梁天明

(中国南方电网超高压输电公司广州局，广州市 510405)

0 引言

直流输电具有传送功率大、线路造价低、控制性能好等优点，是目前发达国家作为高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段［1］。随着国内电网的迅速发展，我国已经形成跨越几千km的交直流混合互联系统，联系起多个能源中心与负荷中心。交、直流系统共存，并相互影响，是当前大电网的重要特点。总结运行维护实践经验，掌握交直流混合输电系统运行规律，对于保证电网的安全稳定运行具有重要意义。本文以南方电网交直流混联系统运行维护实例为基础，着重分析交流系统故障对换流阀、阀冷却系统、直流保护等直流系统薄弱环节造成的影响，并针对具体的影响提出运行维护建议及初步改进意见。

1 交流系统故障引起换流阀换相失败

南方电网目前同时运行维护天广直流、高肇直流、兴安直流、云广直流等4个直流输电系统，且4条直流落点均在广东省珠三角负荷中心。密集的直流落点带来新的问题，交流系统的故障引起换流站交流母线电压波动，可能对多条直流同时造成影响，导致多直流同时换相失败(commutation failure，CF)事件，甚至导致直流系统停运，对电网的安全稳定造成威胁。从目前的运行维护经验来看，这个问题越来越突出。

1.1 换相失败原理

换相失败是高压直流输电系统常见的故障现象之一。由于换流器交流侧电感的存在，换流器换相时，电流转移需要一定的时间才能完成，换相过程持续的时间一般用换相角(μ)来表示。当换流阀的2个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程没有能进行完毕，在阀电压转变为正向时被换相的阀将向原来预定退出导通的阀进行倒换相，这就是换相失败［2-3］。从阀关断到阀上电压由负变正的过零点之间的电角度为关断角或熄弧角，用γ来表示。交流系统对称时，逆变器的关断角为

式中:k为换流变压器的变比;UL为逆变器交流侧母线线电压有效值;Id为直流电流;XC为等效换相电抗;β为超前触发角。

当逆变侧交流系统发生不对称故障，换相线电压过零点前移角度Φ时，逆变器的关断角为

由式(1)、(2)可知，关断角的大小与交流电压、直流电流、超前触发角、换流变压器变比和等效换相电抗有关，在交流系统发生非对称故障时，还与电压过零点偏移角度有关。

在实际运行过程中，排除设备本身故障，导致换相失败的因素主要是交流系统故障，交流系统故障换流母线电压幅值下降和电压过零点的漂移［4］。交流低电压导致逆变侧换相电压的降低，从而致使本应导通的阀无法导通，最终导致换相失败。不同类型的故障如三相短路故障、单相短路故障和相间短路故障等对换相失败的影响不同。此外，交流系统故障的发生地点和故障的严重程度对换相失败的影响亦不同。离故障点电气距离越近的逆变站发生换相失败的情况越严重［5-6］。

1.2 多直流换相失败情况统计分析

1.2.1 交流系统故障导致直流换相失败统计

近些年交流系统故障导致多直流同时换向失败的事件在南方电网运维直流工程中较为常见。对2012年此类故障进行统计，如表1所示。

由表1可知，500kV交流线路及主变发生故障跳闸是诱发直流换相失败的主要原因，这些交流故障呈现以下特点:

(1)故障设备与换流站电气距离较近。多为换流站内或邻近变电站内重载交流设备故障。

(2)故障设备电压等级比较高，均为500kV输变电设备，目前尚未出现220 kV及以下设备及线路故障导致换相失败的案例。

表1 南方电网2012年多直流换相失败统计Tab.1 Statistics of multiple DC commutation failure in China Southern Power Grid during 2012

1.2.2 多直流换相失败典型案例分析

2012年5月3日，500kV安莞线(安莞线为兴安直流宝安换流站内重载线路)主保护动作，线路重合闸动作成功。兴安直流宝安换流站、天广直流广州换流站、云广直流穗东换流站同一时刻发生换向失败。3个直流工程逆变侧交流系统电压波形如图1～3所示。

图1 宝安换流站交流系统电压波形Fig.1 Voltage waveform of AC system in Baoan converter station

图2 广州换流站交流系统电压波形Fig.2 Voltage waveform of AC system in Guangzhou converter station

