±800 kV直流輸電工程受端換相失敗對送端影響分析

張艷杰，張春亮

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼028000）

0 引言

高壓直流輸電系統(tǒng)電能輸送容量大、損耗低，輸電功率調(diào)節(jié)或反轉(zhuǎn)迅速靈活，同時(shí)具有輸電可靠性高、非同步聯(lián)絡(luò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在遠(yuǎn)距離、大區(qū)域的電網(wǎng)互聯(lián)及大容量輸電等方面應(yīng)用廣泛。換流閥是實(shí)現(xiàn)交直流變換的關(guān)鍵設(shè)備，在直流輸電工程中換流閥不僅具有整流和逆變的功能，還具有開關(guān)的功能，利用其快速可控性可實(shí)現(xiàn)對直流快速啟動(dòng)和停運(yùn)的操作。換相失敗是指換流閥在換相電壓反向之前未能完成換相，是直流系統(tǒng)運(yùn)行中常見故障之一。造成換相失敗的因素很多，如果換相失敗后控制不當(dāng)，會引發(fā)后續(xù)的換相失敗，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖[1-9]。本文以伊克昭—沂南±800 kV直流輸電工程為研究對象，通過受端沂南站換相失敗仿真試驗(yàn)，分析送端伊克昭站交流電壓異常對站內(nèi)設(shè)備的影響，并提出合理建議。

1 換相失敗原因及特征

換流閥的導(dǎo)通條件為：換流閥的陽極電位高于陰極電位，在控制極加上觸發(fā)所需的脈沖。當(dāng)換流器兩個(gè)閥進(jìn)行換相時(shí)，在換相過程未結(jié)束或預(yù)計(jì)關(guān)斷的閥關(guān)斷后，反向電壓未能恢復(fù)阻斷能力，若加在該閥上的電壓為正，則會造成其立即重新導(dǎo)通，發(fā)生倒換相，使預(yù)計(jì)開通的閥重新關(guān)斷，這種現(xiàn)象即為換相失敗[10-12]。

換相失敗一般發(fā)生在逆變側(cè)，會導(dǎo)致相間短路，對換流閥產(chǎn)生一定的影響；還可能導(dǎo)致直流閉鎖，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害。換相失敗故障具有以下特點(diǎn)：交流側(cè)同一相的一對閥同時(shí)導(dǎo)通，造成直流短路；直流電壓在一定時(shí)間內(nèi)降至零，直流電流短時(shí)增大，交流側(cè)短時(shí)開路，電流減小[11-14]。

2 昭沂直流工程換相失敗仿真分析

伊克昭—沂南±800 kV直流輸電工程（以下簡稱昭沂直流工程）西起內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊克昭換流站（整流站），東至山東省臨沂市沂南換流站（逆變站），橫跨內(nèi)蒙古、陜西、山西、河北、河南、山東6省，直流線路長約1238 km。該工程于2015-12-01核準(zhǔn)建設(shè)，2019-01-11正式投運(yùn)，是當(dāng)時(shí)世界上電壓等級最高、輸送容量最大的特高壓直流工程。額定電壓±800 kV，額定電流6250 A，額定輸送功率10 GW。本文針對沂南站換相失敗對伊克昭站交直流設(shè)備的影響進(jìn)行分析。

2.1 逆變站換相失敗仿真試驗(yàn)

對逆變側(cè)換相失敗進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證單閥組發(fā)生丟失脈沖故障時(shí)，換相失敗能否正確動(dòng)作，并核實(shí)控制系統(tǒng)運(yùn)行是否平穩(wěn)，閉鎖、緊急停運(yùn)等時(shí)序是否正確。

將系統(tǒng)調(diào)至試驗(yàn)狀態(tài)工況，通過RTDS仿真系統(tǒng)模擬逆變站極Ⅰ低端閥組Y/Y繞組某一橋臂3 s脈沖丟失故障。系統(tǒng)試驗(yàn)前狀態(tài)見表1。

表1 系統(tǒng)試驗(yàn)前狀態(tài)1）

故障導(dǎo)致?lián)Q相失敗發(fā)生，從錄波圖（見圖1）可以看出，沂南站在0.2 s時(shí)發(fā)生換相失敗，波動(dòng)時(shí)間持續(xù)600 ms，0.8 s時(shí)閥組閉鎖。

