由一起過電壓事故談交直流混聯(lián)電網(wǎng)的整定配合

由一起過電壓事故談交直流混聯(lián)電網(wǎng)的整定配合

0交直流混聯(lián)電網(wǎng)中保護(hù)配合問題高壓直接供電具有較高的傳輸能力、較高的電氣距離、靈活的控制、無穩(wěn)定問題、適合跨境短距離互聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。前景非常廣闊。近年來,隨著一大批高壓直流輸電工程的陸續(xù)建成投產(chǎn),國內(nèi)電力系統(tǒng)已逐步進(jìn)入交直流混聯(lián)電網(wǎng)時(shí)代。在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中,交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的新電氣特征會對交流電網(wǎng)繼電保護(hù)動作行為產(chǎn)生不利影響,目前已引起廣泛關(guān)注。然而,交流保護(hù)與直流保護(hù)的協(xié)調(diào)及配合作為交直流混聯(lián)電網(wǎng)繼電保護(hù)應(yīng)用中另一個(gè)關(guān)鍵問題,尚未引起足夠重視,成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的隱患。傳統(tǒng)上,交流保護(hù)和直流保護(hù)均從各自系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行特性和故障特點(diǎn)出發(fā)獨(dú)立進(jìn)行整定設(shè)置,忽視了兩者的內(nèi)在聯(lián)系。事實(shí)上,交直流混聯(lián)電網(wǎng)中交流保護(hù)和直流保護(hù)在功能實(shí)現(xiàn)上是統(tǒng)一的整體,需要兩者之間的協(xié)調(diào)及配合,孤立地進(jìn)行交流保護(hù)或直流保護(hù)的定值整定都可能造成兩者的不正確動作。文獻(xiàn)分析了一起由于交直流保護(hù)配合不當(dāng)造成直流100Hz保護(hù)誤動的事故。本文探討了現(xiàn)有過電壓保護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題,并提出解決方案,希望能為國內(nèi)交直流混聯(lián)電網(wǎng)過電壓保護(hù)的安全可靠運(yùn)行提供參考。1交流線路破壓與工頻問題的關(guān)系在直流輸電的交直流變換中,交流電流相角總要落后于相應(yīng)的電壓相角,因此換流站在正常運(yùn)行時(shí)需要從交流系統(tǒng)吸收大量容性無功功率。在圖1所示的交直流混聯(lián)電網(wǎng)中,換流站與交流系統(tǒng)的無功功率交換可由下式求得:Qac=Qc-Qdc(1)Qac=Qc?Qdc(1)式中:Qac為交流系統(tǒng)提供的無功功率;Qc為交流濾波器及并聯(lián)電容器提供的無功功率;Qdc為換流器消耗的無功功率。換流站交流母線電壓U與無功功率Qac存在以下關(guān)系:Qac=U2sinθ-EUsin(θ+δ)Ζ(2)Qac=U2sinθ?EUsin(θ+δ)Z(2)假設(shè)交流系統(tǒng)阻抗角為90°,由式(2)可得:U=Ecosδ2+√E2cos2δ4+QacΖ(3)下面分析影響交流母線工頻過電壓的因素。首先,交流母線過電壓和換流站與交流系統(tǒng)交換的無功功率有關(guān)。通常,在額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)換流器消耗的無功功率可達(dá)到輸送功率的50%～60%。如果由于故障引起換流器閉鎖或系統(tǒng)擾動導(dǎo)致?lián)Q流器無功消耗大幅下降,由式(3)可知,剩余的無功功率將會造成換流站交流母線電壓升高。引起交流母線過電壓的典型情況是突然甩負(fù)荷,包括直流單雙極閉鎖及交流側(cè)斷路器跳閘等情況。