录波显示故障时刻宝安换流站、广州换流站、穗东换流站交流系统A、B、C相电压波形均有异常，其中B相电压跌落最为明显。以宝安换流站为例，直流量变化如图4所示，通过熄弧角的变化可以看出，故障发生后宝安换流站极二发生换相失败，导致极二的直流电压迅速降低;直流电流升高，直流功率短时大幅降低。

图3 穗东换流站交流系统电压波形Fig.3 Voltage waveform of AC system in Suidong converter station

图4 宝安换流站极二电压、电流、熄弧角波形Fig.4 Voltage，current and extinction angle waveform in Baoan converter station

一般交流系统保护能正确动作切除故障，或瞬时跳闸重合成功。直流系统的换相失败也能自动恢复，不会对电网运行和电力供应造成严重影响。但换相失败造成直流功率短时大幅下降，对直流系统两端交流电网造成冲击，且短路电流对直流设备造成损伤，影响直流设备的使用寿命。因此避免换相失败或最大限度降低其影响是目前常规换流技术中最受重视的课题之一。

目前通过直流控制策略，电流调节器能在10 ms左右将换相失败故障电流减至额定值或以下，以期维持渡过交流系统的扰动期。在三常直流工程中，还加设了一个换相失败预测控制功能，即根据交流电压零序分量以及表明其矢量变化程度的α/β分量来预测单相/三相交流电压可能将发生故障，并因此来增大逆变侧的熄弧角以避免换相失败的发生［7］。

在换流站日常维护过程中，鉴于目前500kV交流系统故障引发多条直流同时换相失败的问题日益严重，对系统造成较大的影响，有必要在全网范围内对与换流站电气距离较近的500kV重载交流设备制定特殊维护方案。发现问题及时调整负荷并停电检修，提高其运行稳定性，有效减少多直流换相失败的发生。

1.3 交流系统电气操作引发换相失败

电气操作过程中，由于电气设备接地不合理、局部放电等因素，可能造成电压的小幅局部波动，如果电压波动部位与换流变馈线电气距离较近，可能造成直流系统换相失败。

2013年05月31日，宝安换流站拉开50732刀闸时(50732刀闸电气接线如图5所示)，换流变馈线电压发生波动，极二发生换相失败，如图6所示。

图5 50732刀闸所在间隔电气接线Fig.5 Electric connection of Switch 50732

图6 刀闸拉开过程交流电压、直流电流和电压波形Fig.6 AC voltage，DC current and voltage in switch operation

从故障录波可以看出，50732刀闸拉开时，B相交流电压发生波动，电压跌落最小峰值为222 kV(正常峰值为430 kV)，波动持续时间约100 ms，导致换相失败。这种情况在实际运行维护中罕有发生，属于偶发现象，且影响范围比较小，一般不会造成多直流换相失败，初步判断为换流变压器交流侧刀闸一次设备存在缺陷，电气操作过程中存在局部放电所致。建议对一次设备进行解体检查。

2 交流系统故障导致阀冷却系统故障

站用电系统是换流站内最重要的辅助设备，为双极阀冷主泵、冷却塔、换流变冷却器等非常重要的负荷提供电源，近区交流系统故障可能造成站用电电压波动，严重时站用电全部丢失，将直接造成双极闭锁［9］。

2012年12月15日，500kV砚都站2主变相间故障，高肇直流肇庆换流站站用电扰动并恢复，恢复过程中极二阀冷系统2台主泵交流电源均跳开，极二阀冷系统判定无主泵运行，导致极二停运。肇庆换流站三回站用电均由外部供电。且三回站用电上级电源均与500kV砚都变电站相关。当砚都站电压出现扰动，肇庆换流站三回站用电极易受影响。在本次故障过程中，2套设备自投装置发出退出信号，开关保护报失压信号，可判断肇庆站三回站用电电压确实发生大幅电压跌落。

阀冷系统两回400 V交流电源通过2个接触器-OK111和-OK112二选一接到屏内400 V交流母线，主泵由该交流母线供电，如图7所示。主泵空开-Q011、-Q012的保护为过流速断保护，定值为820 A。

图7 阀冷系统主泵电源电气接线Fig.7 Electric connection of main pump powerin valve cooling system

