種芝藝，粟小華，劉寶宏

(1.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京市 100052;2.國家電網(wǎng)西北調(diào)控分中心，西安市 710048)

0 引言

青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程兩端接入的交流系統(tǒng)都是弱系統(tǒng)［1-5］，系統(tǒng)諧波水平較高，耐受擾動的能力較差，使得青藏直流工程的運行條件較惡劣，容易降低直流系統(tǒng)的能量可用率［6-8］。

青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程本期建設(shè)規(guī)模雙極為600MW，直流電壓為±400kV，直流電流為750 A，于2011年11月11日投入試運行。2011年11月16日官廳變750 kV主變充電，直流100 Hz諧波保護動作導致雙極閉鎖。將柴達木站極2的100 Hz諧波保護動作時間從3 s延長至6 s后，2011年12月11日武勝變750 kV主變充電，青藏直流極1的100 Hz保護動作導致單極閉鎖，直流系統(tǒng)2次強迫停運都與西北電網(wǎng)750 kV主變充電有關(guān)。在弱交流系統(tǒng)中大容量主變充電將產(chǎn)生較大的勵磁涌流［9-10］，涌流含有數(shù)值較大的諧波分量，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時間越長，諧波電壓分量遠遠超過設(shè)計水平，對直流系統(tǒng)的運行產(chǎn)生較大危害。

因此，有必要研究西北電網(wǎng)主變充電導致青藏直流諧波保護動作的原因，并提出可行的解決措施。

1 故障現(xiàn)象

2011－11－16T21:01，青藏直流系統(tǒng)雙極大地回線運行，直流電壓為±400kV，直流電流為125 A，雙極輸送功率為100MW，功率方向為柴達木—拉薩。在21:01:29時，官廳2號750 kV主變首次充電。在21:01:32時，柴達木換流變電站2個極的100 Hz保護同時動作，導致雙極閉鎖。藏中電網(wǎng)安穩(wěn)裝置動作正確，共切除106 MW負荷，頻率最低至49.65 Hz，最高至50.36 Hz，奪底變220 kV母線電壓由230.24 kV升至231.46 kV。

2011－12－11T00:55，青藏直流系統(tǒng)雙極大地回線運行，直流降壓±280 kV運行，直流電流為75 A，雙極輸送功率為42 MW，功率方向為柴達木—拉薩。在00:55:18時，武勝750 kV主變檢修后首次充電。在00:55:21時，柴達木換流變電站極1直流諧波保護(100 Hz)動作，執(zhí)行Y閉鎖。極1閉鎖后極2功率轉(zhuǎn)代成功，直流沒有損失功率，藏中電網(wǎng)運行穩(wěn)定。

2 2次諧波分析

官廳2號主變和武勝主變檢修后首次充電時，都出現(xiàn)了較大的勵磁涌流，2次諧波電壓含量很高。官廳變合閘后5個周波時的750 kV母線諧波含量和同一時刻柴達木換流站330 kV母線電壓諧波含量如表1所示。對比2站諧波電壓含量，官廳變充電產(chǎn)生的諧波電壓在柴達木換流站被放大，尤其是2次諧波分量，在官亭變含量為3.2%，在柴達木換流站則達到了8.1%，放大了約2.5倍。

表1 合閘后5個周波時的諧波電壓含量Tab.1 Harmonic voltage content in 5 cycles after transformer switching-in

西北電網(wǎng)750 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，柴達木換流站位于750 kV交流系統(tǒng)末端，距西寧變超過700 km，周圍除龍羊峽水電站外，無交流電源支撐，易受交流系統(tǒng)擾動影響。

圖1 西北電網(wǎng)750 kV網(wǎng)架Fig.1 750 kV grid in northwest China power grid

對柴達木換流站進行諧波阻抗掃描，各次諧波下的系統(tǒng)阻抗如圖2所示，2次諧波阻抗較高，接近于并聯(lián)諧振點。對于2次諧波，柴達木換流站2次負載阻抗較高，近似于空載線路末端，將產(chǎn)生線路容升效應，導致末端2次諧波電壓升高，形成尾翹現(xiàn)象。采用EMTDC模型進行仿真計算，在西寧變附近750 kV注入2次諧波，柴達木換流站330 kV母線2次諧波含量將放大2.3或2.5倍，與官廳主變充電引起的柴達木換流站2次諧波含量升高現(xiàn)象類似。

