高压直流线路开路试验的控制原理及保护分析

阴春晓，艾 芊

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

线路开路试验（OLT）是为了在直流极长时间停运或直流区域设备检修后，确保直流侧的绝缘水平仍符合要求，而对直流侧线路充直流电压的一种检测手段［1］。在进行线路开路试验时，需要满足本站试验极为独立控制方式，对侧换流站不在极开路试验模式，同时本侧换流站直流极母线电压不大于设定值，站间通信正常，试验极线刀闸合上、对站直流极线刀闸拉开或本侧直流极线刀闸拉开的情况下，运行人员才可以安全地解锁对应的换流极，并可把线路电压调到0～1.05倍额定电压之间的任一数值，以测试本端换流站设备以及与之相连的极线。

在进行开路试验时，禁止对站相应极解锁，需要闭锁所有断线类保护及能够闭锁换流器的直流欠压保护，并提供试验期间设备安全的保护措施。当一极停运一极运行时，停运极的两端都能进行带或不带直流线路的线路开路试验，而且不对运行极提出任何限制要求。

1 线路开路试验的控制原理

线路开路试验的基本原理是通过调节换流阀的触发角α来改变直流极母线电压值，从而达到检测线路绝缘的目的。12脉动换流器是由两个6脉动换流器串联而成，其极母线上的电压就是两个6脉动换流器母线电压之和，对于线路开路试验来说，12脉动和6脉动是一样的。

1.1 理想情况下线路开路试验

理想情况是指直流电压不存在由RC组成的泄压回路，在可控硅开通的瞬间，电压就保持在直流线路上，并且认为在换流阀导通时，没有电流通过换流阀。现对理想情况下的触发角与直流侧电压的对应关系进行分析。

假设交流侧电压：

可控硅导通顺序为：（T1，T2）→（T2，T3）→（T3，T4）→（T4，T5）→（T5，T6）→（T6，T1）→（T1，T2），如图1所示。

图1 6脉动换流器原理图

以可控硅T1导通为例，计算理想情况下线路开路试验时的直流电压，其中触发角α是以Uac过零点作为起点计算。导通条件是阳极和阴极之间为正向电压，同时门极上有触发脉冲，并且超过门槛值。在没有触发脉冲时，换流器直流m点和n点电位，在三相平衡的换相电压作用下为零。当α大于150°时，如图2所示，加在T1上的相电压Ua为负，T1承受反向电压，即是有触发脉冲tpi也不能开通，直流线路不能建压。

图2 交流侧电压及阀触发的顺序

当α在60°～150°之间时，加在T1上的相电压Ua为正，假如在此期间T1接收到触发脉冲，则在T1导通的瞬间，直流线路m点对地电压为A相的电压瞬时值为：

式中：V1为换流阀侧绕组空载线电压有效值。

对于1个6脉动整流电路来说，每个单阀导通角度为120°。在60°≤α≤150°时，随着α的增加，交流侧电压Ua是单调下降的。若阀在导通以后α增加，那么此时的交流电压Ua小于阀导通瞬间的电压Um，对于T1阀来说，阴极电位（直流线路电压）还继续保持在阀导通时的瞬时值（绝缘良好无泄放回路），而阳极电位已开始下降，阀承受反向电压，换流阀关断。所以，直流线路上半桥电压Um维持瞬时值下半桥电压Un保持直流电压Ud＝

式中：Udi0为6脉动换流器理想空载直流电压华新站取270.9kV。

当α小于60°时，在阀导通的120°区间里，直流线路电压会一直上升，至α等于60°时为最大电压，并且一直保持此电压

在实际工程做线路开路试验时，α在60°～150°间，12脉动换流器整流后得到的直流电压为：

从UD表达式可以看出：直流电压从α等于150°开始递增，当α等于60°时直流电压达到最大，UD只在电流为零时才成立。华新站做线路开路试验时，直流母线电压理论计算最大值为655kV。

1.2 实际工程的线路开路试验

在实际工程做线路开路试验时，考虑到交流电源有等值电感，直流侧有等值电容、电阻和电感，并且换流阀也不仅仅是由1个单纯的可控硅组成，而是由一些电容、电阻、电抗相互串并联组成，华新站可控硅模块结构图如图3所示。

