高岭背靠背直流工程阀脉冲丢失故障分析

2012-02-13阮思烨

电力建设 2012年4期

阮思烨

(国家电网公司运行分公司，北京市，100052)

0 引言

高岭背靠背直流工程是实现华北、东北联网的第一个直流输电工程，该工程完全实现自主创新，是直流设备国产化的标志性工程［1-4］。该工程于2008年6月开始调试，2008年11月投入试运行。从调试及试运行总体情况来看，系统运行稳定、状况良好。在调试期间，发生一次由于单元2解锁后阀触发脉冲异常，导致50、100 Hz保护告警，最后50 Hz保护跳闸，单元2停运的情况［5］。文献［5］就此开展了初步研究，取得了一定成果，不足之处是对本次阀脉冲丢失的故障类型未最终定位。为了进一步加深对阀控制保护的认识，本文在文献［5］的基础上继续开展研究，通过对现场故障波形的分析，以及利用PSCAD/EMTDC软件仿真，详细模拟了故障动作过程。鉴于阀脉冲丢失故障通常在直流调试或投运初期发生，上述工作对于指导现场人员的前期跟踪和投运初期的运维有一定的指导作用。

1 事故概述

2008年10月19日，高岭背靠背直流工程系统调试过程中，单元2解锁，功率方向为东北送华北，系统采用电流控制方式，电流定值为600 A(150 MW)。在直流解锁后，直流运行不稳定，50 Hz和100 Hz保护相继报警并切换极控系统。由于切换后系统直流电流和直流电压仍然不稳，50 Hz保护跳闸动作，闭锁直流。运行人员工作站(operator work station，OWS)事件中主要的报警和跳闸记录如表1所示［5］。在整个过程中，系统未报出“回检脉冲丢失”故障。

表1 OWS事件记录Tab.1 OWS event recording

在直流闭锁后，许继公司进行了直流开路试验。试验中，通过监视施加外部光信号和开路试验2种情况下的触发脉冲和可控硅回报信号，发现存在丢失阀触发脉冲的情况。之后查出开路试验中所有监视到的回报信号(IP)脉宽均在 5.8 μs到 6.3 μs之间，当外部光信号宽度小于6.68 μs时，VBE不一定能检测到回报信号。由此判断，解锁期间换流阀不换相是由于VBE漏检可控硅的回报信号引起的。换流阀丢失触发脉冲与硬件无关，可能是VBE板卡软件的问题。

上述工作初步论证了阀脉冲丢失的故障类型，但对于阀脉冲丢失故障对于直流运行的影响以及相关保护动作的合理性等问题并未给出解释。为此本文进行了更为深入的研究工作，对故障过程进行具体分析，同时模拟了故障发展过程。

2 保护工作原理介绍

2.1 脉冲丢失检测机理

高岭背靠背直流工程的故障单元采用的是光触阀，每个晶闸管级都配备1块晶闸管监测板，当晶闸管两端正向电压超过70 V时，晶闸管监测板产生脉宽为6 ～8 μs，光功率为200 ～450 μW 的“正向电压达到门槛值”回检信号，VBE的光接收板接收来自各个晶闸管监测板的回检信号，判断该晶闸管具备阻断能力，处于完好状态。当VBE在连续的3个及以上周波内不能接受到来自TVM板的回检信号，则会给出该可控硅的“回检脉冲丢失”报警;当VBE监测到存在4个及以上的可控硅存在“回检脉冲丢失”，则直接闭锁直流。

2.2 50 Hz和100 Hz保护设置

50、100 Hz保护判据为:Id1(50Hz/100Hz)＞0.03Id1+90或 Id2(50Hz/100Hz)＞ 0.03Id2+90，保护有3段定值及相应的延时［5］。Id1(50Hz/100Hz)和Id2(50Hz/100Hz)分别是直流极母线I和极母线Ⅱ上直流电流中50、100 Hz分量，Id1和Id2分别是直流极母线Ⅰ、Ⅱ上直流电流。

50 Hz保护I段动作延时350 ms进行系统切换，排除由于控制系统异常造成1个6脉动阀触发脉冲异常的情况;Ⅱ段动作延时1 s降电流至0.3 pu，防止由于系统输送功率较大产生振荡的情况;Ⅲ段动作延时2 s移相闭锁，动作时间应与换相失败保护最长动作时间配合［5］。

100 Hz保护I段动作延时350 ms进行系统切换，排除由于控制系统异常造成双12脉动阀触发脉冲异常的情况;Ⅱ段动作延时2 s降电流至0.3 pu，防止由于系统输送功率较大产生振荡的情况，时间与50 Hz保护Ⅱ段相配合;Ⅲ段动作延时5 s移相闭锁，动作时间应与交流系统主保护拒动后备保护动作切除故障时间配合［5］。

