同塔双回直流融冰装置感应电压分析与应对措施

张瑞，甘战，陈慧

（中国南方电网超高压输电公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

某电站送电广东直流输电工程，即牛从直流输电系统是世界上首个±500 kV同塔双回直流输电工程，包括牛从甲、牛从乙两回直流输电系统。牛从甲、牛从乙直流输电线路部分区段为双回同杆架设，线路总长超过1200 km，沿途经过多段20 mm、30 mm重冰区，其地线每年出现严重覆冰情况。±500 kV牛寨换流站为牛从直流输电系统送端换流站，双回共站建设，站内配置一套固定式直流融冰装置（35 kV#1融冰装置），可对牛从甲、乙回直流输电线路地线进行融冰。为提高直流通道送电能力，一般采取需融冰回停运、另一回保持运行的方式进行融冰。2021年初融冰过程中，出现融冰装置启动过程中受感应电压影响跳闸情况，导致融冰功能不可用，严重影响冰期线路安全稳定运行和电力供应。

1 35 kV #1融冰装置受感应电压影响

1.1 融冰装置及功能概况

牛寨换流站35 kV #1融冰装置额定容量60 MW、额定电压±20 kV、额定电流1500 A，2014年1月投运。融冰装置换流阀由Y桥和D桥串接组成，Y桥、D桥各6个桥臂，每个桥臂11只晶闸管串联。为保护换流阀，每个桥臂检测到2只及以上晶闸管击穿故障时，融冰装置跳闸。各晶闸管配置一块TE板，TE板接收来自脉冲柜发出的光编码信号，光电转换后产生门极强触发脉冲触发可控硅，触发的同时监视晶闸管的工作状态，并把信号传回脉冲柜供其检测。TE板由RC阻尼回路从晶闸管两端取能。融冰换流变进线开关合上后，阀控系统开始晶闸管击穿检测。正常工作时，每个周波在晶闸管两端会产生一定幅值的截止电压，TE板将该电压转换为光信号并输入至脉冲柜内的击穿检测板监测。晶闸管被击穿后，截止电压会消失，脉冲柜内的击穿检测板接收不到截止电压信号，判断该晶闸管击穿。

图1 晶闸管级接线示意图

该装置可为牛从甲、乙直流输电线路地线及牛寨侧接地极线路进行融冰。其中，对牛从直流输电线路地线进行融冰时，可通过双回同停和一回运行一回停运方式开展。

图2 牛从直流输电系统双回同杆架设示意图（其中，I回指牛从甲、II回指牛从乙）

图3为牛寨站35 kV #1融冰装置接线示意图。图中，3141为融冰换流变交流侧进线刀闸，314为融冰换流变交流侧进线开关，05201为融冰装置正极母线牛从乙直流极1线路选线刀闸，05202为融冰装置负极母线牛从乙直流极2线路选线刀闸。

图3 牛寨站35 kV #1融冰装置接线示意图

1.2 融冰装置启动跳闸分析

2021年1月，牛从甲直流双极运行、牛从乙直流双极停运，利用牛寨站35 kV #1融冰装置对停运的牛从乙直流输电线路地线进行融冰，融冰装置操作合上牛从乙直流线路选线刀闸后，监控后台报“1#整流阀1号臂3、8晶闸管击穿”，融冰装置换流变进线开关跳开。现场检查融冰装置直流极母线避雷器外观正常，正、负极线路避雷器各动作1次。查看波形，稳定时正极母线感应电压最大值负40 kV、负极母线感应电压最大值负30 kV。对全部晶闸管进行导通试验和直流电阻测试，结果正常。

