普洱換流站極Ⅱ做線路中點(diǎn)對(duì)地故障時(shí)雙閥組跳閘的分析研究

周仁偉等

摘 要： 針對(duì)2014年1月22日普洱換流站進(jìn)行極Ⅱ線路中點(diǎn)的接地故障實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生的雙閥組跳閘事件，詳細(xì)分析了保護(hù)動(dòng)作的情況，指出所提出的直流保護(hù)方法正確和有效；并根據(jù)保護(hù)的范圍分析了可能發(fā)生故障的區(qū)域和原因，對(duì)故障區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，找出了發(fā)生故障的避雷器，表明直流線路故障保護(hù)控制協(xié)調(diào)策略相關(guān)分析的正確性，為以后類似問題的分析提供有益參考。

關(guān)鍵詞： 直流輸電； 避雷器； 行波保護(hù)； 差動(dòng)保護(hù)

中圖分類號(hào)： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）18?0147?04

Abstract： Since the bivalve group trip event occurred in pole II circuit of Puer converter station when an experiment of the midpoint ground fault was executed on 22th January 2014， the situation of protection action is analyzed in detail. The correctness and validity of the DC protection method proposed in this paper are pointed out. The areas and reasons of faults which may occur are analyzed according to the protection region. The equipments in fault region were tested， and the fault arresters were found out. It proves that the correlation analysis of the control and coordination strategy to DC transmission line fault protection is correct and effective. This scheme provides a beneficial reference for analysis of the similar problems.

Keywords： DC transmission； arrester； traveling wave protection； differential protection

0 引 言

±800 kV普僑直流是南方電網(wǎng)第二個(gè)±800 kV，輸電容量500萬(wàn)kW的特高壓，大容量直流輸電工程，工程包括普洱、僑鄉(xiāng)兩座換流站，以及普洱至僑鄉(xiāng)全長(zhǎng)1 413 km的輸電線路。其中，普洱換流站位于云南省普洱市龍?zhí)洞澹瑸槠諆S直流的整流站。直流輸電系統(tǒng)常用的運(yùn)行方式有雙極運(yùn)行方式、單極大地回線方式和單極金屬回線方式，如果需要以單極方式運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，往往會(huì)采用單極金屬回線接線方式[1?3]。然而，由于直流線路沿線地區(qū)環(huán)境污染，外力破壞以及雷擊等因素的影響，直流線路故障率逐年升高，成為直流輸電最經(jīng)常發(fā)生的故障。目前，世界上廣泛采用行波保護(hù)作為高壓直流線路保護(hù)的主保護(hù)。本文詳細(xì)分析了普僑直流金屬回線方式下線路中點(diǎn)接地實(shí)驗(yàn)中保護(hù)動(dòng)作狀況，根據(jù)保護(hù)控制策略，判斷故障區(qū)域，并找出產(chǎn)生問題的設(shè)備[4?7]。

1 普僑直流背景

普洱換流站極Ⅱ單極雙閥組金屬回線運(yùn)行的接線如圖1所示，圖中簡(jiǎn)單列出了一些電流電壓的測(cè)點(diǎn)和一些一次設(shè)備；逆變站的情況與整流站基本一致，此處忽略，只用虛線表示。本實(shí)驗(yàn)所做的線路中點(diǎn)接地故障點(diǎn)如圖中接地故障點(diǎn)所示。針對(duì)直流線路故障，本工程設(shè)置了行波保護(hù)、低電壓變化率保護(hù)、直流線路縱差保護(hù)、金屬回線縱差保護(hù)及金屬回線橫差保護(hù)。其中，行波保護(hù)作為線路接地故障的主保護(hù)，低電壓變化率保護(hù)和直流線路縱差保護(hù)作為它的后備保護(hù)；金屬回線縱差保護(hù)和金屬回線橫差保護(hù)只在金屬回線運(yùn)行方式下有效，前者主要檢測(cè)金屬回線線路上的接地故障，后者主要檢測(cè)金屬回線站內(nèi)連線上的接地故障。

