換相失敗對暫態(tài)功率的影響分析及對策

摘要：換相失敗是高壓直流輸電系統(tǒng)中最常見的故障之一。由于交直流系統(tǒng)的相互作用，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗時，容易引發(fā)交流系統(tǒng)中出現(xiàn)暫態(tài)功率倒向問題，進(jìn)而引起縱聯(lián)方向保護(hù)的誤動。在換相失敗的環(huán)境下，即使單回線也會出現(xiàn)功率倒向的問題。對原因進(jìn)行了分析，然后利用EMTDC-PSCAD計算兩側(cè)功率在換相失敗情況下的變化情況，得出了換相失敗可能會引起故障相拒動、非故障相誤動這一結(jié)論。由于分相電流差動保護(hù)從原理上不受換相失敗的影響，建議在交直流混聯(lián)系統(tǒng)中采用分相電流差動保護(hù)。

關(guān)鍵詞：直流輸電；換相失??；暫態(tài)功率倒向；分相電流差動保護(hù)

作者簡介：邱明瑋（1976-），男，北京人，國網(wǎng)北京市電力公司昌平供電公司營銷部，工程師；李干（1988-），男，河南商丘人，國網(wǎng)北京市電力公司昌平供電公司維修部，工程師。（北京 102206）

中圖分類號：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0231-02

直流輸電傳輸容量大、線路走廊利用率高，社會的綜合效益突出。在我國，交直流互聯(lián)系統(tǒng)已成為輸電技術(shù)的發(fā)展方向。但由于交直流系統(tǒng)的相互作用，交流系統(tǒng)故障很容易造成換相失敗的發(fā)生，由換相失敗派生的電氣故障分量已成為影響交流側(cè)繼電保護(hù)誤動的不可忽視的重要因素。

文獻(xiàn)[1]基于PSCAD/EMTDC仿真研究了電流、電壓、功率等交流故障特征量和直流系統(tǒng)的相應(yīng)特性，并分析了交流系統(tǒng)暫態(tài)功率倒向的機(jī)理以及對繼電保護(hù)的影響。文獻(xiàn)[2]指出電氣距離較近的多饋入直流系統(tǒng)，交流側(cè)故障可能導(dǎo)致兩換流站同時發(fā)生換相失敗故障，并導(dǎo)致?lián)Q流站鄰近多條交流線路發(fā)生功率倒向。隨著我國高壓直流輸電的進(jìn)一步發(fā)展，直流系統(tǒng)對交流保護(hù)的影響問題會越發(fā)突出。特別是在故障情況下所表現(xiàn)出的交流電氣故障特征變化，給傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)領(lǐng)域提出了新的課題。因此，應(yīng)深入研究交直流互聯(lián)電網(wǎng)中直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)并解決這些給交流系統(tǒng)帶來的負(fù)面效應(yīng)，以保障交直流互聯(lián)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

傳統(tǒng)的功率倒向問題一般出現(xiàn)在雙回線中的非故障線上，但換相失敗期間功率倒向問題呈現(xiàn)出了新的特點(diǎn)。本文在總結(jié)前人的工作基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論的是單回線功率倒向的問題。利用標(biāo)準(zhǔn)國際大電網(wǎng)會議中的HVDC仿真標(biāo)準(zhǔn)測試模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過提取三相電流和電壓以及電壓、電流間的相角，進(jìn)而計算出每相的功率，此時可以明顯看出功率倒向的現(xiàn)象。針對換相失敗對繼電保護(hù)的影響提出了應(yīng)對措施。

一、換相失敗對暫態(tài)功率的影響分析

在分析交直流互聯(lián)系統(tǒng)的相互影響時，一般把直流系統(tǒng)等效為由換流母線電壓控制的壓控流源。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗時，直流系統(tǒng)在控制作用下產(chǎn)生“持續(xù)的快速動態(tài)變化”，此時等值的壓控流源表現(xiàn)出快速性和復(fù)雜性，使得流入交流系統(tǒng)的電流幅值和相位都發(fā)生了快速改變，因此流入交流系統(tǒng)的功率也產(chǎn)生了較大的改變。

傳統(tǒng)的功率倒向問題一般是指在雙回線路中，當(dāng)故障線路一側(cè)斷路器跳開后，非故障線路會出現(xiàn)功率倒向的現(xiàn)象。但在換相失敗期間，單回線也會出現(xiàn)功率倒向問題，下面就單回線功率倒向問題進(jìn)行研究。

