殷丕盛，于 鵬，袁茂凱，苑 雙，吳布托

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

默蒂亞里—拉合爾直流輸電工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)默拉直流工程）是以建設(shè)—擁有—運(yùn)營(yíng)—移交（Build-Own-Operate-Transfer，BOOT）模式開(kāi)發(fā)的直流輸電工程，是巴基斯坦規(guī)劃的南電北送通道之一，已納入中巴經(jīng)濟(jì)走廊能源合作優(yōu)先實(shí)施項(xiàng)目清單。默拉直流工程輸電線路［1］全長(zhǎng)878 km，額定電壓±660 kV，輸送功率4 000 MW，該工程的建設(shè)可以滿足巴基斯坦南部電力遠(yuǎn)距離送出的需要。

默拉直流工程在實(shí)驗(yàn)前直流系統(tǒng)運(yùn)行方式為極Ⅰ小功率大地回線方式運(yùn)行，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將兩站的通信光纖拔掉，運(yùn)行人員操作系統(tǒng)顯示站間通信故障，此時(shí)直流系統(tǒng)仍正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)修改軟件，模擬逆變站中性母線接地過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，逆變站緊急閉鎖，并投入旁通對(duì)。之后整流站發(fā)生交流電網(wǎng)電壓跌落、直流線路低電壓保護(hù)和直流過(guò)電壓［2-3］保護(hù)相繼動(dòng)作，最后整流站閉鎖。

根據(jù)直流保護(hù)［4］動(dòng)作邏輯詳細(xì)分析本次事件，對(duì)直流保護(hù)動(dòng)作邏輯提出合理的修改意見(jiàn)，對(duì)今后的直流輸電工程的設(shè)計(jì)和改造具有一定參考意義。

1 Y閉鎖及低電壓、過(guò)電壓保護(hù)

國(guó)內(nèi)常規(guī)直流保護(hù)閉鎖邏輯［5-6］主要分為X、Y、Z 3 種閉鎖方式［7］。默拉直流工程采用相同的閉鎖邏輯。

閉鎖的動(dòng)作類(lèi)型第一種是移相，即改變觸發(fā)角，是所有保護(hù)閉鎖中最先采取的動(dòng)作邏輯，可以有效減小故障產(chǎn)生的應(yīng)力，如整流站在閉鎖的過(guò)程中先移相為逆變狀態(tài)，有利于能量的泄放；第二種是立即封脈沖，其目的是防止直流電流急劇上升，主要用于整流側(cè)的嚴(yán)重故障，當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生故障立即停發(fā)觸發(fā)脈沖，形成直流線路末端開(kāi)路，容易引起直流過(guò)電壓；第三種是投旁通對(duì)，一個(gè)六脈動(dòng)換流閥包含6 個(gè)單閥，每?jī)蓚€(gè)單閥對(duì)應(yīng)一相，當(dāng)對(duì)應(yīng)同一相上的兩個(gè)單閥同時(shí)導(dǎo)通我們稱(chēng)之為旁通對(duì)，投旁通對(duì)的目的是在故障發(fā)生后能夠盡快將直流側(cè)能量泄放掉，隔離交/直流系統(tǒng)。

3 種閉鎖方式中，X 閉鎖［8］主要針對(duì)換流閥［9］故障，例如整流站發(fā)生的閥短路故障、換流變壓器閥側(cè)發(fā)生兩相短路故障、換流閥丟失觸發(fā)脈沖、進(jìn)行空載加壓試驗(yàn)（Open Line Test，OLT）時(shí)發(fā)生的故障等。X閉鎖還適用于觸發(fā)回路的故障，尤其是當(dāng)旁通對(duì)不能夠正確選擇時(shí)；Y 閉鎖［10］針對(duì)的故障類(lèi)型主要是對(duì)設(shè)備不產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力的直流側(cè)故障［11］，如直流線路接地、金屬回線接地故障、雙極中性線區(qū)域接地故障、站內(nèi)接地過(guò)電流直流場(chǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)不成功等故障，以及閥冷系統(tǒng)故障、交流系統(tǒng)故障引起的直流諧波增大、雙橋換相失敗等；Z 閉鎖［12］針對(duì)的故障類(lèi)型主要是與直流側(cè)相關(guān)的過(guò)電流或接地故障，如換流閥過(guò)電流、直流場(chǎng)接地故障，以及接地極開(kāi)路、直流低電壓或過(guò)電壓故障。

