换流站近端交流线路不同故障点对 高压直流输电系统影响机理研究

代书龙，刘百爽，张锐，滕昭林，徐学海，辛亮，周亚树

（中国南方电网超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 前言

由于高压直流输电系统存在输送容量大、功率调整灵活、节省输电走廊等众多优点，被广泛应用于超高压、远距离、大容量直流输电[1-6]。但交流线路故障现象时有发生，交流故障对直流系统的影响一直都是重点研究内容。高压直流系统正常运行时，若在交直流侧人为制造故障点研究相互之间的影响，不仅接地电阻较难控制，且势必会对整个系统产生严重影响，因此当前对交直流系统故障时相互之间的影响主要通过仿真实现，但当前的研究方法主要是在交流系统母线或直流侧设置不同大小的接地电阻后，研究相互影响机理，并取得了丰硕成果[7-9]。然而对于交流线路而言，电抗远大于电阻，因此通过在换流站交流母线上设置接地电阻的研究方式与系统实际运行情况仍然存在偏差。

本文借助典型高压直流系统模型，将换流站交流母线与电源点之间阻抗等效为4条交流线路后，计算出其中一条交流线路任何一点发生故障时，换流站交流母线处等效阻抗与故障点距换流站母线之间距离的关系，并借助修改之后的等效模型，对其中一条交流线路不同位置发生不同类型故障进行仿真分析，并对相互之间的影响进行了研究。

1 典型高压直流系统模型介绍

PSCAD/EMTDC模型库中的标准直流输电系统测试模型如图1所示，该模型为单极系统，大地回线接线方式，系统设备主要参数见表1。整流站配置有定电流控制器以及最小触发角两种控制器，正常运行时，整流站为定电流控制，逆变站为定γ角控制，当整流站交流电压降低时，整流站降低触发角以便维持电流恒定，若电压降低幅度较大，触发角降低至最小值5°时，整流站触发角维持在最小值运行。逆变站采用定γ角控制，可降低换相失败发生的概率，当逆变站电压降低时，换相角增大，逆变站触发角a相应减小。此外，逆变站配置有电流控制器，电流控制的定值比整流站定值小10%。整流站以及逆变站均配置VDCL（低压限流），以便在电压降低时减小直流电流，避免换流器连续发生换相失败，整流站VDCL电流最小限制值为0.55倍额定值，逆变站VDCL电流最小限制值为0.45倍额定值，详细控制原理图如图2所示[10-11]。

图1 直流测试系统模型

表1 直流系统主要参数

图2 直流系统控制原理图

2 整流站交流故障对直流系统影响

由于换流站送端主要建在大型水电站或火电站附近，受端主要建在负荷中心，因此换流站两端的交流线路均较短，属于短距离线路，本研究中采用的交流线路等效电路模型如图3所示。

图3 交流线路等效电路图

为便于分析线路不同位置接地时，相对于换流站母线处等效阻抗的变化规律，将模型中换流站母线与电源之间等效为4条并联的交流线路，并假设其中一条线路的某个位置发生接地故障，其故障点设置如图4所示，其中R'为3.737 Ω，经过折算之后的电阻R为1.041 Ω，电抗X为47.41519 Ω，故障点距离换流站母线之间的距离为dx，故障点距离电源点之间的距离为1-dx，可计算出电源点与换流站母线之间的等效阻抗如式(1)所示，根据该式可绘制出距离换流站母线不同位置的交流线路上发生故障时等效阻抗曲线如图5所示。

图4 故障点位置示意图

图5 不同位置故障时等效阻抗

由图5可知，交流线路故障点在距换流站母线20%以内时，等效阻抗的增长趋势随距离增加而快速增大，距换流站母线30%～95%范围内故障时，等效阻抗随故障距离增长趋势明显变缓。距离在0%～95%范围内，等效阻抗增长斜率整体上随距离增大而减小，当接地距离超过约95%时，距离增加，等效阻抗出现减小趋势。

2.1 交流线路发生单相金属接地

为准确分析整流站与电源之间交流线路发生金属性故障时系统实时发展趋势，将仿真系统中4条交流线路的其中一条平均分割为8个分段，并分别在每个分段点设置金属接地故障，以此模拟其中一相线路发生单相金属接地故障，此时故障回路中将同时存在电阻以及电感，与系统实际故障情况类似，仿真结果如图6、图7所示。不难看出，换流站母线处发生接地故障时，直流电流降低幅值最大，故障点远离换流站母线时，直流电流降低幅度逐渐减小，但当故障点为距母线8/8（即电源母线）处时，直流电流降低幅度仅次于换流站母线处故障时的降低幅度，这一方面是由于电源母线处接地将导致电源电压大幅降低，另一方面则是由于电源母线处发生接地故障时，换流站母线处等效阻抗存在一定程度的降低导致。

