換流器閥側零序電壓保護異常原因分析及對策

趙曉明，華 文

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

換流器閥側零序電壓保護異常原因分析及對策

趙曉明，華 文

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

通過對一起舟山±200 kV多端柔性直流輸電工程換流站啟動試驗中換流器閥側零序電壓保護的異常動作波形分析，找到保護動作異常的原因是：在有源HVDC（高壓直流輸電）運行模式下，換流閥不控充電完成后，充電電阻旁路閘刀三相不同步合閘產生的零序基波電壓將大于保護定值。分析表明，抬高零序電壓保護動作定值，同時加入三次諧波制動判據，可以有效防止換流器閥側零序電壓保護誤動。

多端柔性直流輸電；高壓直流輸電；零序電壓保護；三次諧波制動

1 保護系統概要

舟山±200 kV多端柔性直流輸電示范工程是我國也是全世界首個五端柔性直流輸電工程，分別于舟山本島、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島設置換流站，換流站的直流電壓等級為±200 kV，容量分別為：舟定換流站400 MW、舟岱換流站300 MW、舟衢換流站100 MW、舟洋換流站100 MW、舟泗換流站100 MW。換流站采用基于模塊化多電平技術的電壓源換流器，各換流站間采用海纜連接。柔性直流輸電工程的保護系統采用雙重化保護配置，即PCPA和PCPB 2套保護控制系統，每套保護均采用“啟動+保護”的出口邏輯，啟動和保護裝置從采樣、保護邏輯到出口的硬件設備完全獨立，只有起動通道開放，同時保護通道達到動作定值才會出口，每套保護系統均能確保單一元件損壞時本套保護不誤動。保護系統共有3個層次，即系統級、換流站級和換流器級。由于每個保護對象故障導致的后果均會對整個系統產生影響，不存在單獨切除交流保護對象的可能性，因此將系統級、換流站級和換流器級的保護系統配置在同一主機內，以方便各層保護之間的數據交互，提高保護系統的可靠性，同時也有利于保護控制系統與VBC（閥控系統）的接口界定。保護系統按被保護的一次設備分為數個保護區：站內交流連接母線區主要對聯接變壓器與換流器之間的交流母線進行保護；換流器區主要對換流器、換流器與交流母線的部分連接線路以及橋臂電抗器進行保護；直流場保護區主要對直流輸電線路以及直流線路上串聯的直流電抗器和共模抑制電抗器等設備進行保護。以換流器保護為例，換流器區主要配置了交流過流保護、橋臂過流保護、橋臂電抗器差動保護、閥側零序分量保護、閥差動保護和橋臂環流保護等。

2 閥側零序電壓保護誤動實例

在舟泗換流站有源HVDC方式下對換流器進行不控充電試驗時，發現PCPB報“交流閥側零序電壓保護動作”，而PCPA則未有任何故障信息報出。

雖然PCPB報“交流閥側零序電壓保護動作”，但是保護并未出口，換流閥未閉鎖，聯接變壓器交流斷路器也未跳閘。調取錄波圖進行分析，發現PCPB的保護元件動作，但啟動元件未動作；而PCPA的保護元件未動作，啟動元件也未動作。當時控制系統運行模式為A系統運行、B系統備用。因為控制保護完全采用雙重化的保護配置，即每套保護都采用“啟動+保護”的出口邏輯，所以當僅有“保護”動作而“啟動”未動作時，保護不出口是正確的。查勘一次設備，并未發現任何異常，表明“交流閥側零序電壓保護動作”很可能是保護動作異常。

交流閥側零序電壓保護動作波形如圖1所示。圖中UA，UB，UC為閥側C相電壓，iA，iB，iC為聯接變壓器的閥側三相電流，3U0為閥側零序電壓，3U0-RMS為閥側零序電壓基波有效值，TR1為交流閥側零序電壓啟動元件，TR2為交流閥側零序電壓保護元件。iA，iB，iC是在聯接變壓器閥側充電電阻旁路閘刀合閘時產生的暫態充電電流，從圖1可以看出三相電流并非同時出現，而是C相電流先出現，200 ms后A相電流出現，500 ms后B相電流出現。從三相電流出現時刻不一致，可以推斷出旁路閘刀合閘不同步，C相先合閘，隨后A相合閘，最后B相合閘。伴隨著旁路閘刀的先后合閘，閥的充電回路出現了三相不對稱，導致閥側C相電壓UC降低，UA和UB抬高，出現了明顯的不平衡電壓3U0。圖1顯示3U0-RMS在C相合閘后迅速抬升至0.44 p.u.，150 ms后仍有0.39 p.u.。根據PCP保護整定定值，當不平衡電壓3U0基波電壓大于0.4 p.u.，且持續150 ms不小于0.38 p.u.后，保護動作。顯然此時已經達到保護動作定值，PCPB保護動作元件TR2在不平衡電壓產生150 ms后觸發并展寬了100 ms返回，TR1沒有觸發是因為啟動元件與保護元件的采樣模塊是完全獨立的，啟動元件在150 ms后剛好小于0.38 p.u.，所以啟動元件未動作。

