柴达木换流站直流谐波保护动作原因分析及整改

黄家铭　王喆　饶洪林　陈飞

摘要：为利于我国高压直流输电安全稳定运行和未来建设与改造，本文研究了青藏直流±400kV直流输电工程的系统故障问题。2011年11月16日，柴达木换流站双极直流系统谐波保护保护动作，导致双极停运，其原因是青海省官亭变电站750kV的2号主变充电的励磁涌流较大，且持续时间较长导致柴达木换流站交流同步电压出现二次负序谐波分量，从而使直流系统出现100Hz谐波，导致双极直流谐波保护动作。本文从软件和硬件两方面探讨了解决问题的办法，可供其他高压直流工程抑制交流系统出现谐振影响直流系统的设计和改造参考。

关键词：高压直流输电；换流站；直流谐波保护；整改措施

一、引言

柴达木换流变电站是实现青藏联网的重要工程，是国家电网公司“十一五”重点工程项目之一，对实现西藏与西北联网，进一步优化青海能源资源配置，支撑青海柴达木循环经济试验区快速发展，提升西部地区能源优化配置水平，促进青海、西藏经济社会和谐发展具有重要的现实意义和深远的战略意义。

2011年11月16日21：01：33，柴达木换流站极Ⅰ、极Ⅱ直流谐波保护（100Hz） 动作，执行Y闭锁，柴达木换流变电站双极停运。本文分析直流谐波保护动作原因，从软件和硬件两方面给出整改措施。

二、柴达木换流站直流谐波保护动作原因分析

（一）柴达木换流站直流谐波保护原理

检测直流电流80～200Hz谐波电流大小，与定值进行比较，满足条件经一定延时350ms发出控制系统切换指令，2s发功率回降指令，3s发跳闸指令。动作方程如下：

ID_100Hz > 0.2×ID+0.06×IDnom

上式中ID_100Hz为直流实际运行电流100Hz谐波分量，ID为直流实际运行电流，IDnom为直流额定电流。

（二）柴达木换流站直流谐波保护动作原因

根据当时运行工况，直流2次谐波保护跳闸定值为0.2×120A+0.06×750A=69A。

对故障时刻的直流电流进行谐波分析，电流谐波值100A左右，跳闸定值为69A，谐波存在时间超过3s，满足动作条件，保护正确动作。

保护启动后直流电压和电流分量中存在明显谐波分量，通过录波图可以看出，谐波分量的产生时刻交流系统电压波形发生异常变化。根据波形分析，故障时刻柴达木换流站交流网侧同步电压存在直流分量（直流分量大小=312kV-288kV =24kV），开始时刻为21：01：30：886。现场波形如下：

至保护动作时刻21：01：33：906，产生谐波时间超过3s，从录波图可以看出直至跳闸前柴达木换流站交流网侧同步电压一直存在直流分量，持续时间超过3s。

通过录波图及上述分析，可以看出青藏直流柴达木侧100Hz谐波保护动作原因是因为交流系统出现扰动，导致直流侧产生谐波，100Hz保护正确动作。

对柴达木换流站录波图进一步分析发现，交流侧换相电压存在正向偏移的同时，存在负序二次谐波电压，有效值为18.69kV（5.664*330/100kV）。根据直流輸电等间隔触发原理，换流站交流母线k次正序分量在直流侧产生k-1次逆时针旋转的矢量；换流站交流母线k次负序分量在直流侧产生k+1次顺时针旋转的矢量。由此初步推断直流侧三次谐波产生的原因是由于交流侧存在负序二次谐波电压。

在柴达木换流站故障发生时，西北电网750kV官亭站主变正在进行充电操作，750kV侧励磁涌流二次谐波含量较大，励磁涌流峰值最大值达到2639A，整个故障录波记录周期3秒时间内，励磁涌流衰减较慢，经过3秒衰减至1136A，为最大值的42%。二次谐波电压15.85kV（2.073*765/100kV）。

根据上述分析，官亭2号主变充电时间为21：01：30：731，而柴达木换流站100Hz谐波保护动作时间为21：01：33：906，时间间隔为3s，因此推断柴达木换流站交流电压产生畸变的原因是由于官亭2号主变充电时励磁涌流较大，且持续时间长，导致交流系统电压产生二次负序电压及直流分量，因柴达木换流站位于750kV交流系统末端，周围除龙羊峡水电站外，无交流电源支撑，易受交流系统扰动影响，因此造成直流谐波保护跳闸。

三、柴达木换流站直流谐波保护整改措施

为了避免交流系统出现谐振影响直流系统的运行，建议采用下述两种方案进行整改：

方案1：100Hz保护主要防止谐波电流较大时直流系统的主设备存在过应力和直流电流出现断续，同时为交流系统提供后备保护，其定值修改必须考虑主设备的承受能力，时间定值的修改应考虑交流系统的配合，同时应防止切除时间过长对西藏电网造成不利影响。

为减少双极同时停运的几率，建议在直流双极输送功率不大于300MW的运行情况下，作为临时措施，将柴达木换流站极2的100Hz保护进行如下修改：

报警定值：0.04p.u；比率系数：0.20；启动定值：0.06p.u；系统切换：0.35s

保护动作：极1为3s，极2为6s

定值修改涉及两方面的内容，一是极2的保护动作时间由3s修改为6s；二是取消极2保护中的降功率段。

方案2：在格尔木换流站母线安装滤波器，改变系统的谐波阻抗特性。根据计算，可在换流站母线处安装24MVar的HP2交流滤波器2组，能够将格尔木站本次出现的7%2次谐波负序电压降至2%。HP2滤波器具体型式和参数如下：

格尔木换流站本期安装了2大组、每大组4小组的无功设备，能够满足本期直流输送300MW功率的需要。因此，为防止2次谐波再次对柴达木换流站直流运行造成跳闸影响，换流站应新增2组HP2。

四、结论

考虑到青藏直流工程后期扩建需求，对比两种方案，方案1简单易行，可立即执行。但是，在直流工程容量改变后，还需进行仿真计算，进行新的定值修改，且不能根本上解决系统各种运行工况下带来的谐波危害。方案2需增设更多的滤除2次谐波的单调谐交流滤波器，该方案可永久解决系统中2次谐波对换流站带来的危害。因此，采取增设2次谐波的单调谐交流滤波器为解决柴达木换流站直流谐波保护动作事故的最佳方案。

参考文献

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004年

[2]彭磊.交直流输电系统无功优化研究.华中科技大学.2006年

[3]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电.北京：电力工业出版社，1982年

[4]彭军.静止无功补偿器研究现状及发展《四川电力技术》，2006年

作者简介：黄家铭（1981-），男，湖北宜昌人，工程师，现工作于湖北省电力有限公司检修公司特高压交直流运检中心，从事直流换流站运维管理工作。