圖1 換相失敗時(shí)沂南站錄波圖

2.2 整流側(cè)直流系統(tǒng)影響分析

逆變側(cè)出現(xiàn)換相失敗時(shí)，查看整流側(cè)直流系統(tǒng)故障錄波（見圖2）?？梢钥闯觯瑩Q相失敗發(fā)生時(shí)整流側(cè)直流電壓瞬間跌落50%、電流瞬間突增至1.4（p.u.），后控保系統(tǒng)將電流控制到1.05（p.u.），波動(dòng)持續(xù)650 ms，閥組閉鎖，換相失敗保護(hù)正確動(dòng)作。

圖2 換相失敗時(shí)整流側(cè)直流系統(tǒng)錄波圖

2.3 整流側(cè)交流系統(tǒng)影響分析

交流系統(tǒng)是一個(gè)恒定的功率源。直流系統(tǒng)不僅要從交流系統(tǒng)中獲取有功，還要獲取足夠的無功來支持換流閥工作，因此直流系統(tǒng)的故障會給交流系統(tǒng)帶來影響。

當(dāng)模擬逆變側(cè)極Ⅰ低端閥組Y/Y繞組某一橋臂3 s脈沖丟失導(dǎo)致?lián)Q相失敗故障時(shí)，整流側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)。500 kV母線電壓最低470 kV，最高570 kV，持續(xù)800 ms，擾動(dòng)幅度為-6%~14%。

逆變側(cè)發(fā)生換相失敗后，整流側(cè)電流調(diào)節(jié)器為限制故障電流而增加觸發(fā)角α，逆變側(cè)交流電壓也增加。整流側(cè)吸收的無功發(fā)生突變，導(dǎo)致交流側(cè)電壓突降，無功需求增大，最終導(dǎo)致閥組閉鎖?？梢钥闯?，逆變側(cè)換相失敗對整流側(cè)交流系統(tǒng)擾動(dòng)明顯，交流電壓發(fā)生畸變，導(dǎo)致無功需求發(fā)生變化。

3 整流側(cè)交流電壓異常對站內(nèi)設(shè)備的影響

多次模擬沂南站不同工況下?lián)Q相失敗后對伊克昭站設(shè)備的影響，試驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)據(jù)見表2，具體過程及分析如下。

3.1 交流濾波器投切

當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí)，首先表現(xiàn)為觸發(fā)角α增大，此時(shí)換流器無功需求增大，造成交流電壓突降，換流閥單閥組閉鎖。為保證功率平穩(wěn)回降，控保系統(tǒng)將進(jìn)入1.05（p.u.）過負(fù)荷狀態(tài)，此時(shí)電流增大，α減小，換流器無功需求降低，造成交流系統(tǒng)無功過剩。此時(shí)控保無功控制動(dòng)作，切除交流濾波器。

在1.8試驗(yàn)時(shí)，沂南站換相失敗后，伊克昭站單閥組閉鎖，此時(shí)α為24°，有功功率為7875 MW。額定工況下，伊克昭站所需無功為5 795.4 Mvar，單閥組閉鎖后所需無功為5 537.86 Mvar，無功需求減少257.5 Mvar。

伊克昭站配置的交流濾波器每小組容量為265 Mvar。閥組閉鎖后，根據(jù)伊克昭站無功控制策略，在3.4 s切除1小組交流濾波器，以降低母線電壓。

3.2 低容、低抗投切

（1）伊克昭站3臺聯(lián)備變壓器低壓側(cè)各安裝2組低壓電抗器（以下簡稱低抗），每組120 Mvar，換流器解鎖后，選取兩組參與無功控制，其余4組參與電壓控制。當(dāng)母線電壓高于537 kV，延時(shí)5 s投入1組低抗；交流電壓低于523 kV，延時(shí)5 s切除一組低抗。

（2）伊克昭站3臺聯(lián)備變壓器低壓母線側(cè)各安裝2組低壓電容器（以下簡稱低容），每組120 Mvar，換流器解鎖后，選取未投入的所有低容參與無功控制，投入的低容參與電壓控制。交流電壓高于542 kV時(shí)，延時(shí)5 s切除1組低容；交流電壓低于510 kV，延時(shí)5 s投入一組低容。