行波保護(hù)通過(guò)計(jì)算直流線路電壓和直流線路電流的變化率來(lái)檢測(cè)這種故障情況。如果電壓的變化率和固定的時(shí)間內(nèi)電壓變化的幅值超過(guò)設(shè)定值，并且電流變化量也超過(guò)限定值，保護(hù)動(dòng)作將啟動(dòng)極控內(nèi)的直流線路故障恢復(fù)順序；如果超過(guò)預(yù)設(shè)的重起次數(shù)，則啟動(dòng)極閉鎖。普僑直流輸電工程中配備的行波保護(hù)原理和參數(shù)如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)時(shí)保護(hù)動(dòng)作的分析

2014?01?22，15：08：24，普洱換流站進(jìn)行極Ⅱ高端閥組系統(tǒng)調(diào)試項(xiàng)目，普洱換流站在金屬回線極Ⅱ雙閥組運(yùn)行工況下，雙極輸送功率為250 MW；對(duì)極Ⅱ線路中點(diǎn)（普僑直流極Ⅱ線路#1272與#1273塔之間）進(jìn)行瞬時(shí)金屬直接接地故障實(shí)驗(yàn)。

圖2是實(shí)驗(yàn)時(shí)錄到的行波保護(hù)判據(jù)用到的量[dUdt]，deltaU，delta_Id和行波保護(hù)輸出結(jié)果直流線路故障重啟請(qǐng)求的波形。從波形上可以看出，[dUdt]的最大值達(dá)到了125 kV以上，deltaU的最大值大于500 kV，delta_Id的最大值大于2 500 A，對(duì)照表1的行波保護(hù)判據(jù)可以看出，滿足行波保護(hù)判據(jù)的條件，所以行波保護(hù)正常動(dòng)作，向極控發(fā)送了直流線路故障重啟請(qǐng)求命令。

在只有線路中點(diǎn)瞬時(shí)金屬直接接地這一單一故障的情況下，行波保護(hù)動(dòng)作發(fā)直流線路故障重啟請(qǐng)求命令后，極控經(jīng)過(guò)一定的去游離時(shí)間后，會(huì)重啟成功，重新恢復(fù)直流運(yùn)行。但在這次實(shí)驗(yàn)中，行波保護(hù)動(dòng)作之后，極保護(hù)的中性母線差動(dòng)保護(hù)1段和極差動(dòng)保護(hù)1段也進(jìn)行了動(dòng)作，發(fā)緊急停運(yùn)命令（ESOF）到極控和組控，導(dǎo)致極Ⅱ沒有重啟成功，直流停運(yùn)。

普僑直流輸電工程中配備的中性母線差動(dòng)保護(hù)和極差動(dòng)保護(hù)原理和定值如表2所示。

中性母線差動(dòng)保護(hù)覆蓋換流器中性線側(cè)直流電流互感器和接地極出線的直流電流互感器之間的區(qū)域，檢測(cè)直流中性母線上的接地故障；極差動(dòng)保護(hù)覆蓋線路端直流電流互感器和接地極線出線的直流電流互感器之間的區(qū)域，檢測(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)的接地故障；極差動(dòng)保護(hù)是中性母線差動(dòng)保護(hù)的后備保護(hù)。

圖3是這兩個(gè)保護(hù)用到的量[IdCN，][IdLN，][IdLH]以及發(fā)出的緊急停運(yùn)命令ESOF信號(hào)的錄波圖。

從故障錄波圖3中可以看出，在極控做出線路故障順序重啟之后，極Ⅱ低壓閥側(cè)電流[IdCN]在振蕩很短一段時(shí)間后就趨向于0，而中性線電流[IdLN]在Ⅰ[IdCN]趨向于0后還在一直振蕩并且數(shù)值還比較大；而中性母線差動(dòng)保護(hù)1段在[ABSIdCN-IdLN>781 A]且延時(shí)50 ms，兩個(gè)條件都滿足的情況下動(dòng)作，發(fā)緊急停運(yùn)命令ESOF命令到極控。從故障錄波圖中可以看出，在X1到X2的區(qū)間內(nèi)，滿足中性母線差動(dòng)保護(hù)1段動(dòng)作的條件，所以中性母線差動(dòng)保護(hù)1段屬于正常動(dòng)作。

極差動(dòng)保護(hù)1段動(dòng)作同樣是由于[IdLN]沒有及時(shí)降下來(lái)，在X1到X2的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，超過(guò)了60 ms，且[ABSIdLH-IdLN>781 A] ，滿足極差動(dòng)保護(hù)1段動(dòng)作的條件，所以極差動(dòng)保護(hù)1段屬于正常動(dòng)作。