在換流站設(shè)備故障直流系統(tǒng)緊急停運(yùn)時(shí),換流器消耗的無功功率急劇減少,如果無功補(bǔ)償設(shè)備不能被盡快切除,整流側(cè)交流母線就可能出現(xiàn)幅值較高的過電壓。當(dāng)逆變側(cè)通過很少的幾回輸電線與交流系統(tǒng)相連、在受端主干交流輸電線斷路器跳閘甩掉大部分負(fù)荷時(shí),直流系統(tǒng)在閉鎖前仍向逆變側(cè)輸送大量有功功率,失去的功率將被交流母線上的濾波器組等設(shè)備吸收,會導(dǎo)致逆變側(cè)交流母線電壓急劇升高。其次,甩負(fù)荷造成的過電壓還與換流站所連接的交流電網(wǎng)的系統(tǒng)阻抗即交流電網(wǎng)的強(qiáng)弱有關(guān)。通常用短路比KSCR來表示換流站所連接的交流電網(wǎng)的強(qiáng)度:ΚSCR=SacΡdn=U2nΖΡdn(4)式中:Sac為交流系統(tǒng)短路容量;Pdn為直流系統(tǒng)額定功率;Un為交流母線額定電壓。一般短路比小于3的系統(tǒng)為弱交流系統(tǒng)。顯然,直流系統(tǒng)在甩負(fù)荷時(shí)的過電壓隨短路比的減小而增大。發(fā)生直流雙極閉鎖時(shí),若直流系統(tǒng)所連接的交流系統(tǒng)較弱,就會加劇交流母線過電壓的程度;尤其是對于背靠背直流輸電系統(tǒng),其通常只有一個(gè)極,在這種情況下,單極閉鎖就會造成較嚴(yán)重的過電壓。不同短路比情況下,直流雙極閉鎖時(shí)換流站整流側(cè)母線過電壓的波形如圖2所示,受端交流系統(tǒng)主干輸電線路切除時(shí)換流站逆變側(cè)母線過電壓的波形如圖3所示。換流站整流側(cè)或逆變側(cè)交流母線出現(xiàn)的持續(xù)過電壓會通過換流變壓器及換流閥傳遞至直流系統(tǒng),同時(shí)還會經(jīng)由輸電線進(jìn)入鄰近交流電網(wǎng),對直流系統(tǒng)和交流電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成威脅。2次系統(tǒng)電壓保護(hù)過電壓是交流電網(wǎng)一種常見的電磁暫態(tài)現(xiàn)象。頻率為工頻或接近工頻而幅值超過最高運(yùn)行相電壓的過電壓,稱為工頻過電壓。影響工頻過電壓的主要因素包括空載長線路的電容效應(yīng)、不對稱短路及線路突然甩負(fù)荷等。工頻過電壓與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、容量、參數(shù)及運(yùn)行方式密切相關(guān),分為穩(wěn)態(tài)工頻過電壓和工頻暫時(shí)過電壓2類。330～750kV超高壓交流輸電線路輸送距離較遠(yuǎn),又普遍采用分裂導(dǎo)線,分布電容較大。當(dāng)線路電容電流流過線路電抗和電源電抗時(shí)就會引起穩(wěn)態(tài)工頻電壓升高?？蛰d線路末端電壓Ul為:Ul=Ecosαl-XsΖWsinαl(5)式中:α為相位系數(shù);l為線路長度;Xs為電源電抗;ZW為線路波阻抗。顯然,在電容效應(yīng)影響下,線路電壓會升高到很大值,嚴(yán)重危害電氣設(shè)備的安全。為此,一方面可在輸電線路上裝設(shè)并聯(lián)電抗,通過對電容的補(bǔ)償來降低電壓;另一方面,可根據(jù)一次系統(tǒng)過電壓要求在二次系統(tǒng)裝設(shè)過電壓保護(hù)。過電壓保護(hù)不針對操作過電壓、暫態(tài)過電壓或其他種類過電壓,主要適用于工頻過電壓。典型情況是長線路本側(cè)斷路器三相跳閘后,線路對地電容充電功率造成的工頻過電壓。對有些線路而言,即使本側(cè)斷路器不跳閘,背側(cè)斷路器跳閘也會造成本側(cè)過電壓。過電壓保護(hù)通常集成在遠(yuǎn)方跳閘就地判別裝置中或作為線路保護(hù)的一個(gè)功能模塊,其動作邏輯如圖4所示。過電壓保護(hù)測量保護(hù)安裝處母線或線路的電壓,并作用于跳閘。