劉昊然，劉源，蔣童璐，周心怡，姚月

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙410004)

0 引言

電壓應(yīng)力是高壓直流輸電過程產(chǎn)生的電氣特性研究的重要內(nèi)容之一。過高的電壓應(yīng)力會降低設(shè)備運(yùn)行可靠性, 甚至損壞設(shè)備, 造成電網(wǎng)故障[1]。換流站電壓應(yīng)力保護(hù), 旨在保護(hù)直流核心設(shè)備換流閥, 防止其承受過高的電壓應(yīng)力而損壞, 對保障高壓直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義[2]。電壓應(yīng)力保護(hù)動作的正確性, 決定了換流閥能否得到可靠的保護(hù)。文章通過深入研究保護(hù)原理及對典型故障的分析, 發(fā)現(xiàn)了電壓應(yīng)力保護(hù)判據(jù)中存在的隱患和不足, 提出了優(yōu)化改進(jìn)措施, 使得電壓應(yīng)力保護(hù)能夠更加有效地保護(hù)換流站核心設(shè)備[3]。

1 換流變壓器分接頭控制

換流變壓器分接頭控制TCC 是直流輸電控制系統(tǒng)中用于自動調(diào)整換流變壓器有載調(diào)壓分接頭位置的一個重要環(huán)節(jié)[4], 通常在換流器控制系統(tǒng)CCP 中實(shí)現(xiàn)。整流側(cè)換流變壓器分接頭控制旨在維持換流變壓器閥側(cè)繞組空載電壓或者觸發(fā)角在指定的范圍內(nèi), 而逆變側(cè)分接頭控制旨在維持整流側(cè)線路平抗出口直流電壓或關(guān)斷角在指定的范圍內(nèi)[5]。根據(jù)直流系統(tǒng)換流器控制方式不同, 換流變壓器分接頭控制可分為角度控制和電壓控制[6]。

1.1 角度控制

直流控制系統(tǒng)的快速控制是通過對換流器觸發(fā)角α的控制來實(shí)現(xiàn)的[7]。當(dāng)直流系統(tǒng)受到擾動時,首先改變換流器觸發(fā)角α, 使系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。若觸發(fā)角長時間超過限定范圍 (通常為15°±2.5°), 則自動調(diào)節(jié)換流變壓器分接頭的位置以改變換流變閥側(cè)電壓, 使觸發(fā)角α回到要求的范圍內(nèi)[8]。換流變壓器分接開關(guān)采用機(jī)械式結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)換一檔通常需要3～5 s 的時間, 屬于慢速調(diào)節(jié)。

1.2 電壓控制

調(diào)整換流變壓器分接頭位置, 把直流線路電壓或換流變壓器閥側(cè)繞組空載電壓維持在指定范圍內(nèi)[9]。為了避免分接頭頻繁動作, 電壓需偏離一定值且持續(xù)一段時間后, 才啟動分接頭調(diào)節(jié)功能。

2 電壓應(yīng)力保護(hù)

2.1 保護(hù)原理

電壓應(yīng)力保護(hù) (Voltage Stress Protection,VSP[10]), 是為了防止交流電壓的異?；蛘叻纸宇^的錯誤調(diào)節(jié)等故障, 造成加在換流閥上的電壓應(yīng)力超標(biāo)而配置的。

保護(hù)通過使用交流母線電壓 (Uac)、分接頭位置和頻率 (f), 來計(jì)算理想的空載直流電壓Udi0。當(dāng)Udi0超過預(yù)設(shè)水平, 即Udi0＞Uset時, 保護(hù)啟動。特高壓換流站電壓應(yīng)力保護(hù)邏輯動作后果如下:

1)Udi0＞219.72 kV, 延時 100 ms, 禁止升分接頭并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警。

2)Udi0＞223.79 kV, 延時 100 ms, 請求降接頭并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警。

3) (f/f0) ×Udi0＞238.35 kV, 延時 165 s, 切換系統(tǒng)。

4) (f/f0) ×Udi0＞238.35 kV, 延時 195 s, 執(zhí)行 Y 閉鎖[11]。

2.2 Udi0參數(shù)計(jì)算

直流控制保護(hù)軟件中, 閥側(cè)繞組電壓計(jì)算邏輯如式 (1) 所示:

其中,Uac為六相換流變壓器進(jìn)線TV 測量的最大值,U0＝216.9 kV,U1＝525 kV。T計(jì)算值為分接頭檔位計(jì)算值, 其計(jì)算邏輯公式如式 (2):結(jié)合式 (1) (2), 得式 (3):

由式 (3) 可知, 換流變壓器閥側(cè)繞組空載電壓與換流變壓器網(wǎng)側(cè)交流電壓及換流變壓器檔位有關(guān)。其中,T即TCP, 為軟件邏輯中判斷的現(xiàn)場換流變壓器的檔位。

2.3 典型動作分析

2019 年 2 月 15 日 10 時 56 分 42 秒, 在直流功率由3 995 MW 升至4 495 MW 過程中, 某換流站極Ⅰ高端閥組控制CCP1 A/B 兩套系統(tǒng)報(bào) “電壓應(yīng)力保護(hù), 禁止升分接頭”。報(bào)警時刻的故障錄波如圖1 所示。

圖1 動作時刻錄波圖

從T0 時刻起,Udi0＞219.72 kV, 延時 100 ms,T1 時刻, 保護(hù)發(fā)禁止升分接頭指令；而Udi0＜223.79 kV, 故不會發(fā)出降分接頭指令。電壓應(yīng)力保護(hù)屬于正確動作。

