云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)c裝置運行穩(wěn)定性分析

云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)c裝置運行穩(wěn)定性分析

交換相錯誤是高壓直接供輸系統(tǒng)中最常見的故障之一。由于流量交換側(cè)的觸發(fā)點電流的存在，流量交換設(shè)備在交換相時必須完成一定的電流轉(zhuǎn)移。為了表示交換過程的持續(xù)時間，通常以交換角（）表示更換流量閥兩個橋臂之間的交換相最終結(jié)論。當(dāng)交換流量裝置的兩個橋臂之間的交換相完成時，初始傳輸源的閥無法恢復(fù)阻滯性，或在反向電壓范圍內(nèi)的交換相過程未完成。因此，當(dāng)閥電壓轉(zhuǎn)換為正時，被更換的閥將被反向更換為第一個通道。截止到2012年,南方電網(wǎng)已有四條超(特)高壓直流輸電系統(tǒng)投入運行.四條直流落點都分布于珠三角地區(qū),彼此距離比較接近,與之相連的交流系統(tǒng)具有較大的容量,因此直流逆變側(cè)附近交流系統(tǒng)一旦出現(xiàn)瞬時性故障,引起短時的交流電壓跌落,極易引起一條或多條直流線路出現(xiàn)換相失敗.云廣特高壓直流輸電工程是中國第一條±800kV電壓等級的直流輸電系統(tǒng),起點為云南省楚雄換流站,終點為廣東省穗東換流站,故又簡稱楚穗直流,其額定傳輸功率達5000MW.由于傳輸功率高,云廣直流一旦因換相失敗出現(xiàn)非正常的單極或雙極閉鎖,將對電網(wǎng)系統(tǒng)造成較大沖擊,甚至可能引發(fā)大范圍停電事故.2012年9月12日(以下簡稱“9·12”)云廣直流逆變側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時故障,導(dǎo)致穗東站雙極四閥組均發(fā)生換相失敗,隨后極1直流保護系統(tǒng)1直流差動保護87DCM動作,極1雙閥組退至備用狀態(tài).事后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場一次設(shè)備無異常.本文對云廣直流“9·12”事件的原因進行分析,考察保護動作的正確性.通過分析現(xiàn)場錄波確定換相失敗過程中極1高、低壓母線出現(xiàn)過大差流的原因為穗東換流站極1低壓母線側(cè)電流測量裝置(CT)故障.通過與歷次換相失敗的歷史電流數(shù)據(jù)進行對比以及對極1母線差流諧波情況進行分析,定位發(fā)生故障的為該CT二次測量回路.1浮動門檻及差電流“9·12”云廣特高壓直流單極閉鎖的原因是極1直流保護系統(tǒng)1直流差動保護87DCM動作.87DCM是高壓直流輸電系統(tǒng)配置于直流場極區(qū)故障的主要保護之一,該保護判斷依據(jù)為本極高壓母線電流IdCH和低壓母線電流IdCN.87DCM采用DISA功能模塊,采用累加算法,將差電流︱IdCH-IdCN︱送入DISA功能模塊進行累計計數(shù),其浮動門檻計算公式為max[max(IdCH,IdCN)×0.15,156A].當(dāng)差電流︱IdCH-IdCN︱大于浮動門檻時,累計正計數(shù);當(dāng)差電流小于浮動門檻時,累計負計數(shù);當(dāng)計數(shù)達到設(shè)定值時保護出口動作.直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗時,主要體現(xiàn)為熄弧角變小,閥關(guān)斷裕度角不足,直流電壓降低,直流電流升高.圖1至圖4所示為“9·12”換相失敗期間穗東換流站現(xiàn)場錄波裝置所錄的雙極直流母線電流波形,其中x軸表示當(dāng)天時間,14:47:35.10表示14時47分35.10秒,下同,不再贅述.從圖1至圖4可見,發(fā)生換相失敗時直流電流過沖的最大值約為8kA,交流系統(tǒng)瞬時故障消失并重合成功后,極2成功恢復(fù)到故障前運行狀態(tài),而極1則由于87DCM保護動作閉鎖.為考察87DCM動作是否正確,計算保護動作前后時刻極1高低壓母線差電流︱IdCH-IdCN︱和87DCM保護浮動門檻,其波形如圖5所示.從圖1和圖2可以看出,直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗后,極1高壓側(cè)電流IdCH與低壓側(cè)電流IdCN開始增大,隨后呈現(xiàn)不規(guī)律變化.從圖5可見,在此暫態(tài)過程中,IdCH與IdCN之間的差流值遠大于穩(wěn)態(tài)運行時的差流.從圖5差電流與浮動門檻的波形比較可見,在故障發(fā)生后,差電流大部分時間位于浮動門檻的下方,因此不滿足保護判據(jù),保護未動作.在圖5中,差電流開始大于浮動門檻,經(jīng)過約8.65ms后滿足87DCM動作定值及延時,發(fā)出ESOF命令出口跳閘.綜上分析可見,87DCM保護動作的原因為直流系統(tǒng)換相失敗后IdCH和IdCN急劇變化的過程中,IdCH與IdCN之間差流值增大并滿足判據(jù),保護為正確動作.2護的一般情況理論上直流輸電系統(tǒng)同一極高壓母線電流IdCH和低壓母線電流IdCN位于同一回路,其大小應(yīng)相等,但“9·12”87DCM保護屬于正常動作,換相失敗的暫態(tài)過程中極1的IdCH和IdCN之間的確存在較大的差流.