通過圖1，可以這樣描述換相失敗對暫態(tài)功率的影響：假設(shè)C相在F點(diǎn)發(fā)生了單相接地故障，并且引發(fā)了直流系統(tǒng)換相失敗。在換相失敗期間通過斷路器B1的功率方向可能發(fā)生變化：即由正方向（由B1流向F）變?yōu)榱朔捶较颍‵流向B1），此時B1側(cè)發(fā)出閉鎖信號，導(dǎo)致縱聯(lián)方向保護(hù)拒動；對非故障相B相而言，如沒有換相失敗故障的影響，B4方向元件感受到的功率方向?yàn)榉捶较?，發(fā)出閉鎖信號，保護(hù)不誤動；但換相失敗故障可能導(dǎo)致功率方向發(fā)生改變。如果斷路器B4處方向元件的靈敏度高于B3處的方向元件，此時由于“觸點(diǎn)競賽”的緣故，非故障相的功率方向元件就可能誤動；對非故障相C相是同樣的道理。

很多學(xué)者對功率倒向的原因進(jìn)行了探討。[5-8]本文認(rèn)為造成功率反向的原因在于：當(dāng)交流側(cè)故障引發(fā)換相失敗時，由于直流系統(tǒng)的控制，使得交流側(cè)呈現(xiàn)出了與純交流環(huán)境不一樣的故障狀態(tài)，即此時流入交流系統(tǒng)的功率是由直流系統(tǒng)的快速控制（直流控制會使無功補(bǔ)償裝置和濾波器產(chǎn)生的無功功率發(fā)生劇烈變化）與交流側(cè)的故障共同決定的。這兩者的共同作用，類似于純交流系統(tǒng)中的復(fù)故障，使得功率在換相失敗暫態(tài)過程中表現(xiàn)出了不可預(yù)知性，因此可能導(dǎo)致功率出現(xiàn)倒向的問題。

二、解決措施

針對在高壓直流輸電中的功率倒向問題，很多學(xué)者都給出了解決措施。但大部分解決措施都是采取閉鎖縱聯(lián)方向保護(hù)，只是閉鎖時間長短不同而已。但由于故障波形的畸變、保護(hù)通道的延時與展寬等原因，保護(hù)發(fā)生誤動的概率仍然很大。

分相電流差動保護(hù)是對兩端電流量進(jìn)行比較，根據(jù)兩側(cè)電流的幅值和相位比較的結(jié)果來區(qū)別是否為區(qū)內(nèi)故障。當(dāng)交流線路發(fā)生故障時，無論是否發(fā)生換相失敗，非故障相流過的電流仍然是大小相等、方向相反，兩端電流的和為零；對于故障線路而言，即使發(fā)生換相失敗，此時故障線路兩側(cè)電流差異仍然較大，兩端電流的和較非故障線路大得多。電流差動保護(hù)從原理上就避開了換相失敗的影響，因此建議在與直流系統(tǒng)緊密聯(lián)系的交流系統(tǒng)中采用原理較為成熟的光纖電流差動保護(hù)。

三、仿真分析

在國際大電網(wǎng)會議（GIGRE）直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，添加了一條交流輸電線路T，仿真模型如圖2所示。

該模型為12脈動換流器，電壓等級為500kV，輸送容量為1000MW。假設(shè)在0.5s時線路T中點(diǎn)處發(fā)生了A相接地短路，過渡電阻為5Ω，此時關(guān)斷角γ最小可以達(dá)到0°，因此換相失敗發(fā)生。線路T的正序參數(shù)為：；；負(fù)序參數(shù)為：；零序參數(shù)為：，線路全長為100kM。定義換流母線處為M側(cè)，交流系統(tǒng)側(cè)為N側(cè)。

圖3、圖4分別表示的是M側(cè)、N側(cè)的有功功率隨時間的變化情況。

由圖3可知，換相失敗發(fā)生后，A相有一小段時間功率發(fā)生了功率倒向，而C相有一大段時間發(fā)生了功率倒向的問題。同樣由圖4可知，N側(cè)除了B相未發(fā)生功率倒向外，A、C兩相都發(fā)生了功率倒向的問題。

由于A、C兩相都發(fā)生了功率倒向的問題，保護(hù)可能判為A、C兩相為正常相，而B相為故障相。根據(jù)自動重合閘的原理，此時僅需跳開B相再重合即可，這就造成了保護(hù)的不正確動作。因此，換相失敗期間產(chǎn)生的功率倒向問題可能會造成故障相拒動，而非故障相誤動的發(fā)生。

四、結(jié)論

本文提出的換相失敗對功率方向的影響是基于單回線而言的，與傳統(tǒng)的功率倒向問題不同。通過分析發(fā)現(xiàn)，換相失敗期間，由于功率倒向的問題，可能會造成故障相拒動而非故障相誤動的發(fā)生。分相電流差動保護(hù)從保護(hù)原理上不受換相失敗的影響，因此建議與直流系統(tǒng)緊密聯(lián)系的交流系統(tǒng)中采用原理較為成熟的光纖電流差動保護(hù)。

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