路。

3.1 聯(lián)鎖功能設(shè)計

在系統(tǒng)無接地故障的情況下，考查圖1所示金屬旁通支路運行工況，對極兩站全部閥組均為金屬旁通狀態(tài)且對級在系統(tǒng)無接地故障的情況下，考查圖1所示金屬旁通支路運行工況，系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：

（1）一極運行、一極閉鎖。

（2）非運行極兩站四閥組均為金屬旁通狀態(tài)。

（3）非運行極兩站均極連接（直流極同時接入極高壓線路、中性母線的狀態(tài)）。

考慮實際工程現(xiàn)場形成上述條件的先后順序并不固定，因此，針對金屬旁通支路聯(lián)鎖設(shè)計的原則為：禁止即將導(dǎo)致系統(tǒng)進入金屬旁通支路運行的最后一項操作。聯(lián)鎖內(nèi)容應(yīng)至少包含以下3點：

（1）對極兩站全部閥組均為金屬旁通狀態(tài)且對級兩站均極連接時，不允許解鎖本極。

（2）本極兩站均極連接、對極運行且本極兩站中的其余三閥組均為金屬旁通狀態(tài)時，不允許操作本閥組進入金屬旁通狀態(tài)。

（3）對站本極為極連接、對極運行且本極兩站全部閥組均為金屬旁通狀態(tài)，不允許操作本極進入極連接狀態(tài)。

3.2 極閉鎖

極閉鎖形成的金屬旁通支路運行均發(fā)生在雙極運行時單極保護性閉鎖過程中，通過前文梳理，可知其包括以下3種情況：

（1）整流站極高壓側(cè)接地故障（包括高壓直流線路接地故障）導(dǎo)致保護性閉鎖時，逆變側(cè)投入旁通對和BPS。

（2）整流站在極層保護性閉鎖后投入旁通對和BPS，同時逆變站配合閉鎖時也投入旁通對和BPS。

（3）逆變站直流高壓側(cè)或閥組連接線接地故障時，逆變站故障極投入旁通對和BPS。

考查以上3種情況下的金屬旁通支路特點，其必要的形成條件為：逆變側(cè)閥組在閉鎖過程中投入旁通對和BPS。因此，合理設(shè)計逆變側(cè)極層保護性閉鎖中的投旁通對與BPS策略，對于防止金屬旁通支路運行具有重要意義。針對該情況下的金屬旁通支路運行，可考慮采取以下措施進行預(yù)防：

（1）針對整流側(cè)高壓區(qū)接地保護動作，令逆變側(cè)在配合其閉鎖過程中不投入旁通對與BPS。

（2）逆變側(cè)極層保護性閉鎖發(fā)生時，針對特定保護，例如：直流差動保護、極母線差動保護、閥組連接線差動保護等，應(yīng)禁止相應(yīng)閥組投旁通對與BPS。通常情況下，逆變側(cè)保護性閉鎖極時投入旁通對和BPS能夠起到快速隔離交、直流系統(tǒng)的作用。另外，站間通信故障情況下，逆變側(cè)投入旁通對和BPS還可以拉低直流電壓，令逆變側(cè)保護動作閉鎖時，可通過直流低電壓特征引導(dǎo)整流側(cè)完成極閉鎖。

4 結(jié)語

圖1：典型的金屬旁通支路運行工況

文中分析和研究了雙12脈動閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特高壓直流工程金屬旁通支路運行工況，研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)很容易在這幾種情況下進入金屬旁通支路運行工況：直流場開關(guān)、刀閘手/自動控制過程中、極層保護性閉鎖過程中等，本文分析了金屬旁通支路運行中出現(xiàn)的問題，并針對這些問題提出了有效的解決措施，要保證金屬旁通支路運行工況不出現(xiàn)問題，就進行有效的預(yù)防很重要，有效的預(yù)防方式是：

（1）改善金屬旁路支路操作的聯(lián)鎖。

（2）當(dāng)逆變站的特高壓側(cè)接地保護或特定區(qū)域保護運行時，應(yīng)避免在逆變側(cè)安裝旁路副和旁路開關(guān)。

（3）在高、低壓共測點閥門保護系統(tǒng)中，極點控制系統(tǒng)同時建立了雙閥保護回收的處理邏輯。