當(dāng)本側(cè)斷路器已斷開而線路仍然過電壓時(shí),通過發(fā)送遠(yuǎn)方跳閘信號來切除線路對側(cè)斷路器。依據(jù)現(xiàn)行繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)程,過電壓保護(hù)整定值和跳閘方式由一次系統(tǒng)確定。DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定,線路斷路器的變電站側(cè)及線路側(cè)電壓應(yīng)分別不超過系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓的1.3倍和1.4倍。SD325—89《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》進(jìn)一步要求向空載線路充電時(shí),在暫態(tài)過程衰減后線路末端電壓不應(yīng)超過系統(tǒng)額定電壓的1.15倍,持續(xù)時(shí)間不應(yīng)大于20min。過電壓保護(hù)定值主要依據(jù)上述2個(gè)規(guī)程,以及具體電網(wǎng)可能出現(xiàn)的過電壓幅值和允許時(shí)間來確定。其動作電壓一般取系統(tǒng)額定電壓的1.15倍,但動作時(shí)間較難確定。電網(wǎng)和設(shè)備在不同過電壓情況下耐受時(shí)間不同,過電壓倍數(shù)越高,耐受的時(shí)間就越短,反之亦然。因此,較理想的過電壓保護(hù)方法是采用反時(shí)限動作特性,但現(xiàn)有過電壓保護(hù)裝置均采用定時(shí)限特性,即只有過電壓幅值和時(shí)間2個(gè)定值。受其限制,考慮到在過電壓幅值遠(yuǎn)超過1.15倍系統(tǒng)額定電壓時(shí)過電壓保護(hù)也能及時(shí)動作,所以時(shí)間定值不能太大,在可靠躲過故障暫態(tài)過程的前提下應(yīng)盡可能小,一般取100～500ms。實(shí)際中,各地區(qū)均依據(jù)各自電網(wǎng)和設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行整定,以西北330kV電網(wǎng)為例,過電壓保護(hù)定值的電壓整定值Uset為1.15(標(biāo)幺值),時(shí)間整定值Tset為0.15s。總之,交流電網(wǎng)過電壓保護(hù)是從交流電網(wǎng)的運(yùn)行特性、故障特征以及過電壓水平等因素出發(fā)整定的,沒有考慮直流系統(tǒng)過電壓的影響以及對直流系統(tǒng)的適應(yīng)性。3動態(tài)電壓限值的限制換流站無功補(bǔ)償過剩經(jīng)常會造成交流母線過電壓。通常,直流系統(tǒng)在換流器閉鎖時(shí)會按一定的策略切除換流站的電容器組、濾波器組和換流變壓器,過電壓的幅值及持續(xù)時(shí)間與直流系統(tǒng)保護(hù)的動作特性密切相關(guān)。對于直流系統(tǒng)甩負(fù)荷造成的工頻過電壓,DL/T605—1996《高壓直流換流站絕緣配合導(dǎo)則》規(guī)定,應(yīng)采取措施將工頻過電壓幅值限制在最高運(yùn)行相電壓的1.4倍以下,持續(xù)時(shí)間限制在1s以內(nèi)。國內(nèi)高壓直流輸電工程技術(shù)規(guī)范中,對暫時(shí)過電壓限值一般規(guī)定如下:·廣告·1)直流輸電部分或完全中斷時(shí)不應(yīng)在換流器的交流母線處產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間超過5個(gè)周期、大于1.3(標(biāo)幺值)的工頻電壓,且電壓變化不會超過擾動前電壓的30%。2)從導(dǎo)致輸電中斷的干擾產(chǎn)生時(shí)起2s內(nèi),工頻電壓應(yīng)在500ms以內(nèi)降到1.15(標(biāo)幺值)以下,并降至擾動前電壓的105%或者交流母線電壓(所有的電容器分組切除后),以兩者中的較大值為準(zhǔn)。