牛从甲直流运行、牛从乙直流停运工况下，对牛从乙直流线路感应电压进行持续监测，发现停运回线路不同程度存在感应电压，最高超过100 kV。

表1 一回运行、一回停运工况下停运回线路感应电压监测统计表

相同工况下，现场在停运回线路感应电压基本为零时开展牛寨站35 kV #1融冰装置带停运回线路地线融冰，结果正常。

1.3 融冰装置跳闸原因分析

1.3.1 融冰装置历史运行分析

牛从直流部分线路采用同塔双回架设方式，牛寨站35 kV #1融冰装置工程设计阶段，地线融冰时需双回直流停运进行人工接线。2016年11月，牛从直流线路完成地线融冰自动接线装置改造，此后牛从直流地线融冰不需双回同停。统计2018年以来融冰情况，在一回停运、一回运行方式下共开展过融冰操作34次，其中融冰成功31次，2021年1月9日至10日融冰失败3次。融冰成功情况下，停运回线路电压低于25 kV。3次融冰失败情况下，停运回线路感应直流电压大于35 kV。

感应电压在24 kV以下的有22次，占比78%，全部融冰成功；感应电压位于24 kV和35 kV之间的3次，占比11%，全部融冰成功；感应电压大于35 kV的3次，占比11%，全部融冰失败，感应电压分别为40 kV、60 kV、38 kV。可见，感应电压控制在24 kV以下可有效确保融冰装置正常运行。

1.3.2 融冰装置跳闸原因

根据统计分析情况，结合融冰装置晶闸管击穿功能原理，判断造成牛寨站35 kV #1融冰装置在一回直流运行、一回直流停运工况下，对停运线路开展融冰操作过程中跳闸原因为：合上融冰装置选线刀闸后，直流线路感应电压沿融冰管母传递至换流阀直流侧，与交流侧换相电压叠加，导致换流阀晶闸管取能回路不能正常取能，进而不能向阀控系统反馈正确的晶闸管两端电压信息，判断晶闸管不可用，超过保护设定值后跳闸，换流变进线开关跳开。且感应电压小于24 kV时，可正常实现融冰功能。

2 线路融冰受感应电压影响应对

2.1 感应电压影响因素分析

回间差异方面。根据数据统计分析，牛从甲运行、牛从乙融冰接线方式时，牛从乙感应电压为负电压；牛从乙运行、牛从甲融冰接线方式下，牛从甲感应电压为正电压。且乙回线路更加容易耦合出较高感应电压，主要是由于甲乙回并非全线路对称架设所导致。

表2 不同回线路感应电压水平统计表

运行工况和环境条件方面。通过数据统计分析，发现融冰回路平均覆冰厚度比值和感应电压无明显线性关系，融冰回路平均温度和感应电压无明显线性关系，融冰回路平均湿度和感应电压无明显线性关系，运行回功率大小和停运回线路感应电压无明显线性关系。但可发现，不论甲回停运还是乙回停运，其感应电压最大值均出现在下午15:00-18:00之间，最小值均出现在凌晨5:00-10:00之间。

运行方式方面。经过仿真分析，牛从甲直流双极运行、牛从乙直流双极停运时，牛从甲直流极2降压70%运行时在牛从乙直流线路上产生的感应电压最低。牛从乙直流双极运行、牛从甲直流双极停运时，牛从乙直流极1降压70%运行时在牛从甲直流线路上产生的感应电压最低。

2.2 应对措施

因造成融冰装置跳闸的原因为停运回感应电压影响，故围绕抑制感应电压研究应对措施。

2.2.1 技术措施

1）通过融冰装置母线并联放电间隙，限制过高静电耦合电压，确保设备安全和正常融冰功能。

2）增加两组旁路开关，并联于上、下六脉动阀组两侧，通过旁路开关形成导线接地钳位点，降低静电耦合电压。地线融冰启动时按以下步骤执行：合上旁路开关、合上选线刀闸、断开旁路开关的同时解锁换流阀。

3）将零功率试验隔离开关改造为直流转换开关。地线融冰启动时按以下步骤执行：零功率试验模式下以最小电流解锁、合上选线刀闸、断开直流转换开关。

4）在融冰线路或融冰母线构建高阻接地降低静电耦合电压。地线融冰启动时按以下步骤执行：通过开关将接地电阻接入融冰母线、合上选线刀闸、融冰装置地线融冰模式下最小电流解锁、断开接地电阻开关。

