±800 kV楚穗直流雙極平衡運行方式下單極閉鎖時接地極過電壓分析

徐 松

（中國南方電網超高壓輸電公司安寧局,昆明 650000）

楚穗直流輸電工程是世界上第一個±800kV、輸電容量5000MW的特高壓、大容量直流輸電工程，承擔著云電送粵的重要責任，其安全穩定的運行將直接影響著廣東地區部分負荷的正常供應。在雙極平衡運行方式下，楚穗直流多次發生單極閉鎖故障后接地極線路過電壓現象，這一故障現象將會導致接地極線路閃絡，導致站內設備損傷，并有可能使得另一極也發生閉鎖現象，影響楚穗直流的正常輸電。因此通過對故障實例的具體分析故障原因及導致后果，并通過建模分析提出改進意見，對楚穗直流安全穩定運行有著重要意義。

1 故障介紹及分析

1.1 故障介紹

2012 年12 月15 日，在進行楚穗直流工程孤島調制的準備工作中，操作極1 高端閥組由定角度控制方式切換為定Udio 控制方式，切換完成一段時間后，該極低端閥組的F5 避雷器（M 型避雷器）過熱損壞，楚穗直流極I 的87DCM 和87CSD I 段保護動作，將極I 雙閥組退至備用狀態，直流功率轉移至極2 運行。在隨后極II 單極運行期間，接地極線路保護60EL動作，將極II 雙閥組強制移相并重啟成功。

在極I 閉鎖2s后接地極線路不平衡保護動作將極II 強制移相并重啟成功，通過錄波可知在極I 閉鎖后兩條接地極線中流過電流差別較大達到60EL-2 保護定值且持續時間超過2s 從而導致60EL-2 保護動作。

圖1-1 60EL 保護動作錄波分析

1.2 故障分析

F5避雷器損壞后形成極I低端閥組200kV母線短路故障，在中性母線上將產生過電壓，由于接地極線路絕緣水平小于中性母線的絕緣水平，因此該過電壓極有可能造成接地極線路閃絡從而導致接地極線路不平衡保護動作。事后的巡線結果也證實了這一點。極I低端閥組200kV母線接地短路過程中中性母線上的過電壓錄波結果如圖所示。從圖中可以看出其最后一條紅線對應的時刻即為接地極線路閃絡的時刻，該時刻中性母線的過電壓為170.47kV，從圖中可以看出中性母線電壓從零值附近上升到閃絡時刻的時間為2.8ms，因此，可認為作用在接地極線路上的過電壓是一個波頭時間為2800μs，幅值為170.47kV 的操作波。

由于楚雄換流站接地極線路裝設了0.4m 的招弧角，其正極性雷電沖擊耐受為150kV，負極性雷電沖擊耐受為-160kV。當外施電壓為波頭時間更長的操作波時其耐受電壓將進一步降低，因此中性母線上產生的過電壓能夠引起接地極線路的閃絡。接地極線路入口處裝有一臺E 避雷器，該避雷器主要是用于來自接地極線路的雷電侵入波保護，其主要目的是保護中性母線設備的。即中性母線和接地極線的絕緣設計不匹配，中性母線避雷器不能防止在類似工況下接地極線發生閃絡。

圖1-2 極1 閉鎖過程中中性母線對地電壓波形

目前±800kV 電壓等級接地極線路招弧角的操作沖擊電壓耐受水平相當于交流35kV 電壓等級，800kV 換流站中性母線的操作沖擊電壓耐受水平相當于交流110kV 電壓等級，存在兩者操作沖擊電壓耐受水平不匹配的問題。中性母線避雷器的保護水平高于接地極線路的招弧角閃絡電壓，發生直流線路極線因雷擊閃絡等原因導致接地故障時，接地極線路可能會閃絡。雙極對稱運行時，如果故障極重啟成功則可以清除接地極線路閃絡，如果故障極不允許重啟則接地極線路閃絡故障需要依靠健全極重啟來實現。就楚穗工程而言，聯網方式下，根據目前電網安全穩定研究的結論，一極閉鎖后15 分鐘內另外一極不允許重啟。在孤島運行方式下，單極閉鎖后另外一極短時間內重啟引起的交流過電壓過高，過電壓保護動作會切除大組濾波器引起雙極閉鎖。即，單極故障有引起雙極相繼閉鎖的風險。

