云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)c裝置運(yùn)行穩(wěn)定性分析

云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)c裝置運(yùn)行穩(wěn)定性分析

交換相錯(cuò)誤是高壓直接供輸系統(tǒng)中最常見(jiàn)的故障之一。由于流量交換側(cè)的觸發(fā)點(diǎn)電流的存在，流量交換設(shè)備在交換相時(shí)必須完成一定的電流轉(zhuǎn)移。為了表示交換過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，通常以交換角（）表示更換流量閥兩個(gè)橋臂之間的交換相最終結(jié)論。當(dāng)交換流量裝置的兩個(gè)橋臂之間的交換相完成時(shí)，初始傳輸源的閥無(wú)法恢復(fù)阻滯性，或在反向電壓范圍內(nèi)的交換相過(guò)程未完成。因此，當(dāng)閥電壓轉(zhuǎn)換為正時(shí)，被更換的閥將被反向更換為第一個(gè)通道。截止到2012年,南方電網(wǎng)已有四條超(特)高壓直流輸電系統(tǒng)投入運(yùn)行.四條直流落點(diǎn)都分布于珠三角地區(qū),彼此距離比較接近,與之相連的交流系統(tǒng)具有較大的容量,因此直流逆變側(cè)附近交流系統(tǒng)一旦出現(xiàn)瞬時(shí)性故障,引起短時(shí)的交流電壓跌落,極易引起一條或多條直流線路出現(xiàn)換相失敗.云廣特高壓直流輸電工程是中國(guó)第一條±800kV電壓等級(jí)的直流輸電系統(tǒng),起點(diǎn)為云南省楚雄換流站,終點(diǎn)為廣東省穗東換流站,故又簡(jiǎn)稱(chēng)楚穗直流,其額定傳輸功率達(dá)5000MW.由于傳輸功率高,云廣直流一旦因換相失敗出現(xiàn)非正常的單極或雙極閉鎖,將對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成較大沖擊,甚至可能引發(fā)大范圍停電事故.2012年9月12日(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“9·12”)云廣直流逆變側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)故障,導(dǎo)致穗東站雙極四閥組均發(fā)生換相失敗,隨后極1直流保護(hù)系統(tǒng)1直流差動(dòng)保護(hù)87DCM動(dòng)作,極1雙閥組退至備用狀態(tài).事后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備無(wú)異常.本文對(duì)云廣直流“9·12”事件的原因進(jìn)行分析,考察保護(hù)動(dòng)作的正確性.通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)錄波確定換相失敗過(guò)程中極1高、低壓母線出現(xiàn)過(guò)大差流的原因?yàn)樗霒|換流站極1低壓母線側(cè)電流測(cè)量裝置(CT)故障.通過(guò)與歷次換相失敗的歷史電流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以及對(duì)極1母線差流諧波情況進(jìn)行分析,定位發(fā)生故障的為該CT二次測(cè)量回路.1浮動(dòng)門(mén)檻及差電流“9·12”云廣特高壓直流單極閉鎖的原因是極1直流保護(hù)系統(tǒng)1直流差動(dòng)保護(hù)87DCM動(dòng)作.87DCM是高壓直流輸電系統(tǒng)配置于直流場(chǎng)極區(qū)故障的主要保護(hù)之一,該保護(hù)判斷依據(jù)為本極高壓母線電流IdCH和低壓母線電流IdCN.87DCM采用DISA功能模塊,采用累加算法,將差電流︱IdCH-IdCN︱送入DISA功能模塊進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù),其浮動(dòng)門(mén)檻計(jì)算公式為max[max(IdCH,IdCN)×0.15,156A].當(dāng)差電流︱IdCH-IdCN︱大于浮動(dòng)門(mén)檻時(shí),累計(jì)正計(jì)數(shù);當(dāng)差電流小于浮動(dòng)門(mén)檻時(shí),累計(jì)負(fù)計(jì)數(shù);當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)保護(hù)出口動(dòng)作.