圖2 柴達木換流站諧波阻抗Fig.2 Harmonic impedance in Chaidamu converter station

750 kV主變充電時產(chǎn)生的2次諧波電壓是由合閘勵磁涌流引起，勵磁涌流的衰減時間與變壓器容量、鐵心的飽和程度、系統(tǒng)強度有關(guān)。變壓器容量越大、鐵心飽和程度越高、交流系統(tǒng)強度越弱，則勵磁涌流的衰減時間越長，大容量變壓器勵磁涌流的衰減時間可能長達十幾s甚至幾十s。依據(jù)西寧—柴達木換流站沿線的錄波圖，750 kV主變合閘引起的2次諧波分量衰減較慢，經(jīng)過約25 s后才逐漸衰減至0。

社會認知論是社會心理學的重要理論之一，與讀心術(shù)有著或多或少的關(guān)系。實用性利潤重視商品的效用、價值。感知性利潤重視購買者的自我體驗。例如，在兒童節(jié)節(jié)日時，某廠家品牌的兒童奶粉價格進行8.5折促銷活動。當那些需求奶粉的購買者看見此品牌價格促銷進行時，他們通常會觀察期商品的保質(zhì)期、成分等，并核實在8.5折之后的奶粉具體價格，能夠優(yōu)惠多少金錢。倘若此奶粉品牌在贈品促銷時，對買一罐奶粉的購買者都贈與兒童玩具，購買者看到可以獲得贈品，會感到非常合適，就會增加對廠家品牌的認可。價格促銷能提升產(chǎn)品質(zhì)量和價值本質(zhì)，贈品促銷能夠提升額外和驚喜感知。

3 保護動作分析

在原諧波保護程序［11］中，100 Hz保護檢測頻寬為80～200 Hz，涵蓋了2～4次諧波，將各次諧波峰值疊加作為檢測出的諧波電流值。保護定值設(shè)定如式(1)和表2所示。

式中:ID100Hz_amp為直流諧波電流峰值;ID為實際運行電流;IDnom為額定直流電流，為750 A。

表2 100 Hz保護定值Tab.2 100 Hz protection setting

根據(jù)換流器諧波變換［12-13］原理，交流側(cè)n次正序諧波電壓，在直流側(cè)產(chǎn)生n－1次諧波;交流側(cè)n次負序諧波電壓，在直流側(cè)產(chǎn)生n+1次諧波。官廳主變充電，勵磁涌流產(chǎn)生負序2次諧波，在直流系統(tǒng)中產(chǎn)生3次諧波，在柴達木換流站極1和極2保護程序中檢測到的100 Hz諧波分量為100 A，如圖3(a)所示，大于70 A的保護動作定值，如圖3(b)所示。保護系統(tǒng)在0.35 s后切換控制系統(tǒng)，2 s后發(fā)出降功率指令，將直流功率降至0.3 pu，由于故障前直流單極功率為0.167 pu，系統(tǒng)沒有執(zhí)行降功率指令，3 s后直流雙極跳閘，保護動作正確。

圖3 極保護100 Hz諧波保護曲線Fig.3 Curve of 100 Hz harmonic protection

4 抑制勵磁涌流的措施

西北電網(wǎng)官廳變和武勝變的750 kV主變合閘產(chǎn)生了衰減很慢的負序2次諧波電壓是導致直流閉鎖的根本原因，因此，降低750 kV主變合閘產(chǎn)生的勵磁涌流是防止主變合閘時直流閉鎖的根本措施?？刹扇∫韵路椒▉硪种?50 kV主變合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流［14-17］:(1)在主變合閘前做好去磁措施，降低變壓器中的剩磁;(2)主變斷路器安裝合閘電阻，抑制勵磁涌流的峰值;(3)從330 kV側(cè)對750 kV主變合閘充電，利用較強的330 kV電網(wǎng)加快勵磁涌流衰減。

5 保護優(yōu)化方案

為了提高青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程適應弱交流系統(tǒng)的能力，可在直流系統(tǒng)設(shè)備承受能力范圍內(nèi)和交流系統(tǒng)安全穩(wěn)定的條件下，對直流保護配置進行優(yōu)化，降低直流系統(tǒng)強迫停運的幾率。

根據(jù)系統(tǒng)研究結(jié)論，直流回路產(chǎn)生的2次和3次功率振蕩在10 s內(nèi)對藏中電網(wǎng)產(chǎn)生的影響不大，系統(tǒng)能夠維持安全穩(wěn)定運行。

