特高压直流输电系统金属旁通支路运行工况问题与对策

文/韩俊秀

1 金属旁通支路运行情况介绍

对于单个12脉动阀组，其金属旁通支路则包括2种情况，分别如图1中的支路1和2所示，可将阀组的金属旁通状态定义为：AI，CI，BPS同为合位或BPI为合位。

典型的金属旁通支路运行工况如图1所示。在图1中，极1在两站的所有阀组均为金属旁通状态，极2为大地回线运行，极2直流电流为ID。ID经过极2中性母线后即由接地极回路与极1金属旁通支路分流为ID1和ID2，其大小由接地极回路与极1旁通支路的阻抗比决定。

2 金属旁通支路的形成与种类

直流系统的金属旁通支路运行是基于单个阀组的金属旁通状态而发生的，当某极两站四阀组或故障下某一站的若干阀组进入金属旁通状态，系统才有可能转入金属旁通支路运行。

在双12脉动阀组串联的直流系统中，能够导致单个阀组进入金属旁通状态的动作类型包括3项：开关、刀闸设备的手/自动控制，闭锁极。

2.1 开关、刀闸的手/自动控制

通常阀组在开展检修工作前，需先进入阀组隔离状态再转入阀组接地状态。在当前已投运的特高压直流工程中，往往具备阀组隔离自动控制功能。在阀组隔离状态中，由于操作BPI至合位，阀组将进入金属旁通状态。另外，通过阀组闭锁情况下的旁通区开关、刀闸手动操作，显然也可令阀组进入金属旁通状态。

若两站极连接且对极已在运行，则通过开关、刀闸的手/自动控制令阀组进入金属旁通状态，进而极有可能导致系统进入金属旁通支路运行。

2.2 极闭锁

极闭锁策略中的投入BPS命令一般在阀组投入旁通对之后发出，其作用在于缩短旁通对运行时间，同时隔离换流阀，对阀组形成保护。通常在BPS投入后即闭锁换流阀触发脉冲。

2.2.1 正常极闭锁

在滇西北直流工程中，正常极闭锁时，当电流下降至最小电流后，由整流侧先执行移相闭锁命令，逆变侧则执行触发角移相90°命令（ALPHA_90），后续延时闭锁极，闭锁过程中整流、逆变侧阀组均不投入旁通对与BPS。

考察国内其他特高压直流工程，正常极闭锁过程中均在逆变侧执行触发角移相90°/降低直流电压命令，其目的是为泄放直流线路中残余的能量。而在逆变侧闭锁之前，则在现有特高压工程中存在2种做法：投入旁通对与BPS后，再闭锁极；与滇西北工程相同，不投旁通对和BPS，经延时后闭锁极。

考察现有各特高压直流工程实施情况，由于正常闭锁过程中整流侧均不投入旁通对和BPS，因此最多只有逆变侧阀组进入金属旁通状态，而不存在系统直接转入金属旁通支路运行的可能。

2.2.2 极层保护性闭锁

主要考虑直流双极运行时一极发生永久性故障的情况。对于该情况下的金属旁通支路运行工况，须考虑以下影响：

（1）极层保护性闭锁策略中的合BPS或隔离阀组动作是否导致金属旁通支路运行工况。

（2）接地故障中故障点的分流作用是否导致金属旁通支路运行工况。

（3）故障侧的极隔离动作能否对已形成的金属旁通支路进行有效隔离。

3 对策与建议

通过断开NBS来隔离金属旁通支路时，由于回路结构的变化以及NBS开关的振荡作用，运行极工况将受开关分断过程影响而发生波动。为参照滇西北工程实际接地极线路、直流线路以及NBS开关参数，通过实时数字仿真仪（RTDS）仿真系统模拟金属旁通支路运行时断开NBS的波形。