在以上換相失敗試驗(yàn)中，交流母線持續(xù)過壓時(shí)間遠(yuǎn)未達(dá)到低容、低抗投切要求，因此伊克昭站低容、低抗未動(dòng)作。

3.3 站用電系統(tǒng)異常

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，換相失敗后，伊克昭站站用電系統(tǒng)會隨著交流系統(tǒng)波動(dòng)，并跟隨伊克昭站500 kV母線電壓的變化而變化。當(dāng)功率1.0（p.u.）、脈沖3 s或閥短路100 ms導(dǎo)致?lián)Q相失敗時(shí)，整流側(cè)400 V母線的波動(dòng)較大，當(dāng)功率0.1（p.u.）、閥丟脈沖3 s或閥短路100 ms導(dǎo)致?lián)Q相失敗時(shí)，整流側(cè)400 V母線的波動(dòng)較小。

表2 沂南站換相失敗時(shí)伊克昭站500 kV、400 V母線電壓變化情況1）

通過以上換相失敗試驗(yàn)得出，沂南站發(fā)生換相失敗，會導(dǎo)致伊克昭站站用電系統(tǒng)發(fā)生波動(dòng)。因此逆變側(cè)換相失敗會對整流側(cè)400 V負(fù)荷產(chǎn)生影響。

3.4 閥外冷主泵軟啟動(dòng)器

伊克昭站閥冷系統(tǒng)主泵配置欠壓保護(hù)，若400 V母線電壓擾動(dòng)異常，會造成欠壓保護(hù)動(dòng)作。伊克昭站閥冷系統(tǒng)欠壓保護(hù)定值為320 V，延時(shí)0 s。對比不同工況下沂南站換相失敗導(dǎo)致伊克昭站站用電系統(tǒng)的波動(dòng)，波動(dòng)影響最大的一次為1.8試驗(yàn)。試驗(yàn)中400 V母線電壓最高為485 V，最低為364 V，未達(dá)到主泵欠壓保護(hù)動(dòng)作定值和主泵切換定值。主循環(huán)泵采用交流電源，主泵在電壓波動(dòng)±10%范圍內(nèi)能夠正常工作。

通過以上分析可得，在昭沂直流大功率運(yùn)行工況下，400 V母線電壓波動(dòng)較大，閥冷系統(tǒng)欠壓保護(hù)定值設(shè)置合理，閥外冷主泵可以避開波動(dòng)范圍，但也應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)視，及時(shí)關(guān)注主泵的運(yùn)行狀態(tài)。

3.5 閥外冷風(fēng)機(jī)變頻器

伊克昭站閥外冷風(fēng)機(jī)由變頻風(fēng)機(jī)和工頻風(fēng)機(jī)組成，風(fēng)機(jī)過壓保護(hù)定值為480 V，欠壓保護(hù)定值為320 V，延時(shí)2 s?？紤]變頻器電壓測量誤差5%，當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí)，400 V電壓跌落至90%，持續(xù)800 ms，未達(dá)到冷卻風(fēng)機(jī)停機(jī)電壓及冷卻風(fēng)機(jī)切換電源定值，故對外冷風(fēng)機(jī)變頻器無影響。

通過以上分析，閥外冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)過壓、欠壓定值設(shè)置合理，當(dāng)逆變側(cè)換相失敗導(dǎo)致整流側(cè)母線波動(dòng)時(shí)，外冷風(fēng)機(jī)可以避開波動(dòng)范圍。

3.6 換流變壓器冷卻器

伊克昭站換流變壓器冷卻器由兩路380 V交流電源供電。當(dāng)單路380 V交流電源供電故障時(shí)，系統(tǒng)延時(shí)5 s后備用電源投入使用，在此期間匯控柜與風(fēng)冷控制柜交流電源失電，同時(shí)導(dǎo)致控制回路失電，設(shè)備停機(jī)。當(dāng)兩路380 V交流電源同時(shí)故障時(shí)，將導(dǎo)致整個(gè)換流變壓器冷卻系統(tǒng)無法工作，必須停機(jī)檢修。