根據(jù)換流變、平波電抗器、換流閥、直流沖擊電容器等直流設(shè)備耐受諧波的能力，直流系統(tǒng)承受諧波電流的時間不宜超過6 s，取直流諧波保護動作的時間上限為6 s。

5.1 100 Hz保護定值優(yōu)化

100 Hz保護主要作為交流系統(tǒng)單相或相間故障時直流系統(tǒng)的后備保護，避免互聯(lián)電網(wǎng)之間出現(xiàn)持續(xù)功率振蕩。

100 Hz保護電流定值維持控制保護聯(lián)調(diào)試驗時的定值不變?？紤]到直流一極故障后，另一極功率轉(zhuǎn)代成功，可有效減少雙極同時停運的幾率。因此，2極保護宜采用不同跳閘時間，一極跳閘時間為3 s，另一極跳閘時間為6 s。

5.2 新增150 Hz保護

由于在交流系統(tǒng)出現(xiàn)負序2次諧波電壓，在直流側(cè)出現(xiàn)3次諧波分量，3次諧波增加設(shè)備發(fā)熱可能導致直流電流斷續(xù)，同時引起互聯(lián)電網(wǎng)之間出現(xiàn)持續(xù)功率振蕩，因此新增設(shè)置150 Hz保護。

150 Hz保護的采樣帶寬為130～170 Hz，保護定值為ID150Hz=0.85 ID，下限為63.75 A，上限定值為200 A，依據(jù)設(shè)備能力確定。時間定值為0.35 s時切換系統(tǒng)，2極采用不同的跳閘時間，即一極為3 s，另一極為6 s。

據(jù)此150 Hz諧波保護定值，將官廳變充電事件回放，直流系統(tǒng)150 Hz保護檢測到的諧波電流為90 A，小于電流動作定值106.25 A，保護不動作;將武勝變充電事件回放，150 Hz保護檢測到的諧波電流峰值為61 A，小于電流動作定值63.75 A，保護不動作。

5.3 50 Hz保護定值優(yōu)化方案

主變合閘可能產(chǎn)生負序2次諧波電壓，也可能產(chǎn)生正序2次諧波電壓。在主變充電引發(fā)正序2次諧波電壓較大時，直流功率將出現(xiàn)50 Hz分量，影響藏中電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，危害直流設(shè)備安全。原直流50 Hz諧波保護［11］配置的目的是作為換流閥丟脈沖的后備保護，沒有考慮到交流系統(tǒng)存在較大正序2次諧波的情況，當交流系統(tǒng)出現(xiàn)較大正序2次諧波時，存在直流雙極閉鎖的可能性。因此，50 Hz保護需新增針對交流系統(tǒng)出現(xiàn)較大正序2次諧波時的保護功能。

通過檢測交流系統(tǒng)正序2次諧波電壓分量，區(qū)分是換流閥丟脈沖還是交流系統(tǒng)出現(xiàn)正序2次諧波。由于直流系統(tǒng)自身丟脈沖產(chǎn)生的50 Hz分量在交流系統(tǒng)產(chǎn)生的正序2次諧波分量中不超過1%，因此，可以采用3%的檢測門檻鑒別是換流閥丟脈沖還是交流系統(tǒng)出現(xiàn)正序2次諧波。當正序2次諧波分量小于3%時，50 Hz保護維持原保護定值不變。當正序2次諧波分量不小于3%時，采用50 Hz保護新增功能的定值為ID150Hz=0.85 ID，下限為63.75 A，上限定值為200 A。時間定值為0.35 s切換系統(tǒng)，2極采用不同的跳閘時間，即一極為3 s，另一極為6 s。優(yōu)化后的50 Hz保護既能有效保護直流設(shè)備又可以盡量減少直流停運的幾率。

6 結(jié)語

本文分析了西北電網(wǎng)主變充電與直流諧波保護動作之間的關(guān)系，指出了西北電網(wǎng)750 kV主變合閘產(chǎn)生衰減很慢的2次諧波電壓是導致直流閉鎖的根本原因。在直流系統(tǒng)設(shè)備承受能力范圍內(nèi)和交流系統(tǒng)安全穩(wěn)定的條件下，對直流諧波保護配置進行優(yōu)化，降低了直流系統(tǒng)強迫停運的概率，提高了青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程適應弱交流系統(tǒng)的能力。

本文提出的諧波保護優(yōu)化方法已經(jīng)應用到青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程中，可為其他接入弱交流系統(tǒng)的直流輸電工程提供參考。

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