直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗時(shí),主要體現(xiàn)為熄弧角變小,閥關(guān)斷裕度角不足,直流電壓降低,直流電流升高.圖1至圖4所示為“9·12”換相失敗期間穗東換流站現(xiàn)場(chǎng)錄波裝置所錄的雙極直流母線電流波形,其中x軸表示當(dāng)天時(shí)間,14:47:35.10表示14時(shí)47分35.10秒,下同,不再贅述.從圖1至圖4可見(jiàn),發(fā)生換相失敗時(shí)直流電流過(guò)沖的最大值約為8kA,交流系統(tǒng)瞬時(shí)故障消失并重合成功后,極2成功恢復(fù)到故障前運(yùn)行狀態(tài),而極1則由于87DCM保護(hù)動(dòng)作閉鎖.為考察87DCM動(dòng)作是否正確,計(jì)算保護(hù)動(dòng)作前后時(shí)刻極1高低壓母線差電流︱IdCH-IdCN︱和87DCM保護(hù)浮動(dòng)門(mén)檻,其波形如圖5所示.從圖1和圖2可以看出,直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗后,極1高壓側(cè)電流IdCH與低壓側(cè)電流IdCN開(kāi)始增大,隨后呈現(xiàn)不規(guī)律變化.從圖5可見(jiàn),在此暫態(tài)過(guò)程中,IdCH與IdCN之間的差流值遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的差流.從圖5差電流與浮動(dòng)門(mén)檻的波形比較可見(jiàn),在故障發(fā)生后,差電流大部分時(shí)間位于浮動(dòng)門(mén)檻的下方,因此不滿足保護(hù)判據(jù),保護(hù)未動(dòng)作.在圖5中,差電流開(kāi)始大于浮動(dòng)門(mén)檻,經(jīng)過(guò)約8.65ms后滿足87DCM動(dòng)作定值及延時(shí),發(fā)出ESOF命令出口跳閘.綜上分析可見(jiàn),87DCM保護(hù)動(dòng)作的原因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)換相失敗后IdCH和IdCN急劇變化的過(guò)程中,IdCH與IdCN之間差流值增大并滿足判據(jù),保護(hù)為正確動(dòng)作.2護(hù)的一般情況理論上直流輸電系統(tǒng)同一極高壓母線電流IdCH和低壓母線電流IdCN位于同一回路,其大小應(yīng)相等,但“9·12”87DCM保護(hù)屬于正常動(dòng)作,換相失敗的暫態(tài)過(guò)程中極1的IdCH和IdCN之間的確存在較大的差流.觀察圖1至圖4所示的電流波形,可以看出,極1IdCH、極2IdCH、極2IdCN的波形都比較平緩,而極1IdCN波形則有明顯的毛刺.由于事后檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備均無(wú)異常,因此可初步推斷造成“9·12”極1母線差流過(guò)大的原因與極1低壓母線側(cè)電流測(cè)量裝置(CT)工作狀態(tài)不穩(wěn)定有關(guān).2.1云廣直流換相失敗故障的初步解釋直流電流測(cè)量裝置是基于一個(gè)安裝在一次電流回路的阻性分流器,直流分流器中的傳感器探頭盒安裝在高壓側(cè),直流分流器接入直流母線.當(dāng)通過(guò)電流為3125A時(shí),分流器兩端壓降為150mV.分流器兩端壓降通過(guò)傳感器探頭OPTO5轉(zhuǎn)化為光纖數(shù)字信號(hào),OPTO5由激光驅(qū)動(dòng).與高壓側(cè)的隔離通過(guò)復(fù)合絕緣子中的光纜來(lái)實(shí)現(xiàn).低壓側(cè)的接線盒提供低壓光纜到測(cè)量系統(tǒng)的接口.光電轉(zhuǎn)換電子模塊整合在測(cè)量系統(tǒng)屏內(nèi).根據(jù)穗東站直流分流器技術(shù)規(guī)范,直流電流測(cè)量裝置的誤差為±0.2%,極端情況下,由高壓直流分流器測(cè)量精度誤差與低壓直流分流器測(cè)量精度誤差引起的最大差值為0.4%.