某换流站单极ESOF简要分析

林曙光　常晓禹　王成姣

摘要：某换流站500kV交流线路甲线跳闸后，伴随甲乙线串补旁路以及换流站极Ⅰ、极Ⅱ换相失败，最后该换流站极Ⅱ极保护换流器D桥短路保护87CSD 1段 跳闸，导致该换流站单极ESOF，直流输送功率减少50%。本文简要分析此次保护动作的相关波形，对于导致ESOF的原因进行简要分析。

关键词：ESOF、换相失败、避雷器、串补

一、单极ESOF发生经过

（一）单极ESOF发生经过

某日02时40分52秒285毫秒，500kV甲线5122、5123开关，500kV甲、乙线串补旁路，极Ⅱ ESOF，极Ⅱ换流变进线5341、5342开关跳闸。直流功率受影响，输送功率由3000MW降至1500MW。

三、单极ESOF发生原因

（一）单极ESOF原因分析

结合电网信息及站内故障时序可以了解到，500kV甲线A、C相因遭受雷击产生电压波动，某换流站500kV侧交流电压下降，引起直流极Ⅰ、极Ⅱ换相失败，3套STATCOM暂态闭锁;随后500kV甲线线路保护动作切除故障线路并将甲线串补旁路，500kV乙线串补因间隙自触发动作将串补旁路;在500kV甲线故障切除后，直流换相失败恢复过程中，500kV交流系统电压发生波动，导致直流极Ⅰ、极Ⅱ再次换相失败，同时极Ⅰ、极Ⅱ各阀组避雷器多次动作，其中极Ⅱ D阀组的一次避雷器动作电流值达到桥短路保护87CSDⅠ段动作定值，最终导致了500kV直流极Ⅱ闭锁。

通过统计SER报文，9日某换流站两次换相失败后，后台SER一共记录到74次阀组避雷器动作，随后对7月至9月在换相失败期间避雷器动作情况进行统计。直流发生换相失败后，阀避雷器动作频繁。例如，本次故障在换相失败故障恢复期间，500kV交流母线相电压峰值达747kV，约为正常运行电压水平的1.69倍（故障前电压峰值为：442.4kV）。

在区外故障下，直流发生换相失败后，在故障恢复过程中，500kV某换流站交流母线容易产生过电压，将导致阀组避雷器频繁动作。根据总调统计的网内阀组避雷器动作情况看，仅有某换流站存在阀组避雷器在换相失败期间动作的情况。

（2）换流器D桥短路保护87CSDⅠ段保护动作分析

1）电流测点采样分析

结合直流控保内置故障录波及换流变故障录波，多个测点直流侧、交流侧故障电流幅值及变化趋势基本一致，排除电流测点异常导致保护动作的可能。极Ⅱ换流变故障录波，极Ⅱ极保护内置故障录波

对比换流变故障录波和极保护内置故障录波，在故障时刻绕组电流突增，两处故障录波幅值基本相同，YD换流变A相阀侧绕组故障电流峰值均超过6000A（极保护：6194A;换流变保护：6309A），排除交流侧电流测点采样异常的可能。

对比IdH、IdL、IdN、IdE直流侧不同的电流测点，直流电流采样基本一致，排除直流侧电流测点采样异常的可能。

2）换流器D桥短路保护87CSD 1段动作分析。

换流器D桥短路保护87CSD 1段保护原理。

出口直流ESOF功能：换流器短路保护（87CSY/87CSD）

功能逻辑：87CSY：IacY- Min[IdH， IdN]> Δ

87CSD：IacD- Min[IdH， IdN]> Δ

功能定值：I段：定值Δ=1.7p.u. （5100A）延时T=0ms

II段：定值Δ=0.5p.u. （1500A）延时T=30ms

根据极Ⅱ极保护A套故障录波波形数据可知。

IacD- Min[IdH， IdN]=8242.4A-778.9A=7463.5 > Δ=5100A

满足87CSD保护动作判据，保护动作。

结合历次换相失败数据进行对比分析（表7），电流差值远远小于87CSD保护I段动作定值。

9日15时20分59秒114毫秒：IacD 7483.33A，IdH 7250.556A，IdN 7232.222A，Δ 251.108A;22日14时16分26秒961毫秒：IacD 7496.667A，IdH 7609.440A，IdN 7598.889A，Δ-102.222A;9日02时40分52秒666毫秒：IacD 8242A，IdH 778.9A，IdN 781.6A，Δ7463.5A。

同時刻度极Ⅰ换流器D桥故障录波数据进行对比分析。极Ⅰ发生换相失败，极保护计算IacD值与差IdH、IdN值为0.6，远未达到动作值，87CSD不动作。

综上分析，甲线遭受雷击导致交流系统电压波动，双极发生换相失败，随后甲线故障跳闸，电压恢复期间交流电压再次跌落，双极第二次发生换相失败。极Ⅱ发生换相失败后，由于避雷器动作导致D桥换流变阀侧电流突增，达到了换流器D桥短路保护87CSD 1段保护动作范围，极Ⅱ极保护动作启动ESOF，进行极隔离。故极Ⅱ换流器D桥87CSD 1段保护动作正确。

3）阀组避雷器电流突增原因分析

通过对换流变阀侧电流录波文件进行对比分析，故障时刻D桥A、B相故障电流相位差为207.5°（接近180°），A、B相电压同步下降，C相电压上升为3倍的故障前电压，由此初步，阀侧A、B相发生短路导致YD换流变绕组电流突增。

在故障发生之前，极Ⅱ D桥换流阀竖琴脉冲正常，故障前D桥D5、D6阀触发导通，之后在阀D5与D1换相，换流变阀侧电流激增。

故障时刻IvD_a=-6292A，IvD_b=2856A，IvD_c=2899A可能有两种流通路径：

路径a：D1阀导通，阀组C相避雷器F3动作;

路径b：D2阀导通，阀组A相避雷器F4动作;

由故障录波竖琴脉冲波形可知，在D1阀触发脉冲发出后，故障电流出现，之后才触发D2阀，故障电流只能路径a流通。在保护动作前，后台报极Ⅱ C相避雷器F3、A相避雷器F2（Y桥）动作，初步判断故障是由于极Ⅱ C相F3避雷器动作引起。

4）第二次换相失败分析

第一次换相失败结束后221ms，500kV母线三相交流电压持续降低，发生第二次换相失败，极Ⅱ换流变进线电压三相电压降低速度缓慢，而非快速畸变的下降，排除发生外部故障的可能。故第二次换相失败是由于交流侧电压在故障后无法快速恢复造成。对比科研院仿真波形分析，乙线串补自动退出对于交流电压不持续降低有明显影响。。

4.原因分析

（1）直接原因

极Ⅱ 极保护换流器D桥短路保护87CSD 1段保护动作，极Ⅱ极控系统ESOF。

（2）间接原因

500kV甲线A、C相故障，故障导致500kV甲线及500kV甲、乙线串补退出运行，同时导致500kV某换流站极Ⅰ、极Ⅱ换相失败，在换相失败恢复过程中，由于交流系统波动过电压引起D桥C相F3避雷器动作电流达到约9000A，达到桥短路保护87CSDⅠ段动作定值，最终导致500kV直流极2闭锁。

参考文献：

【1】许继电气股份有限公司，ED4.351.YF_0_极保护设计规范书，2014，P12

【2】中国南方电网电力调度管理规程（2017版）

【3】中国南方电网调度运行操作管理规定（2017版）