基于錄波識別的直流閥區(qū)故障快速定位方法研究

賀紅資，趙建明，王金玉，何相成

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司大理局，云南大理671000）

0 前言

隨著國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)的升級，特高壓直流工程的數(shù)量逐年提升[1-2]，由此也帶來了直流閥區(qū)發(fā)生故障可能性的增加，例如滇西北直流工程“12·5”極1 高端400 kV 穿墻套管末屏閃絡(luò)事件?，F(xiàn)場故障發(fā)生后，若故障點有明顯損壞現(xiàn)象自然能快速找到故障點，而若故障點無明顯損壞現(xiàn)象則從故障暫態(tài)錄波上著手分析故障點位置將會更為明智。

眾所周知，閥區(qū)故障是直流系統(tǒng)中最難分析的故障，因為其涉及到具體的換相過程。目前傳統(tǒng)的閥組故障分析方法是基于故障前后詳細的換相過程[3-4]，且無人對分析方法和流程進行提煉總結(jié)，現(xiàn)場故障分析因人而異，一步出錯將導(dǎo)致錯誤的結(jié)論，且分析過程耗時較長。因此，作者借助RTDS實時數(shù)字仿真平臺，結(jié)合直流系統(tǒng)特性[5-9]，對閥區(qū)故障引起的電力系統(tǒng)動態(tài)行為[10-11]進行了大量的仿真分析，最終提煉出了一套基于錄波識別的故障快速定位方法，為人工智能故障定位等新技術(shù)提供了理論支撐。同時結(jié)合閥區(qū)采樣互感器配置，詳細分析了當前某些特高壓直流保護設(shè)計的缺點，即一定情況下不能區(qū)分出故障發(fā)生在哪個閥組，給現(xiàn)場故障點查找?guī)砝щy，由此提出互感器配置與保護優(yōu)化策略。

1 特高壓直流工程閥區(qū)典型設(shè)計

以整流側(cè)一極為例，特高壓直流工程閥區(qū)典型設(shè)計[10-11]如圖1所示，每極有高低端兩個閥組，每個閥組由一個可獨立運行的12脈動基本換流單元組成，閥區(qū)電流互感器主要包括換流變交流閥側(cè)測點YY橋IVY_L1、IVY_L2、IVY_L3，YD橋IVD_L1、IVD_L2、IVD_L3，及閥廳直流場側(cè)測點IDCH、IDCN，為發(fā)揮特高壓輸電優(yōu)勢，正常情況下雙閥組均會投入，典型運行回路圖如圖2所示，目前最常見的特高壓直流其高壓側(cè)對地電壓可達800 kV。

圖1特高壓直流閥區(qū)典型設(shè)計

圖2特高壓直流典型運行方式

2 特高壓直流閥區(qū)故障快速定位方法

2.1 傳統(tǒng)閥區(qū)故障定位分析的不足

傳統(tǒng)的閥組故障分析方法基于故障前后詳細的換相過程，無規(guī)范的分析方法和流程，這要求現(xiàn)場運維人員對換相原理十分熟悉，一步出錯將導(dǎo)致錯誤的結(jié)論，且分析過程耗時較長，這些不足將延長故障處理時間，極有可能造成事件升級。

2.2 閥區(qū)故障快速定位方法

為了尋找故障快速定位方法，作者借助RTDS實時數(shù)字仿真平臺，對當前電流互感器配置下的閥區(qū)故障及進行了大量的仿真，分析總結(jié)了各項故障錄波特征，仿真故障點設(shè)置如圖3框內(nèi)所示，得出方法如下：

圖3閥區(qū)故障仿真試驗故障設(shè)置位置

1）判斷閥區(qū)是否接地。IDCH 與IDCN 間若出現(xiàn)顯著差流則認為閥區(qū)發(fā)生了接地故障，若差流值在測量誤差范圍內(nèi)則說明閥區(qū)內(nèi)未發(fā)生接地。

2）閥區(qū)未接地時，進行故障區(qū)域定位及故障類型識別。有三種故障類型，分別為換流變交流閥側(cè)相間短路、換流閥閥臂短路、換流橋（單六脈動橋或多六脈動橋）短路。當換流器處于整流（逆變）模式時，此三種故障都將造成故障范圍內(nèi)的六脈動橋交流閥側(cè)電流劇增（逆變劇減），據(jù)此特征可迅速將故障范圍鎖定到某一個或多個六脈動橋上。接下來識別故障類型，可按此方法：相間短路時交流閥側(cè)電流將呈現(xiàn)典型的相間短路特征，兩相短路時故障的兩相電流交替變換，且大小近似相等，不存在換相過程；換流閥短路時故障相有典型的反向?qū)ㄌ卣鳎瑫r若處于非換相期間理應(yīng)關(guān)斷的相別突然產(chǎn)生電流即可確定該相別故障，逆變側(cè)可出現(xiàn)故障相在正變負或由負變正時與橫軸交點處連續(xù)以及換相失敗的現(xiàn)象，再簡單通過換相過程分析即可確定是哪一個換流閥；換流橋短路時，若為整流，交流閥側(cè)電流劇增，各閥保持單向?qū)ㄌ匦裕夷軗Q相成功，若為逆變，交流閥側(cè)電流劇減，非故障橋及直流側(cè)電流增大且相等。

