500kV林枫直流输电系统双极闭锁案例分析

梁志峰

(国家电力调度控制中心，北京　100031)

Case Study on Bipolar Blocking of 500kV Linfeng HVDC Transmission SystemLIANG Zhifeng

(National Electric Power Dispatching and Communication Centre, Beijing 100031, China)



500kV林枫直流输电系统双极闭锁案例分析

梁志峰

(国家电力调度控制中心，北京100031)

0引言

截止2013年10月，国家电网公司已建成的高压直流输电工程有十五条，“十二五”期间，还将规划新建十余个直流输电工程，高压直流输电已在我国电力网络中起着举足轻重的作用[1-4]，直流系统运行稳定性对电网安全稳定控制的影响日益显著。

林枫直流输电系统于2011年5月2日正式投入商业运行，双极额定功率3 000MW，额定电压±500kV，额定电流3 000A，每极采用两组6脉动换流阀串联。林枫直流输电线路全长978km，其中908km与葛南直流输电线路同杆并架，与龙政直流龙泉换流站共用青台接地极，接地极线路长33.9km。枫泾换流站通过2回500kV交流线路与特高压练塘站直接相连。

本文详细介绍了2013年8月19日500kV林枫直流因换相失败保护动作导致的双极闭锁故障，分析总结故障深层次原因，并提出相关建议，对直流输电工程设计及运行管理具有一定的参考意义。

1故障概况

1.1故障前运行方式

故障发生前，林枫直流系统以双极大地回线方式运行，功率控制方式为双极功率控制，运行电压为额定±500kV，双极输送功率为华中送华东172万kW；三峡电厂共21台机组运行，全厂上网电力1 336万kW；受端华东电网负荷达19 075万kW，系统频率49.99Hz；送端华中电网负荷达12 500万kW，系统频率50.00Hz。枫泾站直流结构见图1所示。图1(a)所示为500kV林枫直流枫泾换流站的直流接线图，图1(b)为枫泾站极I阀厅内部结构图。

1.2故障基本情况

2013年8月19日10:00:34，枫泾站林枫直流发生11次连续换相失败，换相失败保护动作闭锁直流，损失功率172万kW；直流送端安控装置动作切除三峡2台机组，合计出力127万kW。华中电网频率由50.00Hz升高至50.03Hz，华东电网频率由49.99Hz最低至49.91Hz。10:13，三峡电厂被安控切除机组相继恢复并网；10:15，林枫直流损失功率由宜华、龙政、葛南直流转带支援华东电网。故障时刻，华东电网上海地区1 000kV特高压练塘站正在进行1 000kV 练塘#2主变500kV侧充电试验。

2故障过程分析

2.1林枫直流换相失败保护配置情况

换相失败保护用于检测交流系统故障或其他异常换相条件引起的换相失败故障[5-6]。6脉动桥换相失败的明显特征是交流侧相电流降低，而直流侧电流升高。换相失败可能是由一种或多种故障引起，如阀控脉冲发送错误、交流电网故障等[7-8]。

换相失败保护检测到故障后，先进行短暂的延时，以确认故障的发生。发生换相失败时，保护首先告警，并采取一定措施防止连续换相失败。保护动作顺序：换相失败告警→增大熄弧角命令→启动极控系统切换命令→移相闭锁直流。在正常情况下投旁通对时，换相失败保护功能会自动退出。林枫直流换相失败保护的判据如下：

式中：IacY、IacD为换流变阀侧电流；Id=max[IdP,IdNC]；IdP为直流极母线电流；IdNC为中性母线电流；K1、K2为厂家设定值(参考K1取0.1，K2取0.65)。