本次試驗(yàn)是驗(yàn)證兩個(gè)換流站在無(wú)通信的情況下逆變站Y 閉鎖后，整流站站閉鎖邏輯，Y 閉鎖動(dòng)作時(shí)序如表1所示。

拉合爾換流站模擬故障發(fā)生后保護(hù)閉鎖邏輯正確動(dòng)作，直接投旁通對(duì)，斷開(kāi)換流變交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)，當(dāng)旁通對(duì)投入后直流線路在逆變站發(fā)生短路，造成直流線路電流增大，直流電壓跌落。在表1 中，當(dāng)兩座換流站之間無(wú)通信時(shí)，逆變站在直流電流達(dá)到定值后，延時(shí)1 000 ms 封脈沖，此時(shí)旁通對(duì)停止觸發(fā)，造成直流線路在逆變站形成開(kāi)路。閉鎖動(dòng)作時(shí)序是針對(duì)故障站設(shè)計(jì)的相關(guān)動(dòng)作邏輯，非故障站僅進(jìn)行閉鎖，不投旁通對(duì)、跳交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)。

表1 Y閉鎖動(dòng)作時(shí)序

直流線路低電壓保護(hù)［13］的保護(hù)范圍是兩個(gè)換流站平波電抗器之間的設(shè)備，保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)直流線路電壓，當(dāng)直流線路電壓UdL跌落達(dá)到定值后進(jìn)行直流線路重啟［14］，保證在線路發(fā)生暫時(shí)性故障后快速恢復(fù)直流運(yùn)行。在兩個(gè)換流站無(wú)通信的情況下，拉合爾換流站發(fā)生故障后無(wú)法發(fā)信到默蒂亞里換流站，默蒂亞里換流站不能立即閉鎖直流，只能根據(jù)檢測(cè)到的直流狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)默蒂亞里換流站檢測(cè)到直流線路電壓跌落達(dá)到定值后，保護(hù)才動(dòng)作。直流線路低電壓保護(hù)判據(jù)為：|UdL| ＜Uthreshold，保護(hù)定值［15］如表2所示。

表2 直流低電壓保護(hù)定值

直流過(guò)電壓保護(hù)［16］的保護(hù)范圍包括直流線路和換流器等設(shè)備，保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)極母線電壓，保護(hù)設(shè)備免受過(guò)電壓的危害。默蒂亞里換流站在直流線路重啟后，逆變站旁通對(duì)退出，相當(dāng)于逆變站開(kāi)路，造成系統(tǒng)產(chǎn)生了過(guò)電壓，過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，極Ⅰ執(zhí)行X閉鎖［17］。

切換系統(tǒng)保護(hù)判據(jù)為

I段保護(hù)保護(hù)判據(jù)為：

II/III/IV段保護(hù)保護(hù)判據(jù)為：

式中：UdN為中性母線電壓；IDNC為直流電流；Uref和Iref分別為保護(hù)定值。直流過(guò)電壓保護(hù)相關(guān)定值［18］如表3所示。

表3 直流過(guò)電壓保護(hù)定值

2 事件分析

默拉直流工程極Ⅰ大地回線方式運(yùn)行，功率控制模式為電流模式，電流整定值為303 A，功率傳輸方向由默蒂亞里至拉合爾。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將站間通信光纖拔掉，站間通信故障，在拉合爾換流站控制保護(hù)系統(tǒng)軟件中通過(guò)置數(shù)的方式模擬中性母線接地過(guò)流故障，保護(hù)系統(tǒng)報(bào)出中性線電容器過(guò)流保護(hù)Y 閉鎖動(dòng)作，隨后極控發(fā)出Y 閉鎖，投入旁通對(duì)，跳開(kāi)換流變進(jìn)線交流斷路器，極Ⅰ閉鎖，保護(hù)邏輯正確動(dòng)作。默蒂亞里換流站交流系統(tǒng)電壓由520 kV 跌落至325 kV，直流低電壓保護(hù)動(dòng)作，直流線路低電壓重啟線路，直流過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，極ⅠX閉鎖。