图6 整流站交流线路单相金属接地时直流电流变化曲线

图7 整流站交流线路单相金属接地时触发角变化趋势

由于整流站为定电流控制，当线路发生故障导致直流电流降低时，为了维持直流电流不变，整流站迅速降低触发角，直流系统控制器反应极其迅速，触发角降低速率随直流电流降低速率的增加而增大，触发角基本在3 ms左右便从19°降低至最小值触发角5°，触发角降低至最小值后，若直流电流维持在较低值附近，触发角将继续保持在最小值运行，当直流电流回升后，触发角随即增大。

2.2 交流线路发生单相不同电阻接地

整流站四条交流线路中的一条线路中点A相发生不同大小的电阻接地时，仿真情况如图8所示。线路中点通过不同电阻接地，接地电阻将与线路本身的电阻以及电抗叠加，接地电阻越大，引起接地点电压降低幅度越低，因此接地电阻越大，对直流系统的影响越小，直流电流降低幅度越低。

图8 整流站交流线路通过不同电阻接地时电流变化曲线

2.3 交流线路发生三相金属接地

整流站4条交流线路中的其中一条发生三相金属性接地时，仿真情况如图9、图10所示。此时直流电流降低速率明显高于单相接地故障，换流站母线处接地时直流电流降低速率最快，故障点离换流站母线逐渐变远时，直流电流降低程度逐渐减小，当电源母线处发生三相接地故障时，直流电流降低幅值仅次于换流站母线发生接地故障，由于电流降幅较大，故障后触发角基本保持最小触发角，整流侧变为最小触发角控制时，逆变侧VDCL控制器起作用，根据电压降低幅值限制直流电流，若电压降低幅值较大，VDCL控制器会将直流电流限制在VDCL控制器的下限0.45倍额定值。

图9 整流站交流线路发生三相接地时直流电流变化曲线

图10 整流站交流线路发生三相接地时触发角变化趋势

3 逆变站交流故障对直流系统影响

3.1 交流线路发生单相金属接地

晶闸管需要一定时间完成载流子复合，恢复阻断能力，其去离子恢复时间在400 μs（约7°电角度）左右[12-13]。考虑测量误差的存在，本文假设关断角小于8°时逆变侧换流阀发生换相失败。依然像整流站一样将换流站母线与负荷之间的阻抗等效为4条交流线路，当4条交流线路中的一条发生单相金属性接地故障时，仿真情况如图11～图13所示。图13中，0表示没有发生换相失败，1表示发生换相失败。由于接地故障导致逆变站换相电压降低，逆变站母线处故障后约6 ms便发生换相失败，交流线路其余位置故障后约8 ms发生换相失败，逆变侧发生换相失败时，直流电流升高，换流站母线处发生故障时直流电流上升速率最快，其余位置故障点上升速率相差不大。无论逆变侧交流线路哪个位置发生故障，由于整流侧触发角的快速调节，直流电流上升所能达到的最大值相差不大。

图11 逆变站单相接地时直流电流变化曲线

图12 逆变站单相接地时整流站触发角变化曲线

图13 逆变站单相接地时换相失败情况

3.2 交流线路发生单相不同电阻接地

逆变站4条交流线路中的一条中点经过不同大小的电阻接地时，仿真情况如图14所示。接地电阻在20Ω以下时，直流电流升高趋势较明显且发展趋势基本一致，但当接地电阻超过100Ω时，对直流电流的影响有限，接地电阻达到200Ω时，对直流电流基本没有影响。

图14 逆变站交流线路中点经不同电阻接地直流电流趋势

3.3 交流线路发生三相金属接地

逆变站交流系统发生三相接地故障时，仿真情况如图15所示。故障点距换流站越远，故障初期直流电流上升速率基本越慢，但受端电源母线发生三相接地故障与距逆变站母线1/4处发生故障时的发展趋势基本一致，无论哪个位置发生接地故障，直流电流上升幅值基本一致。

图15 逆变站交流线路三相金属性接地时直流电流趋势

4 结束语

交流系统发生故障时，直流系统控制器反应极其迅速，各控制器能严格按照设定模式快速做出响应。整流站三相接地故障对直流系统的影响明显大于单相接地故障，但逆变站三相接地以及单相接地导致的直流电流幅值相差不大。

由于电源与换流站母线之间发生故障时，等效阻抗与故障点距离换流站母线之间的距离并不是简单的正相关关系，交流线路发生接地故障时，在一定距离范围内，故障点越靠近换流站母线，对直流系统影响越大，超过该距离时，越靠近换流站母线，对直流系统影响越小。

逆变站母线处发生故障时极易引发换相失败，当线路接地电阻超过200 Ω时，对直流系统的影响有限。