3 保護(hù)功能優(yōu)化

3.1 存在的問題

ABB 技術(shù)路線的直流控制保護(hù)邏輯中, 采用同一閥組六臺換流變壓器平均檔位計(jì)算閥側(cè)空載電壓Udi0。保護(hù)判據(jù)采用六相換流變壓器檔位平均值計(jì)算方法。一方面, 分接頭失步時不能反映一次設(shè)備上實(shí)際承受的電壓；另一方面, 如發(fā)生僅兩相或3 相空載電壓超過跳閘值, 可能由于計(jì)算的偏差導(dǎo)致電壓應(yīng)力保護(hù)拒動, 掩蓋單臺換流變壓器閥側(cè)嚴(yán)重過壓問題。

此外, 在電壓應(yīng)力保護(hù)出口請求降分接開關(guān)檔位前, 動作指令未經(jīng)過檔位同步判據(jù), 只需滿足VSP 動作定值, 就直接出口調(diào)節(jié)分接頭檔位。

3.2 典型案例

某換流站極Ⅱ低端閥組YY A 相換流變分接開關(guān)升檔接觸器故障, 保持吸合狀態(tài), 導(dǎo)致分接開關(guān)連續(xù)動作, 滑檔保護(hù)動作跳開分接開關(guān)電機(jī)電源開關(guān)。在故障處理過程中, 電壓應(yīng)力保護(hù)達(dá)到動作定值, 發(fā)出強(qiáng)制降分接頭指令。同一閥組另外五相換流變壓器正常執(zhí)行降分接頭操作, 故障的A 相由于分接頭控制回路繼電器故障, 檔位一直無法降低, 導(dǎo)致極Ⅱ低端YY A 相換流變壓器檔位在26檔, 而其余五相均為15 檔。換流變壓器中性點(diǎn)偏磁電流達(dá)到換流變飽和保護(hù)Ⅱ段 (定值0.098 A,延時280 s) 動作出口[12]。

上述案例的換流站電壓應(yīng)力保護(hù), 沿用西門子技術(shù)路線, 直接采用YY A 相換流變壓器檔位計(jì)算換流變壓器閥側(cè)空載電壓Udi0(當(dāng)控制保護(hù)系統(tǒng)與采集A 相分接頭BCD 碼的分布式測控裝置通信異常時, 取YY B 相檔位[13]), 不考慮其他相換流變壓器分接開關(guān)檔位, 電壓應(yīng)力保護(hù)僅能保護(hù)該相不出現(xiàn)閥側(cè)過壓[14]。且換流變壓器分接開關(guān)調(diào)檔過程中不檢測各臺分接開關(guān)同步情況, 若該相換流變壓器分接開關(guān)因檔位卡澀等原因無法動作時, 會導(dǎo)致其他5 臺換流變壓器分接開關(guān)持續(xù)降檔, 存在因檔位相差較大導(dǎo)致?lián)Q流變飽和保護(hù)動作的風(fēng)險[15]。

3.3 優(yōu)化方案

針對上述電壓應(yīng)力保護(hù)存在的問題, 優(yōu)化方案如下:

1) 完善換流站Udi0計(jì)算邏輯, 采用換流變分接開關(guān)的最高檔位計(jì)算Udi0, 防止任一臺換流變閥側(cè)出現(xiàn)過電壓。

由圖2 可知, 軟件修改前, TCP 取的是同一閥組六臺換流變壓器分接頭檔位的平均值；而軟件修改后, 用于Udi0計(jì)算的TCP_MAX 取的是同一閥組六臺換流變壓器分接頭檔位的最高值。

2) 分接開關(guān)調(diào)檔邏輯中增加檔位同步判斷,各相換流變檔位不一致時保持當(dāng)前狀態(tài), 同時在監(jiān)控系統(tǒng)中報(bào)出相應(yīng)告警事件, 避免由于單臺換流變檔位卡澀, 其他換流變持續(xù)調(diào)檔導(dǎo)致直流閉鎖。

圖2 軟件修改后TCP 取值邏輯邏輯

從修改后的保護(hù)邏輯 (圖3) 可以看到, 分接頭下降指令出口前, 增加了換流變壓器檔位一致和換流變壓器分接頭自動控制的判據(jù)。

圖3 軟件修改后降分接頭指令邏輯

采用上述優(yōu)化方案, 可以有效避免電壓應(yīng)力保護(hù)強(qiáng)制換流變壓器持續(xù)調(diào)檔導(dǎo)致的直流閉鎖及設(shè)備承受過高電壓應(yīng)力的風(fēng)險。

4 結(jié)論

電壓應(yīng)力保護(hù)能夠有效抑制換流變壓器閥側(cè)電壓過高危害, 保護(hù)換流閥設(shè)備。當(dāng)前, 直流控制保護(hù)系統(tǒng)中, 電壓應(yīng)力保護(hù)判據(jù)中存在的不足, 可能導(dǎo)致?lián)Q流變壓器分接頭失步或掩蓋單臺換流變壓器閥側(cè)嚴(yán)重過壓問題。通過邏輯分析, 采用換流變壓器分接開關(guān)的最高檔位計(jì)算Udi0及在指令出口前增加換流變壓器檔位一致和換流變壓器分接頭自動控制的判斷這兩項(xiàng)優(yōu)化方案, 很好地完善了保護(hù)功能, 提高了特高壓直流運(yùn)行的安全性和可靠性。