圖1 交流閥側零序分量保護動作波形

3 交流閥側零序電壓保護的改進

由上述分析可知，在有源HVDC不控充電運行方式下，充電電阻旁路閘刀合閘時極易發生交流閥側零序電壓保護誤動。必須完善和改進交流閥側零序電壓保護動作的判據和邏輯，優化整定定值。

分析圖1可以看出：3U0在旁路閘刀合閘過程以及合閘完成的前后均含有豐富的三次諧波成分，保護動作時的閥側零序電壓諧波含量如圖2所示。

對3U0電壓進行頻譜分析可知，在充電電阻旁路閘刀C相已合閘而另外2相還未合閘的t1時刻，三次諧波達到了基波的86%；在A相合閘后的t2時刻，三次諧波達到了基波的175%；在3相都已經合閘的t3時刻，基波含量接近于零，波形幾乎全部是三次諧波分量。由此可以得出如下結論：在旁路閘刀合閘過程中，三相閘刀合閘時間不一致，將導致聯接變壓器閥側產生零序電壓，且零序電壓含有大量的三次諧波分量。

為驗證閥側區內區外接地故障時的諧波分量特征，利用PSCAD進行了仿真。圖3為區內單相接地故障的零序電壓仿真波形，圖4為區外單相接地故障的零序電壓仿真波形。分析得知，在聯接變壓器閥側區內單相接地故障時，基波電壓含量接近于1.0 p.u.，而三次諧波含量極低；在聯接變壓器閥側區外單相接地故障時，基波電壓含量約0.34 p.u.，三次諧波含量也非常低。因此，可以利用三次諧波作為制動判據來完善保護邏輯，即當三次諧波含量大于給定的定值后，閉鎖交流閥側零序電壓保護，只有當基波電壓大于定值且三次諧波含量低于定值時保護才動作。分析圖3、圖4可以得知，區內故障時零序電壓基波分量要遠大于區外故障，因此可以抬高基波電壓定值來躲開區外故障。

圖2 閥側零序電壓諧波含量

圖3 區內單相接地故障時零序電壓仿真波形

圖4 區外單相接地故障時零序電壓仿真波形

4 結語

通過對交流閥側零序分量保護動作波形圖和區內區外單相接地故障時零序電壓仿真波形圖的分析，可以得知：聯接變壓器閥側接地故障時，無論區內區外，其基波零序電壓都將顯著上升，而三次諧波零序電壓分量幾乎為零；HVDC不控充電時，在合旁路閘刀的過程中會產生基波零序電壓，也會有大量的三次諧波分量，因此在保護判據中增加三次諧波制動判據，同時抬高基波零序電壓保護的動作門檻，就可以有效防止交流閥側零序分量保護誤動。

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（本文編輯：龔 皓）

Cause Analysis and Countermeasures on Maloperation of Zero-sequence Voltage Protection at Converter Valve Side

ZHAO Xiaoming，HUA Wen
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The paper introduces maloperation of zero-sequence voltage protection at converter valve side during startup test in converter station of Zhoushan±200 kV multi-terminal VSC-HVDC project.By waveform analysis，it is found that in the operation mode of active HVDC when uncontrolled charging of converter valve is finished，zerosequence voltage of fundamental wave caused by three phase asynchronous closing of charging resistor bypass switch is larger than the protection setting.The analysis shows that protection maloperation of zero-sequence voltage at converter valve side can be effectively prevented by means of rising the protection setting of zero-sequence voltage and adding criterion of third harmonic restraint.

multi-terminal VSC-HVDC；HVDC；zero-sequence voltage protection；third harmonic restraining

TM862+.3

B

1007-1881（2015）08-0001-04

2015-04-12

趙曉明（1976），男，高級工程師，從事電力系統繼電保護及控制相關工作。