普洱换流站极Ⅱ做线路中点对地故障时双阀组跳闸的分析研究

周仁伟等

摘 要： 针对2014年1月22日普洱换流站进行极Ⅱ线路中点的接地故障实验时发生的双阀组跳闸事件，详细分析了保护动作的情况，指出所提出的直流保护方法正确和有效；并根据保护的范围分析了可能发生故障的区域和原因，对故障区域内的设备进行测试，找出了发生故障的避雷器，表明直流线路故障保护控制协调策略相关分析的正确性，为以后类似问题的分析提供有益参考。

关键词： 直流输电； 避雷器； 行波保护； 差动保护

中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）18?0147?04

Abstract： Since the bivalve group trip event occurred in pole II circuit of Puer converter station when an experiment of the midpoint ground fault was executed on 22th January 2014， the situation of protection action is analyzed in detail. The correctness and validity of the DC protection method proposed in this paper are pointed out. The areas and reasons of faults which may occur are analyzed according to the protection region. The equipments in fault region were tested， and the fault arresters were found out. It proves that the correlation analysis of the control and coordination strategy to DC transmission line fault protection is correct and effective. This scheme provides a beneficial reference for analysis of the similar problems.

Keywords： DC transmission； arrester； traveling wave protection； differential protection

0 引 言

±800 kV普侨直流是南方电网第二个±800 kV，输电容量500万kW的特高压，大容量直流输电工程，工程包括普洱、侨乡两座换流站，以及普洱至侨乡全长1 413 km的输电线路。其中，普洱换流站位于云南省普洱市龙潭村，为普侨直流的整流站。直流输电系统常用的运行方式有双极运行方式、单极大地回线方式和单极金属回线方式，如果需要以单极方式运行较长时间时，往往会采用单极金属回线接线方式[1?3]。然而，由于直流线路沿线地区环境污染，外力破坏以及雷击等因素的影响，直流线路故障率逐年升高，成为直流输电最经常发生的故障。目前，世界上广泛采用行波保护作为高压直流线路保护的主保护。本文详细分析了普侨直流金属回线方式下线路中点接地实验中保护动作状况，根据保护控制策略，判断故障区域，并找出产生问题的设备[4?7]。

1 普侨直流背景

普洱换流站极Ⅱ单极双阀组金属回线运行的接线如图1所示，图中简单列出了一些电流电压的测点和一些一次设备；逆变站的情况与整流站基本一致，此处忽略，只用虚线表示。本实验所做的线路中点接地故障点如图中接地故障点所示。针对直流线路故障，本工程设置了行波保护、低电压变化率保护、直流线路纵差保护、金属回线纵差保护及金属回线横差保护。其中，行波保护作为线路接地故障的主保护，低电压变化率保护和直流线路纵差保护作为它的后备保护；金属回线纵差保护和金属回线横差保护只在金属回线运行方式下有效，前者主要检测金属回线线路上的接地故障，后者主要检测金属回线站内连线上的接地故障。

行波保护通过计算直流线路电压和直流线路电流的变化率来检测这种故障情况。如果电压的变化率和固定的时间内电压变化的幅值超过设定值，并且电流变化量也超过限定值，保护动作将启动极控内的直流线路故障恢复顺序；如果超过预设的重起次数，则启动极闭锁。普侨直流输电工程中配备的行波保护原理和参数如表1所示。

2 实验时保护动作的分析

2014?01?22，15：08：24，普洱换流站进行极Ⅱ高端阀组系统调试项目，普洱换流站在金属回线极Ⅱ双阀组运行工况下，双极输送功率为250 MW；对极Ⅱ线路中点（普侨直流极Ⅱ线路#1272与#1273塔之间）进行瞬时金属直接接地故障实验。

图2是实验时录到的行波保护判据用到的量[dUdt]，deltaU，delta_Id和行波保护输出结果直流线路故障重启请求的波形。从波形上可以看出，[dUdt]的最大值达到了125 kV以上，deltaU的最大值大于500 kV，delta_Id的最大值大于2 500 A，对照表1的行波保护判据可以看出，满足行波保护判据的条件，所以行波保护正常动作，向极控发送了直流线路故障重启请求命令。

在只有线路中点瞬时金属直接接地这一单一故障的情况下，行波保护动作发直流线路故障重启请求命令后，极控经过一定的去游离时间后，会重启成功，重新恢复直流运行。但在这次实验中，行波保护动作之后，极保护的中性母线差动保护1段和极差动保护1段也进行了动作，发紧急停运命令（ESOF）到极控和组控，导致极Ⅱ没有重启成功，直流停运。

普侨直流输电工程中配备的中性母线差动保护和极差动保护原理和定值如表2所示。

中性母线差动保护覆盖换流器中性线侧直流电流互感器和接地极出线的直流电流互感器之间的区域，检测直流中性母线上的接地故障；极差动保护覆盖线路端直流电流互感器和接地极线出线的直流电流互感器之间的区域，检测保护区内的接地故障；极差动保护是中性母线差动保护的后备保护。