動態(tài)過電壓的限制值如圖5所示。各直流輸電工程還會結(jié)合系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果,對過電壓做進(jìn)一步的限制。換流器在未閉鎖時(shí)可用來快速平滑地限制過電壓,例如通過增大整流器的觸發(fā)角及逆變器的關(guān)斷角,從而增加換流站所消耗的無功功率,協(xié)助降低過電壓。除此之外,直流系統(tǒng)還配有多種過電壓保護(hù)功能,在直流極控不起作用而電壓又不能被主要限制措施限制在規(guī)定范圍的情況下,防止嚴(yán)重的持續(xù)過電壓損壞換流變壓器及換流器。此類保護(hù)總體上可分為如下4種,其定值依據(jù)國家相關(guān)規(guī)定、工程過電壓技術(shù)規(guī)范及設(shè)備過應(yīng)力進(jìn)行整定。1換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)根據(jù)換流變壓器閥側(cè)線電壓、頻率及分接頭位置,計(jì)算出理想空載直流電壓Udi0,當(dāng)Udi0超過規(guī)定值時(shí),保護(hù)動作。動作條件分別為:{Udi0L≥Udi0≥Udi0GΤ>Τset1(6){Udi0>Udi0LΤ>Τset2(7){Udi0>Udi0maxΤ>Τset3(8)式中:Udi0G,Udi0L,Udi0max分別為理想空載直流電壓的下限、上限、極大值,其典型值依次為額定電壓的1.01倍、1.03倍和1.04倍;Tset1,Tset2,Tset3為時(shí)間整定值,其典型值分別取0.1s,2s和115s。滿足式(6)時(shí),保護(hù)動作后將禁止增大Udi0的分接頭操作;滿足式(7)時(shí),保護(hù)動作后將調(diào)節(jié)分接頭降低Udi0;滿足式(8)時(shí),保護(hù)動作后閉鎖換流器,跳開換流變壓器交流側(cè)斷路器,鎖定交流斷路器并啟動斷路器失靈保護(hù)。換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)屬于慢速控制,具有臺階效應(yīng),約5～10s一擋。而改變換流器觸發(fā)角對擾動進(jìn)行調(diào)節(jié)具有響應(yīng)快速平滑的特點(diǎn),通常將兩者結(jié)合起來進(jìn)行電壓控制。2電壓初始時(shí)間uxdc的確定根據(jù)交流母線電壓狀況,通過投切濾波器組及電容器組,維持穩(wěn)態(tài)交流電壓在一定范圍內(nèi),避免濾波器及換流變壓器過電壓保護(hù)頻繁動作。當(dāng)檢測到母線電壓超過最高電壓Umax一定時(shí)間時(shí),按次序切除濾波器組及電容器組,防止電壓的繼續(xù)升高,直至滿足絕對最小濾波器容量要求為止。約束條件為:{Uac_dc>UmaxΤac_dc>Τac_set(9)式中:Uac_dc和Tac_dc分別為直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)動作電壓和時(shí)間;Umax取額定電壓的1.3～1.5倍;Tac_set取0.1s。3正常電壓的判定為防止工頻過電壓對換流變壓器的損害,直流系統(tǒng)配置有換流變壓器過電壓保護(hù)。通過測量換流變壓器引線相電壓并與定值比較來判斷是否發(fā)生非正常過電壓。該保護(hù)依據(jù)換流變壓器過電壓能力整定,一般為:{Uac_dc>Uac_setΤac_dc>Τac_set(10)式中:Uac_set取額定電壓的1.3～1.5倍;Tac_set取0.5s。該保護(hù)動作后依次移相閉鎖,跳開并鎖定交流斷路器。4交流濾波器過流保護(hù)為避免工頻過電壓損壞交流濾波器組及并聯(lián)電容器組,直流系統(tǒng)配置有濾波器母線過電壓保護(hù)。通過檢測濾波器組母線相電壓并與定值比較來判斷是否發(fā)生過電壓,本保護(hù)對工頻電壓及7次以下諧波電壓敏感。