极二阀冷系统交流电源1故障恢复重新投入时，由于主泵1与电源失步时间较长，存在较高的残压，会产生较大冲击电流，主泵1的空开-Q011跳开。交流电源1电压已恢复，但由于交流电源1母线所带负荷均处于重启动过程中，此时交流电源1电压低于正常水平;同时主泵冷启动冲击电流较大(约为7倍额定电流)。在上述2种因素共同作用下主泵2投入时冲击电流大于820 A。故主泵2电源开关-Q012速断动作跳开，至此，阀冷却系统2台主泵均停运，导致直流系统停运。

为避免类似事件发生，提高换流站内站用电运行的稳定性，在换流站的站用电设计及建设中可以做以下改进。

(1)优化进线侧电源的网架结构，确保站用电取自不同变电站的不同间隔，网内局部交流设备故障时不会造成全部站用电扰动、丢失［8］。

(2)采用降压变压器的方式保证站用电稳定可靠。变压器具有电气隔离的作用，经过变压器多级降压可有效抑制站用电电压波动的发生。

(3)对400 V交流电源电压监视继电器进行改造。目前大多数交流接触器的电压监视继电器采用所检测的交流电源供电，当所检测的主电源失压时，电压监视继电器本身也将失效。建议采用直流电源单独供电的电压监视继电器，一方面直流电源本身比站用电的可靠性更高，另一方面当失去直流电后，有蓄电池作为备用，提高阀冷系统的可靠性，消除电压波动引发电压监视功能缺失导致直流停运的情况。

3 交流系统故障导致直流保护误动作

交流系统故障可能导致交流系统严重的电压跌落，从而引发直流电压短时剧烈波动，与直流电压量相关的直流保护误动作。

2012年12月15日，500kV砚都站 2主变A、B相间故障跳闸，高肇直流肇庆换流站换流变交流馈线A、B相电压降低，同时直流线路电压UDL波动。如图8所示，dU/dt达到保护动作定值，导致高坡换流站和肇庆换流站电压突变量保护动作，双极降压至400kV重启动。

图8 故障时刻肇庆换流站极二直流电压波形Fig.8 DC voltage waveform in Zhaoqing converter station during fault

电压突变量保护主要用于检测直流线路故障，如直流线路雷击、高阻接地等。直流线路故障时直流保护动作，极控系统启动直流线路故障重启动顺序，通过直流系统闭锁、线路去游离和系统重启动等一系列动作，实现直流线路故障后快速恢复［9］。此次电压突变量保护动作属于交流系统故障导致直流保护误动作。

近年来，在南方电网范围内由于区内交流系统故障导致直流电压扰动的情况比较普遍，提高直流保护对有效电压突变的识别能力，是避免保护误动作的主要手段。目前已完成对兴安直流27dU/dt保护优化方案。通过提高低电压闭锁dU/dt逻辑的返回电压定值和返回延时，增强了电压突变量保护的抗干扰能力，并通过了仿真试验和RTDS试验验证，该措施有效避免了类似直流保护误动作。

4 基于稳控策略的直流系统针对交流系统故障的自动调节

(1)功率提升和功率回降功能。以直流系统逆变侧为例，当所设定500kV重载交流线路跳闸后，为维持直流系统受电端交流系统稳定，系统安稳系统启动，根据预先设定的设定值及变化率快速改变直流功率［10］。

(2)频率限制功能。当交流系统故障引起交流电网频率发生变化时，直流控制系统自动调整直流系统向受电端交流系统输送的功率值，将电网频率控制在设定范围内。

5 结语

目前，多直流密集馈入交流系统的形成给电网的安全稳定运行带来了严峻的挑战。仅2012年1年内交流系统故障就引发9起多直流同时换相失败事件(单直流换相失败事件不计，发生情况更为普遍)、1次直流闭锁和1次直流保护误动作事件。随着未来糯扎渡送广东、溪洛渡送广东2个新建直流工程的相继投产，类似的事件将更加普遍，严重故障很可能造成电网失稳。本文既是运行维护经验的总结，又从运维的实际出发，针对具体情况提出了初步改进意见，能有效提高直流系统对交流系统故障的抗干扰能力，有助于提高直流输电系统的运行维护水平，并希望对未来直流输电系统的设计和建设提供有益的参考。

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