換流站換相失敗保護原理分析

宋臻吉，邢海文，馬龍，程寧

（1.國網山東省電力公司檢修公司，山東青島266300；2.國網山東省電力公司，濟南250001）

換流站換相失敗保護原理分析

宋臻吉1，邢海文2，馬龍1，程寧1

（1.國網山東省電力公司檢修公司，山東青島266300；2.國網山東省電力公司，濟南250001）

換相失敗是換流站常見的故障之一。對換相原理進行闡述，以直流工程實際故障波形為基礎，對比分析交流系統電壓跌落、控制脈沖故障引起換相失敗的問題。分析膠東換流站換相失敗保護的設計思路，對分析換相失敗故障有一定幫助作用。

換相失敗；電壓波動；保護設計

0 引言

±660 kV銀東直流輸電系統投運以來，膠東換流站每年都會多次出現換相失敗的問題。換相失敗會導致逆變器直流側短路，使直流電壓為零、直流電流增大、直流系統輸送功率減少；若換相失敗后控制不當，還會引發連續的換相失敗，導致換流閥壽命縮短、換流變壓器直流偏磁及逆變側弱交流系統過電壓等不良后果。

1 換相失敗保護

逆變器接線原理圖如圖1所示，其輸出的電壓波形，如圖2所示。逆變器與整流器最主要的區別在于逆變器是利用加在晶閘管上的交流電壓處于負半周時使晶閘管導通，此時直流平均電壓Vdn為負值，電流可沿著回路流通。

圖1 逆變器原理接線

圖2 逆變器的電壓波形

晶閘管V1在ea負半周時才觸發導通，T1時刻前V5和V6導通。ea是V1的陽極電位，雖然它處于低電位，但由于外加直流電壓Vdn在陰極通過V5的導通提供了一個更低的電位ec，所以V1處于正向電壓，一經觸發即可導通。當然，要實現V5向V1換相，必須滿足ec＜ea。由于在自然換相點C4之后ec＞ea，因此換相必須在c4點之前完成，否則V1在反向電壓作用下將會被關斷。

在換相結束（V5關斷）T2時刻到最近一個自然換相點（C4）之間的角度稱為熄弧角γ（又稱關斷角）。由于閥在關斷之后還需要一個使載流子復合的過程，因此熄弧角必須足夠大，使換流閥有足夠長的時間處于反向電壓作用之下，以保證剛關斷的閥能夠完全恢復阻斷能力。由于整流器在電流關斷后的較長時間處于反向電壓之下，熄弧角較大，所以僅當觸發電路發生故障時，整流器才會發生換相失敗。如果熄弧角太小，在過C4點后V5又承受正向電壓，而此時載流子尚未復合完，則V5不經觸發就會導通，使V1承受反向電壓而被迫關斷，從而發生換相失敗［1］。這就要求逆變器的熄弧角必須有一個最小值γmin，其大小為閥恢復阻斷能力所需時間加上一定的裕度，一般為15°或更大一些，膠東換流站熄弧角γ為17°。

熄弧角γ的計算公式：

式中：μ為換相角，（°）；Id為直流電流，A；Xr為換相電抗，Ω；E為換相電壓，V；γ為關斷角，（°）；β為觸發越前角，（°）。

由此可見，直流電流、換相電抗、換相電壓和觸發越前角都會影響逆變器的熄弧角。換相失敗發生的原因主要有交流系統電壓畸變和控制系統觸發脈沖異常兩種情況。當逆變側交流系統發生故障時，直流系統控制器的響應和換流變壓器的變比變化都需要一定的時間，所以故障瞬間β保持不變。由式（1）、式（2）和圖2可見，當其他變量不變時，U的降低將使熄弧角γ減少，從而導致換相失敗［2］。

換相失敗保護，用于檢測換流器的換相失敗故障，其配置原理如圖3所示，圖中IVY、IVD對應的換流閥組即Y橋和D橋。通過判斷直流電流IDP、IDNC，換流變壓器閥側電流IVY、IVD，執行告警，增大γ角，切換極控系統，持續的換相失敗會導致通過換流閥的電流過大，直流電流經較長時間進行重新起動，引起極閉鎖。

圖3 換相失敗保護配置原理

2 典型換相失敗保護原理

膠東換流站換相失敗軟件邏輯設計與國內其他換流站一致，即判斷直流電流、換流變壓器閥側電流，根據上述電氣量的關系，引起不同的動作后果，具體保護判據為

其中：

式中：ID為閥廳高壓側直流電流測量值和閥廳中性母線側直流電流測量值的較大值，A；IVY是Y橋對應換流變壓器閥側電流計算值，A；IVD是D橋對應換流變壓器閥側電流計算值，A；Ia、Ib、Ic為換流變壓器閥側套管實際值，A；1.11和0.74分別為程序中設定的平衡系數。

軟件邏輯采用STRUC G可視化圖形編程工具，如圖4所示。

圖4 換相失敗軟件邏輯

換相失敗分為單橋換相失敗和任意橋（雙橋）換相失敗兩類。雙橋換相失敗根據故障特性又分為連續換相失敗和間斷性換相失敗，針對上述故障雙橋換相失敗保護分成快速段、慢速Ⅰ段和慢速Ⅱ段。

