种芝艺，粟小华，刘宝宏

(1.国家电网公司直流建设分公司，北京市 100052;2.国家电网西北调控分中心，西安市 710048)

0 引言

青藏直流联网工程两端接入的交流系统都是弱系统［1-5］，系统谐波水平较高，耐受扰动的能力较差，使得青藏直流工程的运行条件较恶劣，容易降低直流系统的能量可用率［6-8］。

青藏直流联网工程本期建设规模双极为600MW，直流电压为±400kV，直流电流为750 A，于2011年11月11日投入试运行。2011年11月16日官厅变750 kV主变充电，直流100 Hz谐波保护动作导致双极闭锁。将柴达木站极2的100 Hz谐波保护动作时间从3 s延长至6 s后，2011年12月11日武胜变750 kV主变充电，青藏直流极1的100 Hz保护动作导致单极闭锁，直流系统2次强迫停运都与西北电网750 kV主变充电有关。在弱交流系统中大容量主变充电将产生较大的励磁涌流［9-10］，涌流含有数值较大的谐波分量，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，谐波电压分量远远超过设计水平，对直流系统的运行产生较大危害。

因此，有必要研究西北电网主变充电导致青藏直流谐波保护动作的原因，并提出可行的解决措施。

1 故障现象

2011－11－16T21:01，青藏直流系统双极大地回线运行，直流电压为±400kV，直流电流为125 A，双极输送功率为100MW，功率方向为柴达木—拉萨。在21:01:29时，官厅2号750 kV主变首次充电。在21:01:32时，柴达木换流变电站2个极的100 Hz保护同时动作，导致双极闭锁。藏中电网安稳装置动作正确，共切除106 MW负荷，频率最低至49.65 Hz，最高至50.36 Hz，夺底变220 kV母线电压由230.24 kV升至231.46 kV。

2011－12－11T00:55，青藏直流系统双极大地回线运行，直流降压±280 kV运行，直流电流为75 A，双极输送功率为42 MW，功率方向为柴达木—拉萨。在00:55:18时，武胜750 kV主变检修后首次充电。在00:55:21时，柴达木换流变电站极1直流谐波保护(100 Hz)动作，执行Y闭锁。极1闭锁后极2功率转代成功，直流没有损失功率，藏中电网运行稳定。

2 2次谐波分析

官厅2号主变和武胜主变检修后首次充电时，都出现了较大的励磁涌流，2次谐波电压含量很高。官厅变合闸后5个周波时的750 kV母线谐波含量和同一时刻柴达木换流站330 kV母线电压谐波含量如表1所示。对比2站谐波电压含量，官厅变充电产生的谐波电压在柴达木换流站被放大，尤其是2次谐波分量，在官亭变含量为3.2%，在柴达木换流站则达到了8.1%，放大了约2.5倍。

表1 合闸后5个周波时的谐波电压含量Tab.1 Harmonic voltage content in 5 cycles after transformer switching-in

西北电网750 kV网架结构如图1所示，柴达木换流站位于750 kV交流系统末端，距西宁变超过700 km，周围除龙羊峡水电站外，无交流电源支撑，易受交流系统扰动影响。

图1 西北电网750 kV网架Fig.1 750 kV grid in northwest China power grid

对柴达木换流站进行谐波阻抗扫描，各次谐波下的系统阻抗如图2所示，2次谐波阻抗较高，接近于并联谐振点。对于2次谐波，柴达木换流站2次负载阻抗较高，近似于空载线路末端，将产生线路容升效应，导致末端2次谐波电压升高，形成尾翘现象。采用EMTDC模型进行仿真计算，在西宁变附近750 kV注入2次谐波，柴达木换流站330 kV母线2次谐波含量将放大2.3或2.5倍，与官厅主变充电引起的柴达木换流站2次谐波含量升高现象类似。

图2 柴达木换流站谐波阻抗Fig.2 Harmonic impedance in Chaidamu converter station

750 kV主变充电时产生的2次谐波电压是由合闸励磁涌流引起，励磁涌流的衰减时间与变压器容量、铁心的饱和程度、系统强度有关。变压器容量越大、铁心饱和程度越高、交流系统强度越弱，则励磁涌流的衰减时间越长，大容量变压器励磁涌流的衰减时间可能长达十几s甚至几十s。依据西宁—柴达木换流站沿线的录波图，750 kV主变合闸引起的2次谐波分量衰减较慢，经过约25 s后才逐渐衰减至0。

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3 保护动作分析

在原谐波保护程序［11］中，100 Hz保护检测频宽为80～200 Hz，涵盖了2～4次谐波，将各次谐波峰值叠加作为检测出的谐波电流值。保护定值设定如式(1)和表2所示。