對(duì)整流站網(wǎng)側(cè)交流電壓變低和相關(guān)保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行分析。

2.1 整流站網(wǎng)側(cè)交流電壓變低

逆變站過(guò)流保護(hù)動(dòng)作后，控制系統(tǒng)執(zhí)行Y 閉鎖，在閉鎖換流閥時(shí)立即投入旁通對(duì)，形成逆變站直流短路；正常運(yùn)行回路如圖1 所示，投入旁通對(duì)后運(yùn)行回路如圖2所示。

圖1 正常運(yùn)行時(shí)回路

圖2 逆變站投旁通對(duì)后回路

逆變站投入旁通對(duì)后，整流站波形如圖3所示。

圖3 逆變站投入旁通對(duì)后整流站波形

分析圖3波形可得：

1）逆變站閉鎖投入旁通對(duì)后，造成直流對(duì)地短路，造成直流電壓跌落，整流站直流電壓UdL降低，由660 kV降至0附近；

2）逆變站投入旁通對(duì)后，造成直流在逆變站短路，直流電流IdNC由303 A增大至最大值5 499 A；

3）直流電流增大后，整流站為了抑制直流電流增大，控制系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)觸發(fā)角α，造成觸發(fā)角α由15.3°增大至最大110°；

4）觸發(fā)角α增大后，系統(tǒng)消耗的無(wú)功功率Q增大，由46.8 Mvar增大至1 480 Mvar；

5）系統(tǒng)消耗無(wú)功功率Q增大后，交流濾波器［19］不能立即投入，消耗了整流站交流電網(wǎng)大量無(wú)功，造成交流電壓跌落，Uac_RMS由520 kV跌落至325 kV。

根據(jù)以上分析，整流站網(wǎng)側(cè)交流電壓降低為正?，F(xiàn)象。

2.2 整流站線路低電壓保護(hù)動(dòng)作

由表2可知，本次試驗(yàn)低電壓保護(hù)定值為231 kV（0.35 pu），延時(shí)為700 ms（通信故障）。線路低電壓保護(hù)動(dòng)作波形如圖4所示。

圖4 整流站直流線路低電壓保護(hù)動(dòng)作波形

波形從上到下分別為直流電壓UdL、交流低電壓開(kāi)關(guān)信號(hào)ACL_PP、線路重啟信號(hào)RESTAR，在圖4中可以看出，直流電壓UdL跌落達(dá)到低于保護(hù)定值Uthreshold（231 kV）后，經(jīng)過(guò)ACL_PP 屏蔽后，保護(hù)開(kāi)始計(jì)時(shí)，滿足保護(hù)動(dòng)作延時(shí)700 ms 后發(fā)出線路重啟信號(hào)RESTAR，保護(hù)正確動(dòng)作。

根據(jù)以上分析，整流站直流線路低電壓保護(hù)為正確動(dòng)作。

2.3 整流站直流過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作

整流站極控系統(tǒng)收到直流線路低電壓保護(hù)動(dòng)作后執(zhí)行移相重啟，整流站控制系統(tǒng)相關(guān)波形如圖5所示。

圖5 整流站控制系統(tǒng)波形

波形從上到下分別為直流電壓UdL、IdNC直流電流、觸發(fā)角α、強(qiáng)制移相FR、X 閉鎖X_BLOCK，F(xiàn)R 為1表示線路Q(chēng)強(qiáng)制移相重啟，從直流線路電流跌落至0到線路重啟信號(hào)發(fā)出時(shí)間大概為1.4 s，此時(shí)逆變站換流閥旁通對(duì)已經(jīng)停止觸發(fā)，直流線路在逆變站形成開(kāi)路狀態(tài)。整流站帶線路重啟，直流電流IdNC會(huì)很小，為了建立直流電流，系統(tǒng)會(huì)不斷減小觸發(fā)角，觸發(fā)角減小造成直流電壓迅速增大，當(dāng)達(dá)到直流過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作定值后保護(hù)動(dòng)作，控制系統(tǒng)收到保護(hù)閉鎖信號(hào)（X閉鎖），整流站閉鎖。