3 換相失敗案例分析

3.1 銀東直流膠東換流站交流側故障引起換相失敗

2014－06－14T06∶31∶06和2014－06－14T06∶31∶08，膠東換流站連續發生兩次雙極換相失敗告警。檢查站內設備無異常，故障原因是青島地區220 kV宜午線發生A相永久性接地故障，線路單相跳閘重合閘不成功，引起交流系統電壓波動。如圖5故障錄波文件所示。T1即第一次換相失敗故障時刻，T2為第二次換相失敗故障時刻。

圖5 換相失敗發生時交流側故障波形

以第二次換相失敗波形為例分析，換流閥Y橋先發生換相失敗，D橋后發生換相失敗。換相失敗發生時交流側故障波形如圖6所示。故障前Y橋Y1、Y2導通，故障時刻06∶31∶08∶037900，當Y1向Y3換相時，由于A相電壓跌落導致熄弧角減小，因此Y3導通后，由于Y1閥未完全關斷，在Ua＞Ub后，Y1再次導通Y3關斷，Y4在Y3觸發后3.3 ms觸發，因此Y1Y4形成旁通，換流變壓器Y側三相短路。Y5觸發脈沖發出時，Y5承受反向電壓無法導通，直到Y5換相至Y1，Y4換相至Y6，換流變壓器閥側短路才恢復正常狀態。

圖6 換相失敗發生時交流側故障波形

圖7 換相失敗發生時直流側故障波形

根據圖7故障波形可知，06∶31∶08∶037900時刻，γ角已經跌落至11.58°；持續4 ms后，由換相失敗預測功能起作用，使γ角增大至19°，但是交流系統故障電壓波動依然存在，致換相失敗發生。

3.2 控制脈沖丟失引起換相失敗仿真分析

RTDS全稱為實時數字仿真系統，用于研究電力系統中的電磁暫態現象等。如圖8所示，模擬膠東站單閥丟一個觸發脈沖故障。故障前，Y5、Y6導通，在Y5向Y1換相時（圖中T1時刻），Y1觸發脈沖丟失，導致Y1不能導通，自然換相點之后，Y5又承受正向電壓而繼續導通，Y1觸發脈沖丟失3.3 ms后Y2觸發，Y6向Y2換相（T2時刻），Y2承受正向電壓Ub＞Uc，故Y2、Y5旁通，Y橋直流側短路；而后Y3觸發脈沖到來時，由于Y2、Y5旁通導致Y3承受反向電壓不導通，直到Y3換向Y5，Y2換向Y4，換流變壓器閥側短路才恢復正常狀態。

圖8 丟失1個Y1觸發脈沖故障波形

如圖9所示，通過RTDS仿真，模擬膠東站Y橋閥1、D橋閥1連續丟觸發脈沖故障。連續的換相失敗使換流變壓器交流側電流呈規律的故障波形。逢Y1、D1脈沖丟失，發生換相失敗，且Y2、D2導通時形成旁通，換流變壓器閥側三相短路。

圖9 Y1、D1連續丟觸發脈沖故意波形

分析直流側故障特征，換相失敗使直流電流增大2～3倍，直流電壓跌至零，當控制脈沖恢復正常后，故障能夠很快恢復。現場運行過程中，換相失敗保護作用檢測此類故障，300 ms內連續換相失敗直流系統將閉鎖。

綜上所述，若為交流系統電壓畸變引起的換相失敗，有以下特征。

1）通過故障錄波查看交流電壓，交流電壓存在畸變；

2）換相失敗發生時，若關斷角先減小后發生換相失敗，這說明由于交流電壓的畸變，使關斷角減小發生換相失敗，與控制系統無關；

3）交流電壓畸變引起的換相失敗，在雙極、單極或是單極一個6脈動逆變器都有可能出現，雖然交流電壓對應雙極直流系統，但是由于測量或控制的微小差異，時間很短的電壓波動時，對換相失敗的判別會產生差異，不一定完全一致。

4 結語

針對膠東站幾種換相失敗類型，結合現場實際故障波形，對比分析仿真試驗波形，總結外部交流系統擾動和控制脈沖故障情況下典型的故障波形。同時結合膠東站換相失敗保護的軟件邏輯，明確系統擾動導致的換相失敗，雖然對直流系統有不良影響，但是換相失敗保護功能正常情況下，不會造成設備損壞、直流系統停運等嚴重故障。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［2］浙江大學直流輸電科研組.直流輸電［M］.北京:電力工業出版社，1982.

Commutation Failure Protection Principle in Convertor Station

SONG Zhenji1，XING Haiwen2，MA Long1，CHENG Ning1
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Qingdao 266300，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

Commutation failure is one of the common faults in convertor stations.Principle of commutation failure is introduced. On basis of analyzing the fault waveform in HVDC system，the commutation failure caused by AC system faults is compared with the one which is caused by firing pulse faults.The protection design ideas relevant to the commutation failure are analyzed，which have reference significance for future failure analysis.

commutation failure；voltage fluctuation；protection design

TM711

B

1007－9904（2015）05－0045－04

2014－12－10

宋臻吉（1986），男，從事直流換流站檢修工作；

邢海文（1979），男，高級工程師，從事交、直流電力生產管理；

馬龍（1976），男，高級工程師，從事交、直流電力生產管理；

程寧（1982），男，從事直流換流站檢修工作。