换相失败保护定值包括告警段和跳闸段。

告警段：延时3ms，仍检测到换相失败告警时，同时增大熄弧角。

跳闸段：延时1.8s，切换极控系统；延时2.6s，紧急闭锁直流(展宽500ms)。

2.2枫泾站换相失败保护动作过程分析

2.2.1换相失败动作过程事件记录

图2　练塘站1000kV#2主变500kV侧三相励磁涌流波形图

2013年8月19日10:00:34:015(图2的起始零时刻)，华东电网练塘变电站1 000kV #2主变500kV侧空充时，产生励磁涌流，最大峰值达约4 600A，持续时间超过10s(大于直流换相失败保护的动作时间)，引起枫泾站母线电压畸变。练塘站#2主变励磁涌流波形如图2所示。10:00:34:048(图3～图7的起始零时刻)开始，枫泾站林枫直流极I、极II的换相失败保护告警11次，同时增大熄弧角。

10:00:35:847，枫泾站林枫直流极I、极II换相失败保护切换段动作，切换极控系统。

10:00:36:658，枫泾站林枫直流极I、极II的换相失败保护跳闸动作闭锁直流。详细事件记录详见表1。

表1　枫泾站林枫直流换相失败保护动作情况

2.2.2枫泾站换相失败保护动作情况分析

从事件记录可知，枫泾站林枫直流双极从第一次换相失败到直流闭锁时间为2.6s，在这2.6s内共发生11次双6脉动换流器换相失败，每次换相失败间隔时间220～260ms。换相失败告警段动作1.8s后，切换极控系统；2.6s后，跳闸段动作闭锁直流。

林枫直流极I换相失败电流峰值达到6 335A，极II换相失败电流峰值达到6 465A，满足直流双桥换相失败保护动作条件，直流保护系统按设定逻辑正常动作。极I的换相失败录波图如图3所示。换相失败期间，枫泾站运行工作站还报出大量“阀非正常关断，重触发”信号。

第一次换相失败发生后，换相失败保护功能起作用，逆变侧触发角由148°下降至118°，降幅30°；在后续换相失败中，逆变侧触发角由139°下降至118°，降幅21°，如图4所示。换相失败造成的最大直流电流为6 850A，在每次换相失败恢复过程中，直流电压恢复至425kV左右，直流电流恢复至3 200A左右。而按照定功率控制指令值计算，此时直流电流指令大于按功率指令和实际直流电压计算出的参考值约为2 030A，由此可推断此时参与计算的直流电压值偏小。也就是说在发生换相失败后直流恢复过程中极控系统的电流指令值过高，也会在一定程度上促使后续换相失败的发生。

图3　枫泾站林枫直流极I连续换相失败故障录波图

图4　枫泾站极I触发角、关断角、电压及电流等波形图

2.2.3枫泾站换相失败原因分析

以林枫直流极I Y桥波形为例，如图5所示。T1故障时刻前，上桥臂阀4导通，下桥臂阀5导通。T1时刻，上桥臂由阀4向阀6换相，受反相电压影响，流过桥臂阀4电流逐渐减小，流过桥臂阀6电流逐渐增加；在T1到T2时刻间，流过阀4电流短暂为零后又重新增加，此时阀6由于受反相电压作用，流过阀6电流过零后关断；在T2时刻，下桥臂流过阀5电流过零关断，阀1开始导通；T2时刻后，由于上桥臂阀4导通，下桥臂阀1导通，A相桥臂形成旁通对，导致直流侧短路，直流电流升高，换流变阀侧电流均为零。综上所述，极I Y桥的第一次换相失败发生在阀4向阀6换相时刻。

