换流变充电扰动导致换相失败故障分析与处理

黄家铭，陈 飞，饶洪林，周雅洁，胡宇洋

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

高压直流（HVDC）输电在远距离，大功率输电和异步联网中占有越来越重要的地位[1]。目前，中国HVDC输电工程数量在世界上已名列前茅[2]。宁东工程成功投运，对于西电东送，缓解山东东部供电的紧张起到了举足轻重的作用。为了提高运行的稳定性和功率控制的最大灵活性以及保证设备的安全，直流输电采用各种分层控制方式[3]。在直流输电的极控制级，整流侧通常配备带有最小触发角限制的定电流控制器；逆变侧通常配有电压控制器、定电流控制器和定逆变角控制器等极控制系统。极控制系统包含大量的定值参数，用以完成复杂的操作控制，众多参数只有通过大量的实验与实际运行才能达到较为准确的程度，本文所述换流变压器充电试验过程中，空载投入换流变压器时，励磁涌流造成正在运行的一极交流电压畸变，引起该极换相失败，导致大量无功消耗这一事例，实际上为直流输电的极控制问题[4]。

1 工况描述

在宁东工程极1运行过程中，逆变侧换流站进行极2换流变充电试验，换流变空投的励磁涌流造成逆变侧的C相交流电压畸变，引起了极1换相失败。

换相失败发生后，逆变侧的控制系统将逆变侧的触发角移到120°，增大熄弧角，防止可能再次发生的换相失败。随后按照正常的控制逻辑，此时逆变侧应由电压控制起作用，使熄弧角向减小的方向移动以控制直流电压上升。当熄弧角达到接近于正常范围时，逆变侧的控制方式再由定电压控制切换到定熄弧角控制，最终使系统恢复。但是本次换相失败，逆变侧熄弧角却没能在定电压控制的作用下逐步减小至17°，而是达到39°后停留了数秒，致使直流电压在这段时间内保持在500 kV，之后才逐步上升，与系统的正常恢复过程存在差异。

在逆变侧出现换相失败前，极1系统运行于定功率模式，整流侧通过直流功率定值保证系统功率恒定。逆变侧换流站换相失败预测功能启动之后，整流侧换流站VDCOL（Voltage Dependent Current Order Limiter,VDCOL，简称低压限流环节）正常动作压低直流电流，协助逆变侧脱离换相失败。但由于逆变侧的直流电压恢复时间持续较长，造成整流侧较长时间里在42°大触发角下运行，换流器吸收的无功功率增加，从而造成相继投入两组电容器的情况。

2 分析与处理

根据现场发生的情况，利用RTDS仿真系统，搭建换流变励磁涌流模型，对现场出现的过程进行仿真，并和现场故障录波图进行对比，分析结果如下。

逆变侧极1运行，极2换流变充电过程中，换流变压器的励磁涌流对交流系统电压产生扰动。换流变的磁化是个反复过程，所以换流变充电过程中，交流系统电压的波形周期性衰减振荡，这个衰减振荡过程很长，达到几秒钟时间。在这个衰减振荡过程中，交流电压的三相电压相继发生畸变，引起极控系统的换相失败预测功能启动，增大熄弧角。在交流系统充电过程中，该功能反复启动，由于熄弧角增大之后，为了防止可能的换相失败，熄弧角的返回速度比较慢，所以形成了现场出现的持续大角度运行现象，一直到换流变充电过程。

图1 极2换流变充电极1 RTDS仿真录波图Fig.1 Pole2 converter transformer charging pole1 RTDS simulation recorded diagram

图1 为RTDS仿真的逆变站极2换流变充电时，极1发生换相失败后极1的故障录波图。录波图中自上到下第一路为交流电压，第二路为直流电压，第三路为直流电流，第四路为熄弧角，第五路换相失败预测功能动作，从图1中可以看出由于交流电压畸变，造成换相失败预测功能反复启动，形成长时间大熄弧角运行过程。

图2 为宁东工程极2换流变充电，极1换相失败逆变侧换流站故障录波图，对比图1和图2可以看出，两者之间有相同的趋势，只是RTDS仿真系统换流充电过程只持续了1 s左右，持续时间短。

图2 极2换流变充电极1换相失败仿真录波图Fig.2 Pole2 converter transformer charging pole1 commutation failure simulation recorded diagram

极控系统的换相失败预测功能是检测单相和三相交流系统电压的跌落值，如果交流系统电压波动超过额定电压的5%，换相失败预测功能启动，增大熄弧角，该过程通过同时改变熄弧角参考值和瞬时减小触发角实现：1、增大熄弧角参考值，增大角度为12°；2、瞬时减小触发角10°。所以如果换相失败预测功能启动，熄弧角最大增加22°。