3）閥區(qū)接地時，先確定故障橋，通過四個六脈動橋電流衰減、增大的不同特征可將故障鎖定在兩個相鄰的橋內(nèi)，以整流側(cè)為例，故障后若高閥YY橋最大相電流衰減，高閥YD、低閥YY、YD最大相電流增大，則故障必然發(fā)生在高閥YY、YD內(nèi)，再如高閥YY、YD最大相電流衰減，低閥YY、YD最大相電流增大，則故障必然發(fā)生在高閥YD、低閥YY 內(nèi)。再確定故障點位置，分兩種情況，在非換相期間若關(guān)斷相突然產(chǎn)生電流即可確定為該相別故障，對逆變側(cè)若出現(xiàn)某一相在正變負或由負變正時與橫軸交點處連續(xù)時該相即為故障相，否則基于故障前后的換相過程，靈活運用假設(shè)排除法來進行定位，此時定位出的故障范圍必然較大，范圍將涉及兩個相鄰的六脈動橋及它們之間的公共部分。

2.3 閥區(qū)故障快速定位方法運用實例

實例1：仿真交流閥側(cè)兩相短路，其故障錄波如圖4所示，故障后極1 IDCH與IDCN 測點之間無差流，說明閥區(qū)內(nèi)未發(fā)生接地，由于僅有極1高閥YY 橋電流劇增，因此可迅速鎖定故障發(fā)生在極1高閥YY 橋，同時，YY 橋A、B兩相有典型的相間短路特征，因此可快速確定故障位置和類型為極1高端YY 橋交流閥側(cè)A、B相相間短路，故障范圍如圖5所示。

實例2：一次實際發(fā)生的直流閥區(qū)故障，其故障錄波如圖6所示，故障后極1 IDCH與IDCN 測點之間差流十分明顯，因此可確定極1 IDCH 與IDCN測點之間發(fā)生了接地，由于故障后極1高閥YY、YD橋電流均衰減，而極1低閥YY、YD橋電流均增加，因此可將故障鎖定在極1低閥YY 橋、極1高閥YD橋之間（含兩橋連接部分），為進一步確定故障范圍，對換相過程進行分析：故障時刻極1高閥YY橋1、3、2閥導(dǎo)通，1閥正向3閥換相，極1高閥YD橋3、2閥導(dǎo)通，極1低閥相同，故障后極1高閥閥側(cè)電流均衰減，可排除IDCH 測點與極1高閥YD橋IVD C相測點之間發(fā)生接地故障，由于故障后極1低閥YY 橋和YD橋閥側(cè)電流均增大，因此可排除極1低閥YY橋IVY A 相和B相測點與IDCN 之間發(fā)生接地故障，假設(shè)故障點發(fā)生在極1低閥YY 橋A 相，則故障消失前極1 低閥YY 橋A 相能持續(xù)流過故障電流，這不滿足現(xiàn)場錄波特征，故排除故障發(fā)生在極1低閥YY 橋A 相。

通過以上分析，可最終確定故障發(fā)生在極1低端閥組YY橋IVY B相測點至極1高端閥組YD橋IVD C相測點之間的電氣連接部分，如圖4所示。

圖4實例1閥區(qū)故障錄波圖

圖5運用實例故障范圍

3 特高壓直流閥區(qū)保護優(yōu)化思路

目前南方電網(wǎng)在運的特高壓直流工程閥區(qū)均采用圖1配置，由例2故障分析可知，若此時故障點發(fā)生在極1高閥YD橋內(nèi)，依據(jù)當前的保護配置，將只有極1低閥閥短路保護動作，極1高閥自己的閥短路保護將不會動作，另一方面此區(qū)域范圍過大，且設(shè)備眾多（涉及交直流側(cè)套管、避雷器、電壓互感器、換流閥臂等），當無明顯放電點時檢查起來耗時耗力。上述問題究其根源還是在于互感器的配置不完善，因此可對互感器配置作如下優(yōu)化：在低端閥組高壓側(cè)套管出口處及高端閥組低壓側(cè)套管入口處各增加一個電流測點，分別命名為IDML與IDMH，優(yōu)化后的電流互感器配置圖如圖7 所示。

圖6實例2閥區(qū)故障錄波圖

圖7優(yōu)化后的閥區(qū)電流互感器配置

增加這兩處測點后，可根據(jù)IDML 與IDMH的特征將各種故障形式下的定位范圍縮小至單閥組內(nèi)。同時，可在此基礎(chǔ)上對閥區(qū)保護進行優(yōu)化，一種思路是新增3個差動保護，分別為高端閥組直流差動保護、低端閥組直流差動保護、閥組公共直流差動保護，判據(jù)分別如下，其中，Imk為動作門檻值：高端閥組直流差動保護：|IDCH-IDMH|＞Imk低端閥組直流差動保護：|IDCN-IDML|＞Imk閥組公共直流差動保護：|IDMH-IDML|＞Imk由判據(jù)可知，其保護對象分別為高端閥組、低端閥組、閥組公共部分的接地故障。

4 結(jié)束語

本文借助RTDS實時數(shù)字仿真平臺，對當前電流互感器配置下的閥區(qū)故障及其錄波特征進行了大量的仿真分析，提煉出了一套流程可固化的故障分析方法，實例表明利用該方法可準確快速的定位出故障范圍，為故障處理及功率恢復(fù)贏得了寶貴的時間，同時，該方法體現(xiàn)的思想可用于人工智能故障定位等新技術(shù)中。此外，通過大量試驗數(shù)據(jù)證明，當直流工程采用圖1所示閥區(qū)電流互感器配置時，在一定情況下，尤其是發(fā)生圖3中5H、21、4L類型的故障時，依據(jù)錄波分析出的范圍將涵蓋高低端閥組及其公共部分這一大區(qū)域，因此針對該不足提出了一種電流互感器配置與保護優(yōu)化思路，為后續(xù)的特高壓直流工程提供參考。