當(dāng)單路380 V交流電源電壓值低于欠壓定值0.85（p.u.）時(shí)，自動(dòng)切換裝置啟動(dòng)，斷開一路電源，合上另一路電源。伊克昭站換流變壓器冷卻器電源切換裝置電壓監(jiān)視繼電器為欠壓繼電器，欠壓動(dòng)作定值為323 V，延時(shí)5 s。冷卻風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)可在50%工頻電源下正常工作。當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí)，400 V電壓跌至90%，持續(xù)800 ms，未達(dá)到冷卻風(fēng)機(jī)停機(jī)電壓及切換電源定值，不影響冷卻器正常運(yùn)行。

通過分析，該系統(tǒng)欠壓定值設(shè)置合理，當(dāng)逆變側(cè)換相失敗導(dǎo)致整流側(cè)母線電壓波動(dòng)時(shí)，換流變壓器冷卻器可以避開波動(dòng)范圍。

4 結(jié)論與優(yōu)化建議

4.1 結(jié)論

通過仿真分析昭沂直流工程調(diào)試期間沂南站換相失敗對伊克昭站交、直流系統(tǒng)擾動(dòng)及400 V所帶負(fù)荷的影響，得出以下結(jié)論。

（1）沂南站換相失敗的時(shí)間、長度、次數(shù)不同，對伊克昭站交流系統(tǒng)的影響程度也不一樣，但受沂南站交流擾動(dòng)影響，伊克昭站的情況沒有改變。

（2）當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí)，為了快速恢復(fù)晶閘管阻斷能力，逆變側(cè)控制系統(tǒng)將增大觸發(fā)角，導(dǎo)致?lián)Q流器無功需求增大，逆變側(cè)交流電壓降低。此時(shí)逆變側(cè)理想空載直流電壓變低，整流側(cè)和逆變側(cè)之間電壓差增大，造成直流電流增大。整流側(cè)檢測到極母線電流增大，控制系統(tǒng)將增大觸發(fā)角，降低整流側(cè)理想空載電壓，此時(shí)兩側(cè)電壓差減小，直流電流降低。

（3）逆變側(cè)短時(shí)換相失敗對整流側(cè)400 V母線電壓擾動(dòng)幅度為-6%~14%，擾動(dòng)時(shí)間較短。400 V所帶負(fù)荷如閥外冷主泵、閥外冷風(fēng)機(jī)、換流變冷卻器的保護(hù)定值設(shè)置合理，可避開電壓波動(dòng)。

（4）在直流系統(tǒng)大功率運(yùn)行時(shí)，逆變側(cè)換相失敗會導(dǎo)致單閥組閉鎖，對整流側(cè)交流系統(tǒng)的波動(dòng)影響較大，會造成濾波器切除。小功率運(yùn)行情況下對整流側(cè)交流系統(tǒng)的影響較小，不會切除濾波器。

4.2 運(yùn)維措施優(yōu)化建議

（1）逆變側(cè)換相失敗會對整流側(cè)站用電系統(tǒng)造成波動(dòng)，因此對于站內(nèi)雙電源系統(tǒng)要充分考慮延時(shí)。對站內(nèi)400 V重要負(fù)荷定值整定時(shí)，在考慮自身保護(hù)外，還要考慮400 V母線電壓擾動(dòng)的影響。

（2）在直流大功率運(yùn)行工況下，應(yīng)及時(shí)關(guān)注站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，檢查閥外冷主泵、閥外冷風(fēng)機(jī)、換流變冷卻器、站用電系統(tǒng)運(yùn)行情況及交流濾波器的投切狀態(tài)。

（3）加強(qiáng)水冷、站用電系統(tǒng)和非電量保護(hù)管理，校核水冷保護(hù)定值的合理性及水冷保護(hù)、站用電備自投、主泵切換時(shí)間之間的關(guān)系，在交流系統(tǒng)暫態(tài)擾動(dòng)情況下，避免出現(xiàn)雙重化主泵全部切除導(dǎo)致直流閉鎖的情況。

（4）加強(qiáng)換流閥及閥控系統(tǒng)管理。換流閥和閥控系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)核心設(shè)備，在運(yùn)行過程中應(yīng)高度重視丟脈沖、保護(hù)性觸發(fā)、無回報(bào)等報(bào)警信號，及時(shí)查找缺陷隱患，提出整改消缺措施。