3 故障过程分析

故障录波数据显示:在故障过程中，母线三相交流电压正常，电流存在较大波动，阀侧D/Y桥电流和直流电流建立到一定值后立即下跌为0，如此反复，最终导致50/100 Hz保护动作。图1、2分别为母线电压及阀侧电流及故障中的单元Ⅱ直流电流录波波形，图3为直流丢失脉冲的工况等效图。

导致上述现象的可能性有多种，交流系统扰动、逆变侧阀故障或是整流侧阀故障都会造成换流器工作不正常并引发50/100 Hz保护动作［8-10］，通过对图1～3录波波形的分析，可以得出以下结论:

(1)由于交流网络短路容量大，同时直流运行功率较小，母线交流电压即便在故障过程中依然保持三相对称，由此可首先排除直流运行异常导致交流电压畸变，同时排除“交流系统扰动造成桥臂工作不正常”的可能性。

(2)图3(a)、(b)为华北(逆变侧)单桥和双桥出现脉冲丢失的情况下直流的短时工况，此时逆变侧单桥或双桥的直流出线端电压短时间内降为0(这种现象常见于换相失败)，相当于直流侧短路，直流电流短时间内突增，这与故障录波中电流一旦建立就迅速下跌的特性不符，因此图3(a)、(b)的2种可能性可以排除。

(3)图3(c)、(d)为东北(整流侧)单桥或双桥出现脉冲丢失这种情况下直流的短时工况，此时整变侧单桥或是双桥的直流出线端电压短时间内降为0，相当于直流侧开路，直流电流短时间内突然下跌。但对于图3(c)中整变侧单桥脉冲丢失的情况，由于整流侧仍有一桥(D桥)还能工作，直流不会下跌为0，因此图3(c)的可能性也可以排除。因此，只有图3(d)中整变侧双桥脉冲丢失的情况才会导致直流一旦建立就迅速下跌为0。

综合以上分析结果，结合换流元件的工作原理［6-7］以及图1中给出的阀侧电流的某些特性(两端阀侧电流同时启动和中断，且电流持续为0和电流建立的时间始终在变化)，初步推断该故障主要是由“东北(整流侧)双桥脉冲的整体间歇性丢失”引起的，其过程如图4、5所示。

整个故障过程初步推断如下:

(1)阀正常的换相顺序是 Y5—Y1—Y3—Y5和Y2—Y4—Y6—Y2(D桥与此类同)，脉冲整体性丢失后，正常换相过程中止，但东北(整流侧)并不立即闭锁，而是保持闭锁前换流阀导通状态。以图4中的情况为例，上桥臂的Y1/Y6和下桥臂的D1/D6继续导通。这相当于将交流线电压UY_AB和UD_AB直接引入直流侧。

(2)随着UY_AB和UD_AB正弦变化从正半周转到负半周，东北(整流侧)直流出线端电压极性发生变化，相应的东北侧由整流状态转为逆变状态(在整个过程中华北侧始终保持在逆变状态)，于是直流侧能量很快向交流系统释放，直流电流迅速下跌为0，两端阀侧D/Y桥电流同时截止，该过程与移相闭锁的过程类似。

(3)脉冲丢失一段时间后又恢复正常，于是直流电流重新建立。之后脉冲再次丢失，如此周而复始。在这个过程中直流电流严重畸变，产生50/100 Hz分量，满足直流极保护50/100 Hz保护动作条件，50 Hz保护的延时较小，首先跳闸动作。

由于阀脉冲丢失是间歇性，而且持续的时间小于3个周波，如图2所示。不能达到脉冲丢失报警必须连续的3个及以上周波的判据标准，因此在故障过程中系统未给出“回检脉冲丢失”报警。

4 故障过程模拟

为验证上述分析以及现场保护动作的正确性，利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件对高岭背靠背直流系统的单元Ⅱ进行建模仿真研究。仿真模型与实际系统一致，运行条件如下:定电流控制，电流定值为600 A，直流电压为±125 kV，由东北往华北送电。仿真模型中，华北侧脉冲正常触发，东北侧脉冲触发间歇性丢失且每次丢失时间为0.6个工频周期、每次正常触发的时间为1个工频周期。

在这种假设的故障情况下，母线电压及阀侧电流的仿真波形如图6所示，与现场录波波形相一致，这验证了关于脉冲丢失情况分析的合理性。但仅由此仍无法判断50/100 Hz保护在这种情况下是否动作正确。为此仿真模拟了故障动作的全过程，从直流电流中提取50/100 Hz分量，并分别与保护定值做比较，如图7所示。图中Id为直流电流，I50Hz和I100Hz表示直流线路电流中的50、100 Hz分量，Icom为直流50、100 Hz分量的保护值。

图7的仿真结果表明:

(1)由于阀脉冲时断时续，故障期间直流电流畸变严重，对其进行傅立叶分析，发现50、100 Hz分量较大，其有效值分别约为0.15、0.07 kA，均超过对应的保护值(Icom=0.03Id+90，约为 0.03 kA)。