式中:ID100Hz_amp为直流谐波电流峰值;ID为实际运行电流;IDnom为额定直流电流，为750 A。

表2 100 Hz保护定值Tab.2 100 Hz protection setting

根据换流器谐波变换［12-13］原理，交流侧n次正序谐波电压，在直流侧产生n－1次谐波;交流侧n次负序谐波电压，在直流侧产生n+1次谐波。官厅主变充电，励磁涌流产生负序2次谐波，在直流系统中产生3次谐波，在柴达木换流站极1和极2保护程序中检测到的100 Hz谐波分量为100 A，如图3(a)所示，大于70 A的保护动作定值，如图3(b)所示。保护系统在0.35 s后切换控制系统，2 s后发出降功率指令，将直流功率降至0.3 pu，由于故障前直流单极功率为0.167 pu，系统没有执行降功率指令，3 s后直流双极跳闸，保护动作正确。

图3 极保护100 Hz谐波保护曲线Fig.3 Curve of 100 Hz harmonic protection

4 抑制励磁涌流的措施

西北电网官厅变和武胜变的750 kV主变合闸产生了衰减很慢的负序2次谐波电压是导致直流闭锁的根本原因，因此，降低750 kV主变合闸产生的励磁涌流是防止主变合闸时直流闭锁的根本措施。可采取以下方法来抑制750 kV主变合闸时产生的励磁涌流［14-17］:(1)在主变合闸前做好去磁措施，降低变压器中的剩磁;(2)主变断路器安装合闸电阻，抑制励磁涌流的峰值;(3)从330 kV侧对750 kV主变合闸充电，利用较强的330 kV电网加快励磁涌流衰减。

5 保护优化方案

为了提高青藏直流联网工程适应弱交流系统的能力，可在直流系统设备承受能力范围内和交流系统安全稳定的条件下，对直流保护配置进行优化，降低直流系统强迫停运的几率。

根据系统研究结论，直流回路产生的2次和3次功率振荡在10 s内对藏中电网产生的影响不大，系统能够维持安全稳定运行。

根据换流变、平波电抗器、换流阀、直流冲击电容器等直流设备耐受谐波的能力，直流系统承受谐波电流的时间不宜超过6 s，取直流谐波保护动作的时间上限为6 s。

5.1 100 Hz保护定值优化

100 Hz保护主要作为交流系统单相或相间故障时直流系统的后备保护，避免互联电网之间出现持续功率振荡。

100 Hz保护电流定值维持控制保护联调试验时的定值不变。考虑到直流一极故障后，另一极功率转代成功，可有效减少双极同时停运的几率。因此，2极保护宜采用不同跳闸时间，一极跳闸时间为3 s，另一极跳闸时间为6 s。

5.2 新增150 Hz保护

由于在交流系统出现负序2次谐波电压，在直流侧出现3次谐波分量，3次谐波增加设备发热可能导致直流电流断续，同时引起互联电网之间出现持续功率振荡，因此新增设置150 Hz保护。

150 Hz保护的采样带宽为130～170 Hz，保护定值为ID150Hz=0.85 ID，下限为63.75 A，上限定值为200 A，依据设备能力确定。时间定值为0.35 s时切换系统，2极采用不同的跳闸时间，即一极为3 s，另一极为6 s。

据此150 Hz谐波保护定值，将官厅变充电事件回放，直流系统150 Hz保护检测到的谐波电流为90 A，小于电流动作定值106.25 A，保护不动作;将武胜变充电事件回放，150 Hz保护检测到的谐波电流峰值为61 A，小于电流动作定值63.75 A，保护不动作。

5.3 50 Hz保护定值优化方案

主变合闸可能产生负序2次谐波电压，也可能产生正序2次谐波电压。在主变充电引发正序2次谐波电压较大时，直流功率将出现50 Hz分量，影响藏中电网安全稳定运行，危害直流设备安全。原直流50 Hz谐波保护［11］配置的目的是作为换流阀丢脉冲的后备保护，没有考虑到交流系统存在较大正序2次谐波的情况，当交流系统出现较大正序2次谐波时，存在直流双极闭锁的可能性。因此，50 Hz保护需新增针对交流系统出现较大正序2次谐波时的保护功能。

通过检测交流系统正序2次谐波电压分量，区分是换流阀丢脉冲还是交流系统出现正序2次谐波。由于直流系统自身丢脉冲产生的50 Hz分量在交流系统产生的正序2次谐波分量中不超过1%，因此，可以采用3%的检测门槛鉴别是换流阀丢脉冲还是交流系统出现正序2次谐波。当正序2次谐波分量小于3%时，50 Hz保护维持原保护定值不变。当正序2次谐波分量不小于3%时，采用50 Hz保护新增功能的定值为ID150Hz=0.85 ID，下限为63.75 A，上限定值为200 A。时间定值为0.35 s切换系统，2极采用不同的跳闸时间，即一极为3 s，另一极为6 s。优化后的50 Hz保护既能有效保护直流设备又可以尽量减少直流停运的几率。

6 结语

本文分析了西北电网主变充电与直流谐波保护动作之间的关系，指出了西北电网750 kV主变合闸产生衰减很慢的2次谐波电压是导致直流闭锁的根本原因。在直流系统设备承受能力范围内和交流系统安全稳定的条件下，对直流谐波保护配置进行优化，降低了直流系统强迫停运的概率，提高了青藏直流联网工程适应弱交流系统的能力。

本文提出的谐波保护优化方法已经应用到青藏直流联网工程中，可为其他接入弱交流系统的直流输电工程提供参考。

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