以上4类技术方案均能有效限制线路感应电压对融冰装置的影响，但考虑经济性、时效性、紧迫性，现场选取了融冰装置母线加装放电间隙的措施并完成现场实施及试验。其他3类方案可作为科技创新方向进行深入研究。融冰装置正负极母线均加装放1-30 mm可调电间隙，在牛从甲直流双极运行、牛从乙直流停运工况下，合上融冰装置选线刀闸，间隙可有效抑制线路侵入的感应电压，且验证间隙与电压的对应关系为3.4 kV/mm。表3为现场试验数据。

表3 放电间隙调试试验数据记录表

2.2.2 管理措施现场参照仿真结论

在牛从甲直流运行、牛从乙直流停运工况下进行实际运行试验验证，结论与仿真结果一致，牛从甲直流极1全压、牛从甲直流极2降压70%时在牛从乙直流线路上产生的感应电压最小。表4为现场试验数据。

表4 牛从甲降压运行对牛从乙线路感应电压影响试验记录表

图4为牛从甲直流双极全压运行、牛从乙直流双极停运时电压波形图，为现场录波在录波分析软件上的回放。图中示出牛从甲直流极2线路电压和牛从乙直流极1线路电压。从图中可看出，牛从甲直流极2线路为额定电压-500 kV，牛从乙直流极1线路电压近50 kV。“X”、“O”所示值为牛从乙直流极1线路两个不同时刻电压值，横坐标为时间（s）。

图4 牛从甲直流双极全压运行、牛从乙直流双极停运时牛从乙直流极1线路感应电压波形

图5为牛从甲直流极1全压运行、牛从甲直流极2 80%额定电压运行，牛从乙直流双极停运时电压波形图，为现场录波在录波分析软件上的回放。图中示出牛从甲直流极2线路电压和牛从乙直流极1线路电压。从图中可看出，牛从甲直流极2线路电压为80%额定电压即-400 kV，牛从乙直流极1线路感应电压为22 kV左右。“X”、“O”所示值为牛从乙直流极1线路两个不同时刻电压值，横坐标为时间（s）。

图5 牛从甲直流极1全压、牛从甲直流极2 80%降压运行时牛从乙直流极1线路感应电压波形

图6为牛从甲直流极1全压运行、牛从甲直流极2降压70%运行，牛从乙直流双极停运工况下电压波形图。图中示出牛从甲直流极2线路电压和牛从乙直流极1线路电压。从图中可看出，牛从甲直流极2线路电压为70%额定电压即-350 kV，牛从乙直流极1线路感应电压为13 kV左右。“X”、“O”所示值为牛从乙直流极1线路两个不同时刻电压值，横坐标为时间（s）。

图6 牛从甲直流极1全压、牛从甲直流极2 70%降压运行时牛从乙直流极1线路感应电压

3 结束语

经过分析研究，得出如下结论：

1）同塔双回直流输电线路一回运行、一回停运工况下，开展停运回线路地线融冰时，融冰装置会受停运回线路上侵入的感应电压影响导致晶闸管监测回路不能正常取能，进而误判多个晶闸管击穿故障跳闸。

2）根据统计数据分析，直流输电线路感应电压与运行回直流功率、环境温湿度、覆冰厚度等无明显线性关系，但感应电压最大值基本出现在每日15:00-18:00之间，最小值基本出现在凌晨5:00-10:00之间，可选择有利时段开展融冰。

3）通过在直流融冰装置母线加装放电间隙，并设定合适间隙值，可有效将停运回线路感应电压限制至融冰装置正常运行条件内，此为最经济最有效的措施。本文中提出的在融冰装置阀组中增加两组旁路开关、改造融冰装置零功率试验隔离开关、在融冰线路或融冰母线构建高阻接地3种方案也可有效限制感应电压，可在后续进一步深入研究。

4）对于同塔双回直流输电工程，运行回采取合适降压运行模式时，可有效抑制停运回线路上感应电压。

5）本文基于同塔双回直流输电系统进行直流融冰装置受线路感应电压影响分析，单独架设的同走廊多回直流、交叉跨越直流等系统及交流输电线路融冰装置受感应电压影响也可借鉴本文研究结果。同时，建议直流融冰装置母线均装设放电间隙，并调试设定合理间隙值，以有效避免线路感应电压侵入影响融冰设备及功能。