经过对每一次换相失败波形的仔细分析，在本次故障中换相失败的发生有两种情况，一种为由交流电压畸变引起换相失败；另一种为阀控系统误触发引起换相失败。

以下选择了两种情况下的典型波形进行分析。

图5　枫泾站林枫直流极I换相失败波形图

图6　枫泾站林枫直流极I第1次换相失败波形

图7　枫泾站林枫直流极II第5次换相失败波形

交流电压波形畸变引起的换相失败如图6所示，由于交流电压发生畸变，Y桥阀1在关断过程中承受反向电压时间变短，测得关断角为9°，推测未正常关断，在UA大于UB、线电压UAB过零之后，承受正向电压，又重新导通(阀1电流在0附近的持续时间有0.8ms)；在阀Y4正常触发导通后，形成阀Y1、阀Y4旁通对，直流短路，发生换相失败。阀重触发引起的换相失败如图7所示，对于Y桥，阀3和阀4在故障前正处于正常导通状态，之后发生短路，呈现与投旁通相一致的波形；根据现场事件信息，报“极II阀1(B)阀非正常关断，重触发——产生”，阀1对应Y桥阀1，由于之前阀3，阀4导通，阀1在触发之后与阀4形成旁通对，导致换相失败的发生。图7中极II D桥为交流电压畸变引起的换相失败，阀2未正常关断，在阀5导通之后形成短路。

2.3枫泾站11次换相失败原因统计

枫泾站林枫直流双极各11次换相失败发生原因统计如表2所示，其中带颜色底纹的表格表示在该次换相失败中先发生故障的6脉动阀组，浅灰色底纹表示该次换相失败中由交流电压畸变引起的故障，深灰色底纹表示该次换相失败中由误触发引起的故障，两个6脉动阀组底纹均有颜色表示两个6脉动阀组同时发生故障。

表2　枫泾站林枫直流换相失败发生原因统计

根据事件列表对比可以看出，阀误触发引起短路是换相失败的重要原因之一。比如：

第2次换相失败：10:00:34:265报极I D桥1阀重触发，此时2、3、4阀均在导通，故1和4形成短路，发生换相失败。

第5次换相失败：10:00:34:947报极2的1阀也就是Y桥1阀重触发，此时3、4在导通，故1和4形成短路，发生换相失败。

第6次换相失败：10:00:35:166报极I Y桥1阀重触发，此时2、3、4阀均在导通，故1和4形成短路，发生换相失败；10:00:35:170报极II D桥2阀重触发，此时3、4、5阀均在导通，故2和5形成短路，发生换相失败。

第7次换相失败：10:00:35:526报极2的8阀也就是D桥5阀重触发，此时1、2、6阀均在导通，故2和5形成短路，发生换相失败。

第8次换相失败：10:00:35:824报极2的1阀也就是Y桥1阀重触发，此时3、4阀均在导通，故1和4形成短路，发生换相失败。

第9次换相失败：10:00:36:111报极II D桥2阀重触发，此时3、4、5阀均在导通，故2和5形成短路，发生换相失败；10:00:36:028报极II Y桥3阀重触发，此时4、5、6阀均在导通，故3和6形成短路，发生换相失败；10:00:36:043报极I Y桥1阀重触发，此时2、3、4阀均在导通，故1和4形成短路，发生换相失败。

第11次换相失败：10:00:36:645报极I D桥1阀重触发，此时2、3、4阀均在导通，故1和4形成短路，发生换相失败。

2.4枫泾站连续换相失败保护动作分析结论

通过对2013年8月19日枫泾站林枫直流因换相失败保护动作导致直流双极闭锁事件的详细分析，得出如下结论：

① 林枫直流双极闭锁事件中共发生11次换相失败，引发换相失败的原因有两：一是交流电压畸变引起换相失败，二是阀误触发引起换相失败。从第一次换相失败到直流闭锁时间为2.6s，达到换相失败保护闭锁条件，保护动作正确。

② 在换相失败后，直流电流恢复指令值过大，有可能对后续过程产生不利影响，需对功率控制模式下电流指令计算中直流电压测量环节进行优化。

③ 阀控系统重触发功能的非正常关断判断逻辑存在一定缺陷，需进一步优化。在林枫直流极 I双桥换相失败期间，极I的阀控制单元误判断已关断阀为非正常关断，重新发出已关断阀的触发脉冲，使极I已关断的阀在承受正向电压时由于误触发而重新导通，在之后同一桥臂阀换相时与其形成旁通对，导致逆变器换相失败。