為評估中性母線和接地極線路操作沖擊電壓耐受水平不匹配的程度，主要對楚穗直流工程發生站內接地故障時，接地極線路沿線操作過電壓水平進行了計算。

2 建模分析計算

2.1 計算條件

運行方式選擇

中性母線和接地極線路操作沖擊耐受水平不匹配引起的主要問題是：雙極運行時，一極發生故障引起接地極線路閃絡，如果故障極不允許重啟（例如站內接地故障）或重啟失敗，則接地極的故障電流無法自清除，直至中性母線差流保護動作，閉鎖或重啟健全極，根據目前電網安全穩定研究的結論，在單極閉鎖后15分鐘內不允許另外一極重啟，即單極故障會引起雙極閉鎖。

單極大地運行方式下，極母線接地故障或雷擊引起接地極線路閃絡，只要閉鎖該極，接地極線路上的電弧就會熄滅，然后會重啟成功。

單極金屬運行方式下，逆變站接地極線路僅提供電位參考，無直流工作電流，即使接地極線路閃絡，也不會有續流存在，可以不考慮。但整流站站內金屬回線母線絕緣水平相當于交流110kV 等級電壓，若雷擊金屬回線導致站內金屬回線母線閃絡，則導致金屬回線與大地并聯，流經大地的工作電流，同樣可導致接地點的故障電流不能熄滅，直至保護動作閉鎖閥。

綜上，考慮雙極運行方式作為研究的基本運行方式。

交流系統短路容量選擇

根據理論分析和絕緣配合研究的結果，選擇最大系統短路容量，5000MW 作為校核的基礎。

故障選擇

選擇了可能引起中性母線過電壓的各種典型工況進行了計算。包括：直流線路接地故障、直流母線接地故障、閥廳出口處極母線接地故障、各換流變2 次側接地故障，各換流器連接母線接地故障。

建模

模型使用詳細 EMTDC 模型，考慮了除濾波器避雷器外的所有避雷器，仿真中不考慮接地極線路閃絡。計算模型中，楚雄站、穗東站的接地極線長度為106km、95km。

2.2 楚雄站計算結果

表1-1 給出了楚雄站的過電壓計算結果，表中各故障點的描述均基于楚雄站。E0是指中性母線處，E1 距離換流站十分之一接地極線路長度處，依次類推。從表中可以看出，沿線的過電壓水平與距離接地極的距離基本上成正比。幾乎站內所有故障下的過電壓水平都超過了接地極線路招弧角的閃絡電壓（約150kV）。圖1-1 給出了表1-1 中各點最大過電壓沿線的變化趨勢。

表1-1 各種故障下楚雄站接地極線路沿線操作過電壓水平

圖1-1 楚雄站接地極線路沿線操作過電壓水平及操作沖擊耐受水平要求曲線

2.3 穗東站計算結果

表1-2 給出了穗東站的過電壓計算結果，表中各故障點的描述均基于穗東站。E0是指中性母線處，E1 距離換流站十分之一接地極線路長度處，依次類推。從表中可以看出，沿線的過電壓水平與距離接地極的距離基本上成正比。幾乎站內所有故障下的過電壓水平都超過了接地極線路的閃絡電壓（約150kV）。圖1-2 給出了表1-2中各點最大過電壓沿線的變化趨勢。

表1-2 各種故障下穗東站接地極線路沿線操作過電壓水平

圖 1-2 穗東站接地極線路沿線操作過電壓水平及操作沖擊耐受水平要求曲線

2.4 建模結果分析

對上述兩表的分析可知，送端的過電壓水平高于受端。正常功率傳輸方式下,楚雄站的過電壓水平高于穗東站。為使接地極線路和中性母線的絕緣水平相匹配，常規規律傳輸方向下，需要改造接地極線路，使其耐壓水平滿足實際的過電壓水平。

3 結論

（1）降低E型避雷器額定電壓后，E2型避雷器約需增至120柱并聯。避雷器的并聯柱數過多，均流問題難以解決，在發生故障時部分避雷器的熱崩潰仍然會使得對地閃絡發生。因此，不推薦改造中性母線避雷器以使其和現有的接地極線路絕緣水平匹配。

（2）推薦的永久性解決方案為改造接地極線路絕緣配置、提高接地極線路絕緣水平，以使其和目前E型避雷器的保護水平和中性母線的絕緣水平相匹配。楚雄和穗東站推薦提高距離換流站0～約60%接地極線路長度范圍內的接地極線路的絕緣水平。

[1] GB/T_311.3_2007 絕緣配合[S].第3 部分：高壓直流換流站絕緣配合程序.

[2] 楚雄換流站運行規程[Z].

[3] ±800kV直流換流站運行技術[M].中國電力出版社，2011.