由图3可看出，线路开路试验时电流流过换流阀，以三角波形式对线路充电，如图4所示。

考虑到上述影响，当可控硅上的电压由正变负，换流阀并不关断，经过一定的时间后缓慢下降为0，在这个换相重叠过程中会引起压降ΔVS：

图3 华新站可控硅模块结构图

图4 OLT过程中录波图

考虑到换相压降，12脉动直流电压为：

当α约等于60°时，12脉动换流器的直流电压约为2Udi0，即为550kV。可见，实际电压值（550kV）是低于理论计算值（655kV）的。

另外，在做线路开路试验时，直流场设备也在试验范围之内，诸如电晕损耗和其他一些损耗，会使直流电压降低。比如：试验时直流滤波器对地处于导通状态，相当于和平波电抗器组成阻尼回路，电压会因为缓慢对地泄放而降低。而对于带线路开路实验来说，因线路对地是有电容的，此时等值电路的电容更大，等值电阻更小，会使线路电压变化更快。当天气变化时，就会使工况产生很大的变化。

线路开路试验手动闭锁后波形如图5所示。

图5 OLT手动闭锁后波形

由图5可以看出，在阀闭锁以后，由于泄压回路的存在，电压在缓慢下降，速率约为2kV／s。因此，考虑到电容等因素的放电情况，实际电压值要略小于VD。表1便是同样的α角度所对应的实际电压值和理论电压值，可以看出，在充电电压小的时候，电压值接近。

表1 α对应的实际和理论电压值

2 实际工程中的极开路控制原理

在实际运行中，直流系统在闭锁状态时，α保持在164°左右。在接受解锁命令和α值以后，控制系统先判断出最近的线电压过零点，然后在触发角等于α值时，发出触发脉冲，将相应阀导通。由图6可以看出，控制系统在解锁命令发出约240ms以后，触发角骤降至155°，随后缓慢下降，至150°时直流线路开始建压。

图6 OLT解锁时录波图

在直流工程中，通过比较OLT时的参考电压和直流侧实际电流和电压值来控制α角，从而对试验电压控制，其控制原理图如图7表示。

图7 OLT闭环控制触发角α原理简化图

如图7所示，OLT的参考值输入UD＿REF＿OLT经过变化率限制环节（在自动OLT中，电压上升和下降的速率都为1kV／s）算出实时参考值后，与实际直流电压UD＿POL的差值输入到PI控制环节（K／STI）上，PI控制器的输出为OLT触发角OLTALPHAORD（电角度）。这个PI环节主要是将实际直流电压反馈，确保实际电压与电压参考值相等。

积分器的输出被限制在零至95°之间。稳态情况下OLT的输出可以写成：

通常PI控制器被限幅在95°，所以开路试验中的点火角的最小值是60°，在这个角度可以得到最高的直流电压。

通过华新站历年来的线路开路试验来看，每次试验过程中，直流线路电压参考值和实际电压测量值可以同步变化，其差值未超过10kV。

3 线路开路试验时的其他保护新技术

在线路开路试验中，所有的断线保护以及欠压保护被闭锁，但是在ABB的控制系统中加入了其他一些保护，用来保证在试验不成功时闭锁换流器以及在试验过程中保护设备。

3.1 电压差值保护

当直流系统存在接地或绝缘损坏时，电压将无法保持，而是通过RC构成的阻尼回路进行放电，这时会出现实际电压值低于参考值。因此，可以通过这两个差值对OLT进行保护。但是，这个电压判据仅限于不带线路开路试验，也就是本站直流母线侧刀闸拉开时。若对带线路OLT也采用电压判据的话，那么就会由于线路电容的影响，导致理论计算值和实际值相差较大，而使直流系统误闭锁。当两者之间的差值大于125kV时报警；当两者之间的差值大于150kV，故障保持4ms，闭锁换流器。

3.2 过流保护

由于线路开路试验的直流电流以充电的脉动形式出现，其电流稳态值与放电时间常数有关，在正常时电流值小于20A。在直流系统存在接地或绝缘损坏时，电流值将会增大。所以，这个保护是针对直流线路发生严重的绝缘故障来设立的。当直流电流（IDNC）大于保护定值60A时报警；当保护定值等于75A时，延时4ms，闭锁脉冲，跳交流开关。

3.3 过流后备保护

当短路或接地故障发生在换流变至阀之间时，这个情况判据2就无法很快隔离故障，所以加入判据3，即通过交流侧电流减去直流侧电流，max｛IVY＿ABS＿MAX，IVD＿ABS＿MAX｝－IDNC来迅速切除故障。当两者之间的差值大于60A时报警；当两者之间的差值大于75A时，延时2ms，闭锁脉冲，跳交流开关。