按照交流濾波器耐受過電壓能力整定,一般情況下同式(10),但Uac_set取額定電壓的1.15～1.50倍;Tac_set因過電壓水平而異,Uac_set為1.15(標(biāo)幺值)時(shí)Tac_set可取10s,Uac_set為1.50(標(biāo)幺值)時(shí)Tac_set可取0.2s。該保護(hù)動作后依次報(bào)警,跳濾波器組斷路器,啟動斷路器失靈保護(hù)等。顯然,直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)整定依據(jù)直流系統(tǒng)的運(yùn)行特性、故障特征及過電壓水平等條件,沒有考慮對交流電網(wǎng)過電壓及其保護(hù)的影響。4直流設(shè)備故障目前,交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)的過電壓保護(hù)都是從各自系統(tǒng)的運(yùn)行特性及過電壓情況出發(fā)獨(dú)自設(shè)定相關(guān)參數(shù)的,沒有考慮對側(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中難免會出現(xiàn)由于配合不當(dāng)而引起過電壓保護(hù)不正確動作。西北直流外送工程某換流站分為單元Ⅰ和單元Ⅱ兩部分,正常情況下由西北向外區(qū)送電。2009年12月,該站直流設(shè)備發(fā)生故障,直流系統(tǒng)保護(hù)動作閉鎖單元Ⅱ,同時(shí)跳開換流變壓器交流側(cè)斷路器。站內(nèi)過剩的無功功率引起整流側(cè)交流母線電壓升高,直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)動作較慢,交流電網(wǎng)過電壓保護(hù)達(dá)到定值后動作切除鄰近兩回330kV輸電線。圖6為直流閉鎖前后600ms內(nèi)直流暫態(tài)故障錄波系統(tǒng)(TFR)記錄的直流電流iD、直流電壓uD及換流變壓器網(wǎng)側(cè)三相電流iAC波形;圖7為交流電網(wǎng)過電壓保護(hù)動作前250ms內(nèi)檢測的母線電壓波形。經(jīng)分析,直流系統(tǒng)在過電壓定值設(shè)置時(shí)并未考慮交流電網(wǎng)過電壓水平及過電壓保護(hù)定值。同時(shí),交流電網(wǎng)過電壓保護(hù)在整定時(shí)對直流設(shè)備故障引起的過電壓也分析不足。當(dāng)直流閉鎖導(dǎo)致?lián)Q流站交流母線電壓升至1.17(標(biāo)幺值)且持續(xù)時(shí)間超過179ms時(shí),在直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)未動作情況下,交流側(cè)過電壓保護(hù)動作出口。由本次事故可見,對交直流混聯(lián)電網(wǎng)中過電壓保護(hù)作用和整定原則的認(rèn)識還有待進(jìn)一步深化。5鄰近交流輸電線路電壓保護(hù)動作在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中,交流保護(hù)和直流保護(hù)在功能配置方面應(yīng)遵循的一個(gè)原則是:在直流系統(tǒng)故障期間交流電網(wǎng)保護(hù)盡可能不動作,主要由直流系統(tǒng)的控制保護(hù)動作來消除故障。當(dāng)直流保護(hù)不起作用時(shí),才由交流保護(hù)動作隔離故障,即直流系統(tǒng)故障時(shí)交流保護(hù)是直流保護(hù)的后備保護(hù)。換流站內(nèi)交流母線接有大量的無功補(bǔ)償設(shè)備,在交流側(cè)斷路器跳閘或直流側(cè)換流器閉鎖造成甩負(fù)荷時(shí),站內(nèi)過剩的無功功率經(jīng)常會引起工頻過電壓。