在进行功能性能仿真试验时，采用换相失败预测判别公式,通过交、直流电流的比较来预测换相失败。

Y桥换相失败预测：

IDNC-MAX(|IVY_L1|,|IVY_L2|,|IVY_L3|)＞0.133+0.1×IDNC

D桥换相失败预测：

IDNC-MAX(|IVD_L1|,|IVD_L2|,|IVD_L3|)＞0.133+0.1×IDNC

满足上述任一条件超过0.8 ms判故障，1-cos△γ=0.0038（△γ=5°）

上式中，IDNC为直流系统中性线电流，IVY为Y/Y接线换流变阀侧电流，IVD为Y/D接线换流变阀侧电流,L1、L2、L3分别为A、B、C三相。

只考虑到交流系统发生一次故障情况，没有考虑到交流系统在换流变充电过程中形成的这种持续扰动的情况，因此仿真波形中故障持续时间比真实工况短；另外在其他直流工程中，换相失败预测功能增加熄弧角参考值为5°左右，交流电压跌落判据为20%。所以在极控系统的换相失败预测判断时应充分考虑持续扰动因素。

综合上述分析，针对换流变充电过程的特点对换相失败预测功能定值参数拟进行以下修改：

（1）交流电压跌落的判据由5%改为8%；

（2）换相失败预测功能增大熄弧角参考值的定值由12°改为 7°；

（3）换相失败预测功能瞬时减小触发角的定值由 10°改为 6°。

将换相失败预测功能参数修改后进行RTDS仿真测试，换流充电过程中换相失败预测功能启动频率降低，达到启动条件后，熄弧角增大为21.7°，系统电压恢复加快，但仍未达到正常的控制逻辑要求，这说明上述参数的修改得到了较好的效果，只是调整还不到位，鉴于仿真结果的验证，对换相失败预测功能参数依次修改为10%、6°、5°。进一步测试仿真结果满足控制逻辑要求[5]。

根据分析与仿真结果，提出了换相失败预测功能参数的意见：依次为10%、6°、5°，系统按照规程修改后，试运行过程未出大量无功消耗现象。

3 结语

对于双极的直流输电系统，由于直流正、负极之间存在电磁耦合关系，一极发生故障扰动健全极的现象时常发生。变压器充电试验过程中，空载投入换流变压器，励磁涌流扰动正在运行的一极的交流电压畸变，这种双极之间的电磁耦合关系是不可回避的，通过合理的控制，使扰动尽快恢复到正常运行是直流输电中日渐积累的宝贵经验。

通过RTDS仿真，回放了扰动过程，对比了RTDS仿真与换流站逆变侧换流站故障录波波形，分析出结果，提出换相失败预测功能定值的修改，进一步完善了极控制系统的控制状态，不仅有利于换流变充电引起换相失败后系统的恢复，对双极运行时，一极发生故障扰动健全极仍具有足够的可靠性与功率控制的灵活性。

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[1]张昕,王抗.龙政直流系统换相失败故障分析[J].湖北电力,2012,36(01)：17-18+62.ZHANG Xin,WANG Kang.Analysis of the commutation failure in Long-zheng HVDC system[J].Hubei Electric Power,2012,36(01)：17-18+62.

[2]陈飞,刘浔,黄瑶玲.宜都换流站直流光电流互感器故障分析[J].湖北电力,2014,38(06)：30-33.CHAN Fei，LIU Xun，HUANG Yaoling.Fault analysis of DC optical current transformer in Yidu converter station[J].Hubei Electric Power,2014,38(06)：30-33.

[3]高淑萍,索南加乐,宋国兵,等.高压直流输电线路电流差动保护新原理[J].电力系统自动化,2010,34(17)：45-49.GAO Shuping,SUONAN Jiale,SONG Guobing,et al.A new currentdifferentialprotection principle for HVDC transmission lines[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(17)：45-49.

[4]卢力,刘蓓蒂.直流换流站控制保护系统故障分析[J].湖北电力,2011,35(06)：54-56.LU Li,LIU Beidi.Analysis of the fault in the control and protection system for HVDC converter station[J].Hubei Electric Power,2011,35(06)：54-56.

[5]张文,周翔胜,宋述波,等.一种云广特高压换流变保护配置无冗余问题改进方法[J].电力系统保护与控制,2014,42(14)：151-154.ZHANG Wen，ZHOU Xiangsheng，SONG Shubo,et al.Improvement of the non-redundant problem of converter transformer protection of Yun-Guang UHVDC system[J].Power System Protection and Control,2014,42(14)：151-154.