3.4 保护性触发

保护性触发用于检测可控硅内部的工作。当可控硅处于正常触发不成功时，单个可控硅承受过电压大于6.8kV，还没有被触发导通，为了避免可控硅遭受过电压的破坏，控制单元（TCU）利用就地的保护触发功能及时触发可控硅。

在正常的极解锁和运行过程中，保护性触发只发报警，不停极，在开路试验时，只要有一个可控硅发保护性触发信号，则该极跳闸出口。例如：华新站2009年10月8日极I做OLT时，P1PCPA1／B1先发“New Thyristor Component Faulty.Fault code 182”，在 解 锁 后，P1PCPA1 发 “Protective Firing Alarm.Fault code 1”，导致极I X闭锁，OLT失败，更换可控硅组件后OLT成功。

在线路开路试验中采用上述新技术后，保证了试验的准确性以及设备的安全性。但是，若在检修结束后线路上有接地点，那么线路开路试验无法成功，由于此时整流站和逆变站有一侧的线路刀闸拉开，线路故障定位无法通过行波保护算出故障点，使得工作人员无法及时寻找到故障点，加大了排除故障的难度。为此，试验时可以考虑多加入1套阻抗保护，用以改善此种情况。

4 线路开路试验的控制模式

线路开路试验只能在本地实施，将有功控制方式作为独立控制，一般有两种控制方式：手动控制与自动控制［2］。

1）手动控制 运行人员手动设定线路开路试验的直流电压参考值。直流电压的参考值在0～1.05pu值之间可调。直流电压以预先设定的速度线性变化至直流电压参考值。试验结束时，运行人员手动降压，闭锁换流阀。

2）自动模式 运行人员启动空载降压试验程序，此程序就自动解锁对应的换流阀，触发角降低到150°以后，从零开始建立电压，然后以1kV／s的速率调整电压参考值，把直流电压升至预定值500kV后，保持120s，然后以1kV／s的下降速率下降到零，最后闭锁换流阀。直流电压预定值和最高电压保持时间可以由运行人员设定。

在升压或者降压过程中，运行人员可以终止升压或者降压过程。在这种情况下电压保持在终止时刻的值，可以根据需要再次增加或者减小电压。在电压没有变化到零的情况下，可以随时闭锁该极。

5 线路开路试验的运行原则

通过总结华新站直流系统投运以来的运维经验，有些OLT的运行原则可以遵照执行。

1）在直流输电系统正常停运后，如果直流输电系统设备无检修，在系统启动前可不做极开路试验。

2）直流输电系统阀厅内设备、极母线、平波电抗器等站内直流一次设备或极控制系统部分二次设备检修或故障后，在正式送电前，相应换流站的检修或故障极应进行不带线路开路试验；试验成功，该换流站的检修或故障极才具备正式送电条件。

3）直流线路检修或故障后，在正式送电前，相应直流线路应由任一换流站进行带线路极开路试验；试验成功，该直流线路才具备正式送电条件。

4）两侧换流站及直流线路均需进行极开路试验时，一般情况下由整流站进行不带线路极开路试验，由逆变站进行带线路极开路试验。

5）一般情况下极开路试验不成功不得送电，应尽快查明原因，消除故障后重新进行试验。

6）换流站之间通信故障时，一般不进行带线路极开路试验；确实需要进行，应电话联系对侧换流站，确定接线方式满足极开路试验要求。

6 结语

在直流系统正常运行中，直流极母线既存在直流电压，也存在直流电流，由于电流和换相阻抗的存在，使直流电压产生换相压降。但是，线路开路试验中，仅有直流电压，直流电流几乎为零，此时换相压降的大小是由换相时的交流电压来决定，而与电流无关，这就导致了原理上直流系统的正常运行和开路试验有所不同。

在直流系统正常运行时，控制系统通过电压调节器、电流调节器和功率调节器的协调控制，输出触发角对直流系统电压、电流进行控制。但是，在进行直流开路试验时，直流极母线中仅充直流电压，理想的开路试验并无直流电流流过，并且由于阀组件中存在电容和电感，线路电晕、滤波等各方面的影响，电压呈现缓慢地衰减。控制系统仅仅通过电压调节器的反馈，就可对线路电压进行控制，使参考电压和线路实际电压保持一致。这就导致了工程运行上直流系统的正常运行和开路试验有所不同。

考虑到线路开路试验时的特殊运行工况，其保护与直流系统正常运行时的保护也有所不同。

［1］Kundur P.Power system stability and control.New York：MacGraw－Hill，1994.

［2］石岩，徐玲铃，陶瑜，曾南超.背靠背换流站极控系统的研究［J］.高电压技术，2004，30（9）：832－838.