溪洛渡直流输电工程50 Hz保护动作分析及改进措施

凌永兴

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州510405）

0 引言

溪洛渡±500 k V同塔双回直流输电工程（牛从直流）作为南方电网首条双回直流共站、直流线路同塔架设、双回共用接地极的高压直流输电工程，其安全运行可能受到有别于其他直流工程的因素的影响，2014年4月14日发生的牛从甲直流双极50 Hz保护降功率事件正是此类影响导致。

1 50 Hz保护原理

50 Hz保护是差动保护的后备保护，对换相失败、触发系统或阀体故障提供保护，减小直流基波分量对换流阀缓冲电路、交直流滤波器的冲击［1］。溪洛渡直流输电工程直流保护系统采用南瑞继保基于PCS-9550的控制保护系统，其50 Hz保护判据为：

式中，IDCN为直流中性母线电流；IDCN＿50Hz为IDCN的50 Hz分量；Iset为保护报警定值；kset为比率系数。

牛从直流50 Hz保护动作后果包括告警段、切换段、功率回降段和动作段，切换段动作切换极控系统，功率回降段动作电流限制值为960 A，功率降至0.3 p.u.（960 MW），达到动作段定值后将闭锁相应极。

2 交直流系统谐波不稳定及直流基频谐波产生原因

文献［2］中指出谐波不稳定的发生过程是交直流侧电压、电流通过换流站非线性环节的互相调制，构成交直流之间的正反馈闭环，谐波振荡放大，最终导致换流站交流母线电压严重畸变。

直流系统中直流侧50 Hz谐波电流分量产生的主要原因［3］包括以下几个方面：

（1）交流系统因变压器铁芯饱和等因素产生二次谐波，经换流回路在直流系统中产生基频分量；

（2）触发系统、换流阀故障；

（3）连续换相失败；

（4）交流线路在直流线路中感应出基频谐波电流。

直流系统中产生基频谐波分量可能由上述原因组合导致，交直流侧谐波电压、电流之间相互作用，当交直流系统存在谐振点且控制系统参数满足某些条件时将形成正反馈，若相关条件未被破坏将导致50 Hz保护动作直流闭锁等严重后果。

3 从西换流站50 Hz保护动作情况分析

2014年4月14日，牛寨换流站对牛从乙直流极一换流变充电时，从西换流站运行中的牛从甲直流双极50 Hz保护切换段和功率回降段动作，极控系统切换且双极功率由1 550 MW降至960 MW，牛寨站50 Hz保护未动作。

3.1 牛寨站故障录波分析

故障时牛寨站牛从乙直流极一网侧有高达2 979 A的励磁电流，观察图1发现牛从甲直流牛寨站直流电流出现较小的基波分量，IDCN＿50Hz值未达到50 Hz保护的定值（HAP＿FUND＿LEV），故其50 Hz保护未动作。

图1 牛寨站牛从甲极一50 Hz保护波形

3.2 从西站故障录波分析

从西站50 Hz保护的软件逻辑为：IDCN＿50Hz大于保护定值保护动作，小于0.95倍保护定值返回。图2中从西站IDCN的50 Hz分量较大且达到50 Hz切换段和功率回降段定值。故障开始时，IDCN＿50Hz的值大于50 Hz保护定值，持续约200 ms后切换极控系统（HAP＿FUND＿SS），由于IDCN＿50Hz值一直大于返回值，约420 ms后功率回降（HAP＿FUND＿RUNBACK），过一段时间后IDCN＿50Hz开始小于0.95倍保护定值，保护返回。保护装置正确动作。

图2 从西站牛从甲极一50 Hz保护波形

故障时从西换流站交流侧母线电压正常，排除交流系统故障引起直流50 Hz保护动作的可能性。

3.3 功率回降事件原因

根据上述分析可知，此次功率回降事件的原因为牛寨站对牛从乙直流极一换流变充电时产生较大的励磁涌流，使换流变铁芯饱和，在交流系统中产生大量的二次谐波，在牛从甲直流牛寨侧换流器换流作用下，牛从甲直流线路上产生基波分量，经直流线路的放大作用，使从西侧产生较大的基波分量，引起牛从甲直流50 Hz保护动作。

在采取措施之前，从西站多次发生相同事件，其中一次甚至导致牛从甲直流双极闭锁。

4 天广直流输电工程50 Hz保护动作简析

天广直流广州站也曾在2010年4月5日发生50 Hz保护动作，后果与从西站相同。事件原因是当时天生桥站正用线路对电厂主变进行复电操作，保护动作亦是由于天生桥侧交流系统产生的二次电压谐波窜入直流，经直流线路对50 Hz谐波的放大作用，致使广州侧50 Hz动作。后期增大了天广直流50 Hz保护定值，调整后未发生50 Hz保护动作情况。

5 整改措施

南网科研院及南网总调相关研究表明，50 Hz保护定值和延时主要考虑因素为换流设备的应力承受能力，可以考虑从以下方面进行整改：

（1）根据天广直流的经验，研究从西换流站换流设备的故障耐受能力，尽量优化50 Hz保护的定值和延时。

（2）牛寨侧调整换流变选相合闸装置的合闸角，降低换流变充电时的励磁涌流。

（3）采取抑制50 Hz谐波的方法，如在50 Hz保护中增加二次谐波电压闭锁逻辑（短时闭锁保护）。

2014年6月，取消了牛从直流50 Hz保护降功率段，并将跳闸延时由原来的1 000 ms调整为3 000 ms，调整定值后再未发生类似事件。以上整改措施可为日后分析处理同类型事件提供重要参考。

［1］杨海峰.高压直流输电系统基频保护分析［J］.高压电器，2010，46（10）：20～22

［2］穆子龙，李兴源.交、直流输电系统相互影响引起的谐波不稳定问题［J］.电力系统自动化，2009，33（2）：96～100

［3］傅闯，饶宏，黎小林.交直流混合电网中直流50 Hz和100 Hz保护研究［J］.电力系统自动化，2008，32（12）：57～60