整流站過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作波形如圖6所示。

圖6 整流站直流過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作波形

波形從上到下分別為直流電壓UdL、直流電流IdNC、系統(tǒng)切換信號(hào)SS、X 閉鎖信號(hào)X_Block，在上節(jié)已經(jīng)介紹直流過(guò)電壓保護(hù)保護(hù)定值，在圖6 中可以看出，直流電壓UdL滿足保護(hù)中III 段定值Uthreshold（1.1 pu/726 kV），延時(shí)400 ms 后，發(fā)出切換系統(tǒng)信號(hào)SS，延時(shí)700 ms 后發(fā)出X 閉鎖信號(hào)X_Block，保護(hù)正確動(dòng)作。通過(guò)分析可知，整流站直流過(guò)壓保護(hù)為正確動(dòng)作。

為了保護(hù)直流系統(tǒng)在兩個(gè)換流站之間通信故障的情況下，逆變站發(fā)生故障后整流站不發(fā)生過(guò)電壓，對(duì)直流系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)方案。

3 改進(jìn)方案

通過(guò)分析之前的直流工程，在德寶直流工程［20］調(diào)試過(guò)程中也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的過(guò)電壓現(xiàn)象，其修改后的邏輯是在逆變站發(fā)生故障閉鎖后，直流線路仍然重啟，但是在線路重啟的過(guò)程中首先建立電壓，在直流電壓的建立過(guò)程中，當(dāng)直流電壓達(dá)到一定的定值后，如果直流電流仍然無(wú)法建立，小于直流電流限定值時(shí)直流閉鎖，避免了直流系統(tǒng)過(guò)電壓。修改后的控制策略很好地避免了直流系統(tǒng)遭受過(guò)電壓的風(fēng)險(xiǎn)。本文在充分考慮后發(fā)現(xiàn)直流線路如果發(fā)生永久性接地故障，在直流重啟過(guò)程中會(huì)對(duì)設(shè)備造成二次沖擊。目前在運(yùn)直流站間通信可靠性高，在無(wú)通信情況下運(yùn)行的極端惡劣的工況極少。為了避免在站間通信故障的特殊情況下，直流系統(tǒng)再次遭受沖擊，將線路低電壓保護(hù)在站間通信故障時(shí)不再進(jìn)行線路故障重啟，當(dāng)直流線路低電壓達(dá)到定值后，延時(shí)700 ms，直接進(jìn)行Y 閉鎖。優(yōu)化后通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（Real Time Digital System，RTDS）［21］進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，模擬逆變站無(wú)通信過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，逆變站閉鎖后，整流站直流線路低電壓保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作后發(fā)出閉鎖信號(hào)，整流站Y 閉鎖，波形如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后整流站線路低電壓保護(hù)動(dòng)作波形

由圖7 可知，直流電壓UdL低于保護(hù)定值Uthreshold（231 kV）時(shí)，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)（700 ms）后發(fā)出閉鎖信號(hào)（Y閉鎖），保護(hù)正確動(dòng)作。

仿真結(jié)果正確后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，控制系統(tǒng)相關(guān)波形如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后整流站控制系統(tǒng)波形

由圖8 可以看出故障初始時(shí)，直流電壓減小、直流電流增大，觸發(fā)角升至110°，交流電壓跌落，控制系統(tǒng)收到直流線路低電壓保護(hù)動(dòng)作Y 閉鎖后，直接執(zhí)行移相閉鎖，整流站閉鎖，直流電壓直接變?yōu)榱?，由于是逆變站故障在整流?cè)閉鎖過(guò)程中不會(huì)跳開(kāi)交流開(kāi)關(guān)和投旁通對(duì)。

4 結(jié)語(yǔ)

整流站網(wǎng)側(cè)交流電壓變低為正?，F(xiàn)象，整流站直流線路低電壓保護(hù)和直流過(guò)壓保護(hù)均為滿足保護(hù)定值后正確動(dòng)作。

通過(guò)對(duì)直流線路低電壓保護(hù)動(dòng)作策略的修改，可以避免默拉直流工程在無(wú)通信情況下拉合爾換流站閉鎖導(dǎo)致默蒂亞里換流站出現(xiàn)直流過(guò)電壓情況。