3改进措施及相关建议

通过对2013年8月19日林枫直流双极闭锁事件认真分析，提出如下改进措施：对直流控制系统的换相失败预测功能、低压限流等功能进行优化，暂时取消VBE阀控系统重触发阀保护功能(在TE门极触发板卡中也有阀重触发功能，故不会对直流运行带来影响)，同时对两端换流站极控与阀控的接口采取抗干扰措施，以期避免这种周期性换相失败。

为检验改进措施的实际功效，于8月24、25日进行了林枫直流低功率下的功能验证试验，于9月17日进行了林枫直流双极额定300万kW工况下功能验证试验，期间对练塘1 000kV#2主变500kV侧充电，励磁涌流幅值5 500A，林枫双极换相失败1次；对练塘1 000kV#4主变500kV侧充电，励磁涌流幅值2 300A，林枫直流发生1次换相失败，未发生周期性换相失败，期间直流运行平稳。

直流系统换相失败的产生较多由交流系统扰动造成的，然而本文的故障警示我们在后续的工程设计和建设过程中，应加强直流阀控系统深层次隐患排查。为了提高直流系统运行稳定性，避免因直流连续换相失败而闭锁[9-11]，减少高压直流输电系统的故障率，提出以下建议：

① 深度优化控保系统配置。直流输电的控制保护系统是直流输电系统的中枢，对极控、阀控等控保逻辑、参数设置等进行深度分析与验证，不断优化直流控制和保护软件，使直流在换相失败时能够快速准确地抑制故障电流，减少直流系统连续换相失败的产生，并在运行中对控制保护配置的合理性进行评估并适时调整，最大限度地提高直流系统运行稳定性。

② 提高交流电网稳定水平。交流系统故障或扰动是影响直流系统稳定的关键因素，在进行电网规划时需要充分考虑，可通过构建坚强智能交流电网来提高直流系统稳定水平。

③ 强化运行人员素质。增强调度人员对交直流交互系统特性变化的敏感性，提前做好故障预案，加强对设备的巡视，不断积累运行经验，及时发现设备运行缺陷，避免直流系统强迫停运。

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梁志峰(1984—)，男，高级工程师, 研究方向为电网调度运行管理,E-mail: liang-zhifeng@sgcc.com.cn。

(责任编辑：杨秋霞)

Case Study on Bipolar Blocking of 500kV Linfeng HVDC Transmission SystemLIANG Zhifeng

(National Electric Power Dispatching and Communication Centre, Beijing 100031, China)

摘要：换相失败是高压直流输电系统常见的故障之一，可导致直流换流阀寿命缩短及逆变侧弱交流系统过电压等不良后果，严重情况下可能引发直流闭锁等。本文以2013年8月19日500kV林枫直流系统枫泾站因换相失败保护动作导致直流双极闭锁为案例，通过对换相失败保护配置及保护动作过程的详尽分析，总结本次故障深层次原因，提出改进措施并验证其可行性。最后，针对电网运行实际提出了相关建议，为直流输电工程的工程设计及运行管理提供参考。

关键词：林枫直流；换相失败；双极闭锁

Abstract：Commutation failure is one of the most common faults in high-voltage direct current (HVDC) transmission system, which will shorten life span of the converter valves and cause over-voltage of weak AC system at inverter-side, and it will also result in HVDC blocking fault and other serious problems in severe conditions. The bipolar blocking of 500 kV Linfeng HVDC system caused by continuous commutation failures on August 19 2013 is described as a case here. Through detail discussing the protection configuration in commutation failure and the protection action process of this fault, the deep reason of this fault is summarized, and recommendations and improvements are put forward, whose feasibility is verified. In the end, the related suggestions for real operation of power grid are presented, which provides reference for project design and operation management for HVDC project.

Keywords：linfeng HVDC transmission system; commutation failure; bipolar blocking

作者简介：

收稿日期：2014-06-18

文章编号：1007-2322(2015)03-0081-07

文献标志码：A

中图分类号：TM722