高压直流输电系统中的过负荷限制分析

闫全全，阴春晓

（上海市电力公司 检修公司直流运检中心，上海 201708）

华新换流站（以下简称华新站）高压直流输电系统中的过负荷限制，考虑了当前环境温度和阀厅温度，以及（换流变）备用冷却设备是否可用，从整流站和本站固有的过负荷能力中读取最小值，然后将这个最小的电流限幅指令输入到极功率／电流控制模块，限制电流指令的最大值，对控制系统进行控制。过负荷限制包括长期、短期过负荷能力限制、冬季过负荷能力限制、动态过负荷能力限制、直流降压运行负荷限制等。过负荷限制可以使换流阀、平抗、换流变、直流滤波器、套管等设备，在各种工况下充分利用过负荷能力，却不会承受过大的应力，而遭受不必要的损坏。

过负荷能力是环境温度以及系统的过负荷运行时间的一个连续函数。当系统电流达到短时过负荷能力限值时，升降逻辑功能将不再更新，控制功能发出的电流变化指令也被禁止。当限制结束时，电流命令会返回预先设置的数值。如果在电流上升时达到限值，电流就保持限值水平。

1 影响过负荷能力的因素

1）环境温度限制 环境温度越高，过负荷限制输出的电流值越小，整个限制过程是一个连续的过程。华新站的环境温度按照大于20℃，大于34℃，大于38.9℃三个等级计算。

2）阀厅温度限制 阀厅温度越高，过负荷限制输出的电流值越小。华新站的阀厅温度按照大于40℃，大于44℃，大于50℃三个等级计算。

3）短时过负荷限制 华新站短时过负荷限制（STOL）有4级，分别为3s、5s、10s和2h。短时过负荷运行超过允许时间，STOL将被禁止，然后进入到下一级允许过负荷水平运行。禁止时间的长短反映了换流变和换流阀等设备冷却失常的时间。连续过负荷能力受环境温度、阀厅温度、冗余冷却容量以及过负荷运行时间的限制。当前电流与连续过负荷限值之差输入积分器，积分器对电流差值积分的同时启动计数器，计数期间，STOL计算积分值，此值略高于持续过负荷限制值。当这个积分值等于0.5时，会发出50%过负荷能力剩余。当计数完毕，积分器停止并反转，积分值降为0。这段时间内，禁止STOL动作，输出限值为连续过负荷值。STOL两次动作之间的时间差，取决于上一次STOL动作时的过负荷水平。当积分器达到0时，计数器复位，允许再次过负荷。

4）冗余冷却限制 在阀冷却与换流变冷却的冗余系统能否可用的情况下，拥有不同的短时过负荷能力。在相同的工况下，有冗余冷却的过负荷能力比冗余不可用时的过负荷能力大。

5）可控硅温度限制 根据实测的直流电流和阀冷却水温度计算可控硅温度，超过一定值将限制电流。华新站温度参考值为92℃。可控硅的温度超过参考值时，升降逻辑功能更新，降低电流值（比当前电流低5%），功率回降。如果在一定时间内电流还未降到参考值以下，升降逻辑功能将继续更新，再降低5%，这个过程将一直重复到可控硅温度降到参考值以下。

2 过负荷案例分析

2.1 线路故障情况

2010年7月7日9：14，由于线路故障，极Ⅱ进行2次全压、1次降压再启动未成功，接受对站闭锁命令，极Ⅱ转为极功率控制。极Ⅰ发“电缆线1过负荷报警”“电缆线2过负荷报警”“大角度监视禁止升分接头”“剩余50过负荷期间”等报警。查线路故障定位，故障点距华新站83km，距宜都站969.9km。

2.2 故障录波图分析

宜华直流再启动过程中极Ⅰ故障录波图如图1所示。

图1 极Ⅰ故障录波图

图1中：从上至下，第1根为直流线路电压曲线（UDL）；第2根为直流极母线电流曲线（IDP）；第3根为极Ⅰ电流限制曲线（P1＿IO＿LIMITED）；第4根为极Ⅰ电流原始值曲线（P1＿IO）；第5根为极Ⅰ直流功率曲线（P1＿DC＿PWR）；第6根为接地极线路电缆2电流曲线（IDEL＿2）；第7根为接地极线路电缆1电流曲线（IDEL＿1）；第8根为换流阀触发角指令值曲线（ALPHA＿ORD）。

极Ⅱ故障录波图如图2所示。

图2 极Ⅱ故障录波图

图2中：从上至下，第1根为直流线路电压曲线（UDL）；第2根为极2电流原始值曲线（P2＿IO）；第3根为极2电流限制曲线（P2＿IO＿LIMITED）；第4根为直流极母线电流曲线（IDP）；第5根为极2直流功率曲线（P2＿DC＿PWR）；第6根为换流阀解锁指令曲线（DEBLOCK）；第7根为对站控系统发保护性闭锁指令曲线（PROT＿IND＿FOSTA）。

对比极Ⅰ和极Ⅱ故障录波图，可以看出，在再启动过程中（约1s），极Ⅱ直流线路电流保持为0kA，电压从0kV按照再启动逻辑进行2次全压1次降压启动，有3个波动，极Ⅱ功率保持为0MW，在再启动过程中，由于极Ⅱ直流电压很低，所以低压限流功能动作，使电流限定值为1 035A，如图2中P2＿IO＿LIMITED电流量。在降压再启动未成功的情况下，极Ⅱ接受对站保护闭锁命令，退出双极功率控制，并且闭锁本极。