图3是这两个保护用到的量[IdCN，][IdLN，][IdLH]以及发出的紧急停运命令ESOF信号的录波图。

从故障录波图3中可以看出，在极控做出线路故障顺序重启之后，极Ⅱ低压阀侧电流[IdCN]在振荡很短一段时间后就趋向于0，而中性线电流[IdLN]在Ⅰ[IdCN]趋向于0后还在一直振荡并且数值还比较大；而中性母线差动保护1段在[ABSIdCN-IdLN>781 A]且延时50 ms，两个条件都满足的情况下动作，发紧急停运命令ESOF命令到极控。从故障录波图中可以看出，在X1到X2的区间内，满足中性母线差动保护1段动作的条件，所以中性母线差动保护1段属于正常动作。

极差动保护1段动作同样是由于[IdLN]没有及时降下来，在X1到X2的持续时间内，超过了60 ms，且[ABSIdLH-IdLN>781 A] ，满足极差动保护1段动作的条件，所以极差动保护1段属于正常动作。

综上所述，中性母线差动保护1段和极差动保护1段均满足保护判据且达到动作延时的时间，保护动作正确。根据这两个保护的范围和分析录波可推测，应该是中性母线上[IdLN]和[IdCN]的两个CT之间的这段母线上存在接地点。

3 故障分析和排查

图4为普洱换流站主接线图极Ⅱ中性母线连接图，在[IdLN]和[IdCN]的两个CT之间含有?F1，?F2，?F3避雷器组、平波电抗器、直流滤波器避雷器?F4和直流滤波器等设备。

当其中任意设备对地击穿或闪络时，对地之间就会形成一条通路，会有电流从这个通路分流，从而导致[IdLN]和[IdCN]的两个CT之间流过的电流不等，形成两个CT间的差流。因此，导致差流存在的原因可能为：

（1） 避雷器动作导致分流；

（2） 中性母线?F1，?F2，?F3避雷器组及直流滤波器?F4避雷器中有个别避雷器被击穿；

（3） 中性母线绝缘支柱发生对地闪络；

（4） 直流滤波器存在分流。

基于以上分析对发生故障可能的原因进行逐一排查分析。根据避雷器动作原理，避雷器动作的时间极短，虽然存在差流但达不到保护动作的延时（50 ms），所以这个原因基本可以排除。由于中性母线差动保护1段动作，说明[IdLN]与[IdLH]间也存在差流，如果是直流滤波器分流，而且中间没有接地点的话，[IdLN]与[IdLH]两个CT是处于一个回路上，不会有差流存在，所以直流滤波器分流的原因基本可以排除。对[IdCN]和[IdLN]两个CT之间的?F1，?F2，?F3避雷器组和直流滤波器?F4避雷器进行摇绝缘及泄露电流的测试。摇绝缘及泄露电流的测试都是检测电器绝缘性能的方法。其中，对?F1避雷器组的02号避雷器（型号为3EQ3 143_4DZ8）的测试情况如下。

对其进行摇绝缘试验时，试验电压为5 kV，所得电阻值显示为10 000 ΜΩ，满足规程要求。

随后对避雷器进行了泄露电流的测试，在通过直流高压发生器将电压提升至16 kV时，避雷器动作，喷嘴喷气释放内部压力。但按照出厂试验数据，满足要求的1 mA泄漏电流的参考电压应在178 kV以上。所以此避雷器虽在5 kV摇表电压下能够显示出很好的绝缘性，但电压升高远未到参考电压时避雷器就发生动作，故怀疑02号避雷器内部绝缘存在问题。

将该避雷器对地放电后，再次进行摇绝缘，结果显示绝缘电阻为0 Ω，避雷器已无绝缘性能，确定此避雷器已损坏。图5是?F1避雷器组的02号避雷器的底部，从图可以看出已经有鼓泡现象和烧损的痕迹。

经过上述的故障分析和排查，找到了发生故障的设备，本工程配置的保护配合之间是合理的，动作是正确的，也证明了本文分析的正确性，根据分析找到了出问题的设备。

4 结 论

本文通过对故障录波波形及现场测试数据的分析，指出行波保护正确响应了本次的线路中点对地故障实验，并向极控发送了直流线路故障重启请求命令，但由于中性母线差动保护一段和极差动保护一段的动作，发紧急停运命令到极控和组控，导致极Ⅱ没有重启成功，直流停运。

根据中性母线差动保护和极差动保护的原理、保护范围和它们之间的配合，找出了出现问题的避雷器，避免了问题的进一步扩大，成功完成了对一次设备的保护。表明了本工程相关直流保护设置、协调策略的合理性和相关分析的正确性。为以后类似问题的分析提供有益参考。另外，?F1避雷器组的02号避雷器被击穿的原因还需进一步的分析研究。

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