因此,過電壓的消除主要依靠換流站內(nèi)直流系統(tǒng)保護(hù)的動作,交流電網(wǎng)過電壓保護(hù)應(yīng)滿足選擇性的要求,在動作電壓和時(shí)間上均與直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)相互配合。直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)在策略設(shè)計(jì)時(shí),除了要參照換流站內(nèi)一次設(shè)備的過電壓能力及直流運(yùn)行特性外,還應(yīng)充分考慮周圍交流電網(wǎng)輸電線路過電壓保護(hù)的動作電壓和時(shí)間,并將其作為一個(gè)約束條件,對直流設(shè)備故障引起的工頻暫時(shí)過電壓進(jìn)行校核,盡可能減小過電壓的幅值及持續(xù)時(shí)間,將換流站交流母線電壓保持在允許的范圍內(nèi),以避免引起鄰近交流輸電線路過電壓保護(hù)動作。例如,假設(shè)鄰近交流輸電線路過電壓保護(hù)定值的電壓整定值Uset為1.2(標(biāo)幺值),時(shí)間整定值Tset為0.2s。直流系統(tǒng)在滿足過電壓設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下,應(yīng)進(jìn)一步校核確認(rèn)在部分或全部直流功率中斷后,引起的交流母線工頻過電壓幅值小于1.2(標(biāo)幺值)且持續(xù)時(shí)間不超過200ms。當(dāng)超過限值時(shí),首先由直流系統(tǒng)的最高電壓Umax限制保護(hù)動作,逐級切除無功補(bǔ)償設(shè)備;若還不能解決問題,再由換流變壓器過電壓保護(hù)和濾波器母線過電壓保護(hù)動作,切除所有濾波器組及換流變壓器,從而消除過電壓。在策略執(zhí)行時(shí),每級交流濾波器組或電容器組的切除時(shí)間需要結(jié)合具體工程條件經(jīng)過詳細(xì)的仿真計(jì)算確定。應(yīng)依據(jù)過電壓水平縮短每組無功補(bǔ)償設(shè)備的切除時(shí)間,且不同過電壓程度切除時(shí)間應(yīng)有所差異。必要時(shí)還可經(jīng)較短延時(shí)同時(shí)切除所有交流濾波器組或電容器組?？傊?優(yōu)先由直流系統(tǒng)保護(hù)通過快速減小無功補(bǔ)償設(shè)備提供的無功功率,將過電壓幅值及持續(xù)時(shí)間限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。交流電網(wǎng)過電壓保護(hù)整定時(shí),除應(yīng)依據(jù)輸電線路過電壓狀況外,還應(yīng)充分評估鄰近直流輸電所帶來的影響。通過仿真計(jì)算確定換流站交流母線過電壓可能影響到的交流輸電線路的范圍。在滿足電網(wǎng)和設(shè)備安全運(yùn)行前提下,盡可能提高相關(guān)交流輸電線路過電壓保護(hù)動作門檻值,并延長動作時(shí)間,以便與直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)協(xié)調(diào)。在動作電壓和時(shí)間上,均應(yīng)與直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)相配合?？傊?直流輸電甩負(fù)荷造成的過電壓應(yīng)由直流系統(tǒng)保護(hù)動作來限制,不應(yīng)引起交流電網(wǎng)過電壓保護(hù)動作。交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)整定計(jì)算應(yīng)滿足選擇性要求,兩者的定值必須符合以下條件:{Uac>Uac_dcΤac>Τac_dc(11)式中:Uac和Tac分別為交流電網(wǎng)過電壓保護(hù)動作電壓和時(shí)間。圖8給出了交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)過電