再启动过程中，由于两个极是双极功率控制，所以极Ⅱ功率的骤降，必然会导致极Ⅰ功率的升高，这会导致极Ⅰ电压降低，电流增大。图1中录波约6s处，当直流电流约大于3 390A时，极Ⅰ发过负荷运行报警。当电流继续增大，过负荷限制就会阻止升降逻辑动作，将电流值保持。当接地极线路电缆1或者电缆2的电流大于0.75倍额定电流时，接地极线路会发出电缆1或2过负荷报警，同时会导致单极功率回降。但是，由于过负荷限制已经提前禁止升降逻辑动作，所以电流功率一直保持到过负荷运行5s后，功率回降，降到2h过负荷运行水平。

(2)计算机网络教学重点不适应社会发展的需求。当前，很多高校把理论知识的完整性和系统性作为教学的重点，未充分考虑企业对人才知识的需求。因此，才出现在毕业生就业前后进行“二次教育”的社会现象，这也充分地说明了高校理论和实践教育不适应社会发展的问题。

2.3 过负荷限制动作后果

过负荷限制一旦动作，会涉及功率回降，即整流侧交流系统切机或逆变侧交流系统甩负荷需要减少直流输送功率。功率回降功能作用于功率定值，分为3s、5s、10s、2h和连续运行共5个过负荷等级，分别对应5种不同的功率定值，满足不同工况下过负荷的要求。在直流系统有冗余冷却能力且双极满负荷运行时，如果一极突然故障闭锁，另一运行极将瞬时过负荷至1.5倍额定功率，故障5s后功率回降至1.41倍额定功率，故障10s后功率回降至1.13倍额定功率，此值满足系统2h过负荷能力要求。直流系统设计的过负荷能力可能因工程区别而不尽相同。

2.3.1 功率回降的启动方式

1）单极运行时，功率回降功能在双极功率控制、极独立控制和极同步电流控制方式下启动。

2）双极运行时，功率回降功能在双极功率控制、极独立控制和极同步电流控制的所有组合控制方式下启动。

2.3.2 功率回降的控制方式

1）如果两个极都处于双极功率控制方式，两极功率的降低值相同。

2）如果一极处于极同步电流控制或单极功率控制，另一极处于双极功率控制，则处于双极功率控制的极功率可以降低，另一极功率不变。

3）如果双极处于极同步电流控制或单极功率控制方式，两极功率的降低应相同，以保持大地不平衡电流不高于功率降低前的水平。

2.3.3 导致功率回降的其他因素

导致换流站功率回降的因素还有其他保护，列举如下：

1）阀冷却系统中的温度保护，有冗余冷却能力时，阀出水温度高于定值1功率回降动作；无冗余冷却能力时，阀出水温度高于定值2，功率回降动作。定值2比定值1一般高5℃。

2）当直流电过大，阀结温过高时，功率回降动作。

3）对站发来的功率回降命令。

4）单极运行时接地极过负荷保护，当接地极线路电缆1或2的电流大于定值，功率回降动作。

5）双极运行时，双极中性线差动、接地极线过负荷保护、站接地过流保护、后备站接地过流保护发出平衡指令。

6）绝对最小滤波器不满足时，功率回降动作。

功率回降是诸多保护在直流系统无法安全输送所设功率，为保护设备免受损坏、维持系统继续稳定运行而采取的最后动作方案。

3 过负荷运行时注意事项

直流系统过负荷运行一般出现在双极运行发生单极故障的时刻，当初始双极功率值高于单极运行额定功率时运行极将出现功率过负荷情况，过负荷运行设备的温度会急速上升，甚至如换流变和平抗其降噪装置内部的环境温度也会急速上升。此时运行人员应立即将该极输送功率控制到当前电压水平下最大允许功率，一般情况下不使用过负荷能力。对于较长时间的过负荷运行，应注意以下事项：

1）过负荷运行要密切监视换流阀、换流变与平抗运行；注意监视阀结温度、阀厅温度、换流变与平抗的油温、绕组温度的上升趋势，必要时做降温处理。如达到油温报警值或绕组温度报警值，温度有上升趋势，应当停止过负荷运行。

2）过负荷运行应对换流变、平抗及其套管、接头、冷却器、油位、油温加强监视；接头不得过热，冷切器运行正常，设备不得有异常声音。

3）监视阀内冷水系统进出水温度上升在允许范围内。

4）如果换流变与平抗冷却器全停，在热点温度不超过120℃的情况下，最大运行时间为45min，在此之前努力减缓设备发热速率，尽力恢复冷却能力。

5）出现过负荷报警后，应监视控制系统是否自动降低传输功率。

6）如过负荷报警未消除，可汇报调度后由对站或本站手动降低传输功率。

4 结语

高压直流输电系统都设计有一定的过负荷能力，其受环境温度、阀厅温度、阀冷却冗余能力、可控硅温度等因素的限制，当一极故障另一极会短时过负荷，以减少系统损失的功率，过负荷设备的温度会急速上升。在设备较长时间过负荷运行时，应维持主要设备的冷却能力，尽快恢复正常工况。正常运行时应尽量避免过负荷运行。