若金属旁通支路运行工况是由极层保护性闭锁引起，则剩余运行极可能在经过功率转带后进入过负荷运行，此时，金属旁通支路中的电流可能超出NBS开关的分断能力，而无法成功隔离。滇西北工程 RTDS仿真模型中模拟逆变站极高压侧母线接地故障导致单极闭锁的试验录波，试验系统中各主要运行参数与工程现场一致，图中状态量为逆变站故障极在闭锁过程中的关键状态量。故障极闭锁后，剩余运行极立即进入短期过负荷运行（秒级），短期过负荷能力耗尽后再进入长期过负荷运行。由于逆变站故障后投入旁通对与BPS，形成故障点，对应金属旁通支路运行工况，又因接地故障点位于逆变站内，因此金属旁通支路电流ID2在BPS闭合后迅速升高至与ID接近。此后，由于金属旁通支路电流始终超出NBS的分断能力，而无法隔离金属旁通支路。

3.1 联锁功能设计

在系统无接地故障的情况下，考查图1所示金属旁通支路运行工况，对极两站全部阀组均为金属旁通状态且对级在系统无接地故障的情况下，考查图1所示金属旁通支路运行工况，系统应满足以下条件：

（1）一极运行、一极闭锁。

（2）非运行极两站四阀组均为金属旁通状态。

（3）非运行极两站均极连接（直流极同时接入极高压线路、中性母线的状态）。

考虑实际工程现场形成上述条件的先后顺序并不固定，因此，针对金属旁通支路联锁设计的原则为：禁止即将导致系统进入金属旁通支路运行的最后一项操作。联锁内容应至少包含以下3点：

（1）对极两站全部阀组均为金属旁通状态且对级两站均极连接时，不允许解锁本极。

（2）本极两站均极连接、对极运行且本极两站中的其余三阀组均为金属旁通状态时，不允许操作本阀组进入金属旁通状态。

（3）对站本极为极连接、对极运行且本极两站全部阀组均为金属旁通状态，不允许操作本极进入极连接状态。

3.2 极闭锁

极闭锁形成的金属旁通支路运行均发生在双极运行时单极保护性闭锁过程中，通过前文梳理，可知其包括以下3种情况：

（1）整流站极高压侧接地故障（包括高压直流线路接地故障）导致保护性闭锁时，逆变侧投入旁通对和BPS。

（2）整流站在极层保护性闭锁后投入旁通对和BPS，同时逆变站配合闭锁时也投入旁通对和BPS。

（3）逆变站直流高压侧或阀组连接线接地故障时，逆变站故障极投入旁通对和BPS。

考查以上3种情况下的金属旁通支路特点，其必要的形成条件为：逆变侧阀组在闭锁过程中投入旁通对和BPS。因此，合理设计逆变侧极层保护性闭锁中的投旁通对与BPS策略，对于防止金属旁通支路运行具有重要意义。针对该情况下的金属旁通支路运行，可考虑采取以下措施进行预防：

（1）针对整流侧高压区接地保护动作，令逆变侧在配合其闭锁过程中不投入旁通对与BPS。

（2）逆变侧极层保护性闭锁发生时，针对特定保护，例如：直流差动保护、极母线差动保护、阀组连接线差动保护等，应禁止相应阀组投旁通对与BPS。通常情况下，逆变侧保护性闭锁极时投入旁通对和BPS能够起到快速隔离交、直流系统的作用。另外，站间通信故障情况下，逆变侧投入旁通对和BPS还可以拉低直流电压，令逆变侧保护动作闭锁时，可通过直流低电压特征引导整流侧完成极闭锁。

4 结语

图1：典型的金属旁通支路运行工况

文中分析和研究了双12脉动阀组串联结构的特高压直流工程金属旁通支路运行工况，研究发现，系统很容易在这几种情况下进入金属旁通支路运行工况：直流场开关、刀闸手/自动控制过程中、极层保护性闭锁过程中等，本文分析了金属旁通支路运行中出现的问题，并针对这些问题提出了有效的解决措施，要保证金属旁通支路运行工况不出现问题，就进行有效的预防很重要，有效的预防方式是：

（1）改善金属旁路支路操作的联锁。

（2）当逆变站的特高压侧接地保护或特定区域保护运行时，应避免在逆变侧安装旁路副和旁路开关。

（3）在高、低压共测点阀门保护系统中，极点控制系统同时建立了双阀保护回收的处理逻辑。