線路雷擊故障導致江陵站反轉保護動作

曹詩玉 于 雷 王麗麗 韓緒鵬

（1.湖北超高壓輸變電公司，湖北 宜昌 443003；2.三峽電力職業學院電力工程學院，湖北 宜昌 443000）

江陵-鵝城高壓直流輸電工程（簡稱江城直流工程）是華中與南方電網間電能交換的跨區聯網工程，2002年4月25日開工建設，2004年6月6日正式投產。江城直流工程雙極額定容量3GW，額定電壓±500kV，雙極換流閥采用 12脈動接線方式，兩端換流站中直流控制、保護功能的實現均采用ABB公司MACH2系統[1-2]。2011年7月26日，江城直流線路因雷擊故障造成江陵站功率反向保護動作閉鎖極II直流系統。本文在對江城直流工程中相關直流保護的原理及動作邏輯進行簡要介紹后，通過故障時刻的波形對雷擊故障引起功率反向保護動作的形成原因進行了分析，對雷擊能量的整個釋放過程進行了研究，最后用仿真試驗進行了驗證，為本工程及其它工程的運行、維護提供參考。

1 故障描述

2011年7月26日21︰51︰59，江陵站極II控制保護系統行波保護及突變量保護動作，經過80ms后，極II控制保護系統發“功率反向I段跳閘”、“功率反向II段跳閘”信號，極II直流系統閉鎖，告警事件記錄如圖1所示。

正常情況下直流線路在遇到雷擊故障后，行波保護和突變量保護會檢測到故障并開始直流系統的再起動過程，通過兩次全壓和一次降壓再起動大部分雷擊故障均能消除，直流系統重新恢復運行。若兩次全壓及一次降壓再起動均失敗，則會閉鎖故障線路對應的直流極。

從此次江陵站線路雷擊故障來看，行波保護與突變量保護均檢測到故障，直流系統進入到再起動過程，但在再起動過程中突然出現功率反向保護動作將直流極閉鎖。這與以往的線路遭雷擊故障均不相同，線路遭雷擊故障引起“功率反向I段跳閘”、“功率反向II段跳閘”信號，極II直流系統閉鎖，在江城直流系統還是首次出現，其它超高壓直流輸電系統也不多見。針對出現的異常情況，現場對站內直流場避雷器動作情況進行了檢查，檢查結果見表1。

圖1 事件列表

表1 避雷器動作情況表

由表1初步判斷雷擊時刻，站內避雷器未發生動作。查看ABB線路故障測距，發現在21:52:00:870時測距起動，故障測距20.1kM。

2 功率反向保護動作分析

功率反向保護是為了防止控制系統故障引起直流功率在短時間內出現反向而對交流系統造成沖擊，保證兩端交流系統的穩定運行，在直流保護中設置了功率反向保護。該保護的動作判據為：在沒有功率反向指令的條件下，一定時間內直流電壓的絕對值超過定值且極性發生反向，直流功率也超過定值時，保護動作，經不同延時分別發出切換直流控制系統和閉鎖直流系統指令[3-4]。江城直流工程的功率反向保護邏輯如圖2所示。

由圖2可知功率反轉保護通過判斷線路電壓UDL在500ms內的變化情況，來決定保護是否出口，其動作定值如下：在保護I段：|UDL|×IDNE＞300MW，延時50ms切換系統，延時 70ms跳閘；在保護 II段：|UDL|×IDNE＞200MW，延時80ms切換系統，延時100ms跳閘。故障時刻的波形圖如圖3所示。

圖2 功率反向保護動作邏輯圖

分析圖3故障錄波，極II直流線路電壓UDL下降，直流線路電流IDL由3000A迅速上升至7000A；結合故障測距結果，說明極II直流線路確實存在故障。

極II直流線路電流IDL與極II換流閥高壓側電流IDP變化趨勢基本一致，說明直流電流測量設備工作正常。極 II直流線路電壓 UDL在線路故障前為-500kV，故障后才發生變化，說明直流電壓測量設備工作正常。

故障發生 10ms后，極II直流線路電壓 UDL由-500kV轉變為正電壓，并維持在 400kV至 700kV之間波動，極II直流電流在536A至3000A之間波動，并且持續時間約 100ms，滿足功率反向保護 I段及II段動作條件。

由以上分析判斷，功率反向保護動作正確，但正常情況下的直流再起動波形如圖 4所示。由圖 4可以看到，當系統觸發角 α從 13°移相至 160°（緊急移相）后，換流閥由整流轉為逆變，直流系統能量通過換流變向交流系統釋放。一般情況下，直流線路能量能夠迅速釋放，直流線路電壓 UDL、電流IDL迅速降為零，這與本次江陵站雷擊故障后的電流電壓波形有很大不同。圖3中的故障波形在觸發角α變為 160°后依然能夠維持一定幅值的線路電壓UDL與線路電流IDL，表明雷電能量仍然在繼續釋放。由此判斷本次江陵站功率反向保護動作可能是由于故障發生時天氣惡劣且雷雨交加，帶電云層容易向與其極性相反的直流極線放電造成。放電后，雷電能量在換流閥轉為逆變后繼續釋放并達到功率反向保護動作條件，從而引起功率反向保護動作。