換相失敗過(guò)程中最大直流電流值接近8000A,即由直流分流器測(cè)量精度誤差引起的最大差電流也才32A,遠(yuǎn)低于87DCM保護(hù)浮動(dòng)門(mén)檻值,因此可初步推斷本次事件原因是極1低壓母線側(cè)CT出現(xiàn)故障.2012年4月份以來(lái)云廣直流發(fā)生過(guò)多次因交流系統(tǒng)瞬時(shí)故障引起的換相失敗,但僅有9月12日的換相失敗導(dǎo)致87DCM保護(hù)動(dòng)作,其余時(shí)間系統(tǒng)均在瞬時(shí)擾動(dòng)后恢復(fù)到換相失敗前運(yùn)行狀態(tài).表1給出了穗東換流站錄波裝置所錄的2012年4月份以來(lái)云廣直流歷次換相失敗時(shí)的運(yùn)行情況、保護(hù)動(dòng)作情況以及極1高低壓母線差流.通過(guò)對(duì)比可以得到以下結(jié)論.1)高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗時(shí)極1高低壓母線電流的差流大小與電流過(guò)沖幅值沒(méi)有必然聯(lián)系.如表1所示的6月21日換相失敗過(guò)程中直流電流過(guò)沖幅值為4.5kA,9月11日換相失敗過(guò)程中直流電流過(guò)沖幅值為7.3kA,但這兩次的極1高低壓母線差流幾乎相同.2)云廣直流出現(xiàn)換相失敗的暫態(tài)過(guò)程中極1高低壓母線差流的最大值一般為30～50A,偶爾出現(xiàn)高達(dá)125A的情況,均大于穩(wěn)態(tài)時(shí)的差流,但都遠(yuǎn)小于87DCM的浮動(dòng)門(mén)檻值,并不會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作.這說(shuō)明87DCM保護(hù)對(duì)于直流正常運(yùn)行和一般換相失敗時(shí)可能出現(xiàn)的差流可以有效避過(guò).3)云廣直流9月11日、9月12日兩次換相失敗時(shí)直流的運(yùn)行狀態(tài)、電流過(guò)沖幅值都非常類(lèi)似,但“9·12”換相失敗時(shí)極1高低壓母線差流卻比9月11日時(shí)大很多.圖6和圖7給出了9月11日換相失敗過(guò)程中極1母線電流的故障錄波,通過(guò)對(duì)比圖2和圖7,發(fā)現(xiàn)9月11日換相失敗時(shí)極1低壓母線電流IdCN的波形比較平緩,沒(méi)有類(lèi)似于圖2所示的“9·12”IdCN波形中出現(xiàn)的毛刺,而兩次換相失敗時(shí)極1高壓母線電流的波形基本一致,且比較平緩無(wú)任何毛刺.說(shuō)明極1高壓母線側(cè)CT工作狀態(tài)為正常,而極1低壓母線側(cè)CT在9月12日出現(xiàn)了故障是導(dǎo)致87DCM動(dòng)作的主要原因.2.2逆變側(cè)直流電流故障的分析為定位極1低壓母線側(cè)CT出現(xiàn)故障的具體位置,將“9·12”換相失敗過(guò)程的故障錄波導(dǎo)入EMTDC仿真軟件,對(duì)極1高低壓母線電流IdCH,IdCN差流的直流和主要諧波分量進(jìn)行分析.通過(guò)傅里葉變換,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)換相失敗過(guò)程中IdCH,IdCN波形中含有大量的低次諧波分量,主要以1至6次諧波為主.這是由于直流系統(tǒng)換相失敗時(shí)會(huì)受許多非線性因素的影響,逆變側(cè)直流電流包含直流分量、按指數(shù)上升的非周期分量、由電容放電引起的振蕩諧波分量以及換相過(guò)程中交流電源引起的基波分量等多種諧波成分.分別對(duì)換相失敗過(guò)程中IdCH與IdCN的直流分量和1～6次諧波分量的差流值進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖8至圖14所示.其中x軸表示時(shí)間,單位為秒.從圖8至圖14可見(jiàn),“9·12”換相失敗過(guò)程中極1IdCH與IdCN的直流分量、1至6次諧波測(cè)量值都存在較大差流.其中直流分量差流最大值約為200A,交流分量中1至3次諧波差流較為嚴(yán)重,差流幅值在100A以上,4～6次諧波分量差流在50A左右,而穩(wěn)態(tài)時(shí)直流量、基波和所有諧波差流都在2～3A的數(shù)量級(jí).“9·12”事后檢查發(fā)現(xiàn),直流低壓母線CT一次側(cè)設(shè)備包括測(cè)量直流量的直流分流器和測(cè)量諧波量的空心線圈,兩者同時(shí)出現(xiàn)工作異常的可能性較小,因此本次CT故障可能出現(xiàn)在二次測(cè)量回路.具體故障位置需