觀察圖1至圖4所示的電流波形,可以看出,極1IdCH、極2IdCH、極2IdCN的波形都比較平緩,而極1IdCN波形則有明顯的毛刺.由于事后檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場一次設(shè)備均無異常,因此可初步推斷造成“9·12”極1母線差流過大的原因與極1低壓母線側(cè)電流測量裝置(CT)工作狀態(tài)不穩(wěn)定有關(guān).2.1云廣直流換相失敗故障的初步解釋直流電流測量裝置是基于一個安裝在一次電流回路的阻性分流器,直流分流器中的傳感器探頭盒安裝在高壓側(cè),直流分流器接入直流母線.當(dāng)通過電流為3125A時,分流器兩端壓降為150mV.分流器兩端壓降通過傳感器探頭OPTO5轉(zhuǎn)化為光纖數(shù)字信號,OPTO5由激光驅(qū)動.與高壓側(cè)的隔離通過復(fù)合絕緣子中的光纜來實現(xiàn).低壓側(cè)的接線盒提供低壓光纜到測量系統(tǒng)的接口.光電轉(zhuǎn)換電子模塊整合在測量系統(tǒng)屏內(nèi).根據(jù)穗東站直流分流器技術(shù)規(guī)范,直流電流測量裝置的誤差為±0.2%,極端情況下,由高壓直流分流器測量精度誤差與低壓直流分流器測量精度誤差引起的最大差值為0.4%.換相失敗過程中最大直流電流值接近8000A,即由直流分流器測量精度誤差引起的最大差電流也才32A,遠低于87DCM保護浮動門檻值,因此可初步推斷本次事件原因是極1低壓母線側(cè)CT出現(xiàn)故障.2012年4月份以來云廣直流發(fā)生過多次因交流系統(tǒng)瞬時故障引起的換相失敗,但僅有9月12日的換相失敗導(dǎo)致87DCM保護動作,其余時間系統(tǒng)均在瞬時擾動后恢復(fù)到換相失敗前運行狀態(tài).表1給出了穗東換流站錄波裝置所錄的2012年4月份以來云廣直流歷次換相失敗時的運行情況、保護動作情況以及極1高低壓母線差流.通過對比可以得到以下結(jié)論.1)高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗時極1高低壓母線電流的差流大小與電流過沖幅值沒有必然聯(lián)系.如表1所示的6月21日換相失敗過程中直流電流過沖幅值為4.5kA,9月11日換相失敗過程中直流電流過沖幅值為7.3kA,但這兩次的極1高低壓母線差流幾乎相同.2)云廣直流出現(xiàn)換相失敗的暫態(tài)過程中極1高低壓母線差流的最大值一般為30～50A,偶爾出現(xiàn)高達125A的情況,均大于穩(wěn)態(tài)時的差流,但都遠小于87DCM的浮動門檻值,并不會觸發(fā)保護動作.這說明87DCM保護對于直流正常運行和一般換相失敗時可能出現(xiàn)的差流可以有效避過.3)云廣直流9月11日、9月12日兩次換相失敗時直流的運行狀態(tài)、電流過沖幅值都非常類似,但“9·12”換相失敗時極1高低壓母線差流卻比9月11日時大很多.圖6和圖7給出了9月11日換相失敗過程中極1母線電流的故障錄波,通過對比圖2和圖7,發(fā)現(xiàn)9月11日換相失敗時極1低壓母線電流IdCN的波形比較平緩,沒有類似于圖2所示的“9·12”IdCN波形中出現(xiàn)的毛刺,而兩次換相失敗時極1高壓母線電流的波形基本一致,且比較平緩無任何毛刺.說明極1高壓母線側(cè)CT工作狀態(tài)為正常,而極1低壓母線側(cè)CT在9月12日出現(xiàn)了故障是導(dǎo)致87DCM動作的主要原因.2.2逆變側(cè)直流電流故障的分析為定位極1低壓母線側(cè)CT出現(xiàn)故障的具體位置,將“9·12”換相失敗過程的故障錄波導(dǎo)入EMTDC仿真軟件,對極1高低壓母線電流IdCH,IdCN差流的直流和主要諧波分量進行分析.通過傅里葉變換,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)換相失敗過程中IdCH,IdCN波形中含有大量的低次諧波分量,主要以1至6次諧波為主.這是由于直流系統(tǒng)換相失敗時會受許多非線性因素的影響,逆變側(cè)直流電流包含直流分量、按指數(shù)上升的非周期分量、由電容放電引起的振蕩諧波分量以及換相過程中交流電源引起的基波分量等多種諧波成分.分別對換相失敗過程中IdCH與IdCN的直流分量和1～6次諧波分量的差流值進行對比分析,結(jié)果如圖8至圖14所示.其中x軸表示時間,單位為秒.從圖8至圖14可見,“9·12”換相失敗過程中極1IdCH與IdCN的直流分量、1至6次諧波測量值都存在較大差流.其中直流分量差流最大值約為200A,交流分量中1至3次諧波差流較為嚴(yán)重,差流幅值在100A以上,4～6次諧波分量差流在50A左右,而穩(wěn)態(tài)時直流量、基波和所有諧波差流都在2～3A的數(shù)量級.“9·12”事后檢查發(fā)現(xiàn),直流低壓母線CT一次側(cè)設(shè)備包括測量直流量的直流分流器和測量諧波量的空心線圈,兩者同時出現(xiàn)工作異常的可能性較小,因此本次CT故障可能出現(xiàn)在二次測量回路.具體故障位置需