3 雷電流泄流分析

經查極 II直流線路在故障時刻遭受正電荷雷擊。當正電荷雷擊中極II直流線路時，雷電波沿線路傳播。由于江陵站站內無避雷器動作，故雷電波無法通過避雷器將雷電能量泄入大地，只能繼續沿線路傳播到江陵站內，查看極II故障錄波圖如圖5所示。

圖3 極II故障錄波圖

圖4 正常雷擊故障錄波圖

正雷電波傳播到站內后，在緊急移相未開始前極II直流線路電壓 UDL受正雷電波影響由原來的-500kV變為+500kV。由于此時換流閥還處在整流狀態，UDN同時被抬高到約450kV。極II直流場區域內各測量電流均受雷電波影響出現較大的峰值。之后直流線路再起動邏輯開始緊急移相，觸發角 α變為160°。此時換流閥變為逆變狀態，雷電能量開始通過逆變過程經換流變向交流系統釋放。

緊急移向后至極II換流變交流進線開關跳開前，由圖5可以清楚地發現，當α角變為160°后，UDL經過一個較大電壓幅值的峰值后電壓從約550kV逐步震蕩衰減，直至換流變交流側進線開關跳開。隨著雷電能量向交流系統釋放IDL、IDP、IDNE、IDNC均出現震蕩衰減。圖5中IDL、IDP、IDNE、IDNC幅值及方向基本相同，表明雷電流流經以上4個測點且在以上4個測點范圍內無其他主要泄流通道。

查看極II換流變閥側電流如圖6所示，由圖6看出換流變閥側電流在緊急移相后至交流開關跳開前有電流存在，證明在此期間的雷擊能量通過換流變往交流系統釋放。由以上分析及圖5各電流方向可推斷出在緊急移相至交流開關跳開期間的雷電流泄流回路如圖7所示。

雷電流流經換流閥后與接地極電流合流，流入極 I中性母線，完成泄流過程。在緊急移相發生約270ms后，極II換流變進線側開關跳開。此時雷電波能量無法繼續送往交流系統，逆變過程停止。雷電波少量殘余能量繼續保存在線路上并將線路電壓保持在110kV左右。

查看極II中性線沖擊電容電流ICN如圖8所示，極II直流線路故障發生時刻，流過沖擊電容電流劇增，后震蕩衰減為零，說明極II直流線路部分能量通過沖擊電容進行釋放。

查看極II直流濾波器電流如圖9所示，在極II極母線電壓 UDL發生翻轉后，兩組直流濾波器穿越電流也發生劇烈波動，說明部分雷電流穿越直流濾波器直接入地。當然故雷電流除圖7的泄流通道外，還有少部分雷電流通過沖擊電容器及直流濾波器流入大地。

圖5 極II故障錄波圖

圖6 換流變閥側電流波形

圖7 緊急移相至交流進線開關跳開前雷電流回路圖

圖8 沖擊電容故障錄波圖

圖9 直流濾波器穿越電流錄波圖

4 仿真實驗

為驗證以上功率反向保護動作分析的正確性，下面將在數?；旌戏抡嬖O備上進行如下仿真試驗。仿真條件如下：直流雙極運行，雙極功率控制，模擬極 I發生線路故障時，在線路靠近逆變側加入一個帶諧波的直流電壓源。在上述條件作用下，仿真波形如圖10所示。

試驗結果顯示，此時整流側檢測到直流電流及直流電壓，滿足功率反向保護動作條件，直流未完成重起動即閉鎖。將圖10與圖5對比，電壓UDL，電流IDNE和IDNC波形變化趨勢基本一致，仿真試驗基本重現了江陵站極II功率反向保護動作的現象。

5 結論

通過仿真試驗表明，江陵站極II線路故障后直流電壓反向短時達到700kV且由于滿足功率反向保護動作閉鎖極II直流極，其原因是由于雷擊或雷雨云產生的感應電壓使得極II線路發生閃絡，閃絡所產生的電弧無法熄滅，同時直流線路壓差形成電流使得整流站變成逆變運行，形成電流環流回路，最終導致江陵站功率反向保護動作閉鎖直流，功率方向保護動作正確。

圖10 模擬極II發生接地故障后極線上加入一個電壓源后功率反向保護閉鎖整流站波形

[1]田杰.高壓直流控制保護系統的設計與實現[J].電力自動化設備,2005,25(9)：10-14.

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[J].北京：中國電力出版社,2004.

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