綜上所述，中性母線差動(dòng)保護(hù)1段和極差動(dòng)保護(hù)1段均滿足保護(hù)判據(jù)且達(dá)到動(dòng)作延時(shí)的時(shí)間，保護(hù)動(dòng)作正確。根據(jù)這兩個(gè)保護(hù)的范圍和分析錄波可推測(cè)，應(yīng)該是中性母線上[IdLN]和[IdCN]的兩個(gè)CT之間的這段母線上存在接地點(diǎn)。

3 故障分析和排查

圖4為普洱換流站主接線圖極Ⅱ中性母線連接圖，在[IdLN]和[IdCN]的兩個(gè)CT之間含有?F1，?F2，?F3避雷器組、平波電抗器、直流濾波器避雷器?F4和直流濾波器等設(shè)備。

當(dāng)其中任意設(shè)備對(duì)地?fù)舸┗蜷W絡(luò)時(shí)，對(duì)地之間就會(huì)形成一條通路，會(huì)有電流從這個(gè)通路分流，從而導(dǎo)致[IdLN]和[IdCN]的兩個(gè)CT之間流過(guò)的電流不等，形成兩個(gè)CT間的差流。因此，導(dǎo)致差流存在的原因可能為：

（1） 避雷器動(dòng)作導(dǎo)致分流；

（2） 中性母線?F1，?F2，?F3避雷器組及直流濾波器?F4避雷器中有個(gè)別避雷器被擊穿；

（3） 中性母線絕緣支柱發(fā)生對(duì)地閃絡(luò)；

（4） 直流濾波器存在分流。

基于以上分析對(duì)發(fā)生故障可能的原因進(jìn)行逐一排查分析。根據(jù)避雷器動(dòng)作原理，避雷器動(dòng)作的時(shí)間極短，雖然存在差流但達(dá)不到保護(hù)動(dòng)作的延時(shí)（50 ms），所以這個(gè)原因基本可以排除。由于中性母線差動(dòng)保護(hù)1段動(dòng)作，說(shuō)明[IdLN]與[IdLH]間也存在差流，如果是直流濾波器分流，而且中間沒有接地點(diǎn)的話，[IdLN]與[IdLH]兩個(gè)CT是處于一個(gè)回路上，不會(huì)有差流存在，所以直流濾波器分流的原因基本可以排除。對(duì)[IdCN]和[IdLN]兩個(gè)CT之間的?F1，?F2，?F3避雷器組和直流濾波器?F4避雷器進(jìn)行搖絕緣及泄露電流的測(cè)試。搖絕緣及泄露電流的測(cè)試都是檢測(cè)電器絕緣性能的方法。其中，對(duì)?F1避雷器組的02號(hào)避雷器（型號(hào)為3EQ3 143_4DZ8）的測(cè)試情況如下。

對(duì)其進(jìn)行搖絕緣試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電壓為5 kV，所得電阻值顯示為10 000 ΜΩ，滿足規(guī)程要求。

隨后對(duì)避雷器進(jìn)行了泄露電流的測(cè)試，在通過(guò)直流高壓發(fā)生器將電壓提升至16 kV時(shí)，避雷器動(dòng)作，噴嘴噴氣釋放內(nèi)部壓力。但按照出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)，滿足要求的1 mA泄漏電流的參考電壓應(yīng)在178 kV以上。所以此避雷器雖在5 kV搖表電壓下能夠顯示出很好的絕緣性，但電壓升高遠(yuǎn)未到參考電壓時(shí)避雷器就發(fā)生動(dòng)作，故懷疑02號(hào)避雷器內(nèi)部絕緣存在問題。

將該避雷器對(duì)地放電后，再次進(jìn)行搖絕緣，結(jié)果顯示絕緣電阻為0 Ω，避雷器已無(wú)絕緣性能，確定此避雷器已損壞。圖5是?F1避雷器組的02號(hào)避雷器的底部，從圖可以看出已經(jīng)有鼓泡現(xiàn)象和燒損的痕跡。

經(jīng)過(guò)上述的故障分析和排查，找到了發(fā)生故障的設(shè)備，本工程配置的保護(hù)配合之間是合理的，動(dòng)作是正確的，也證明了本文分析的正確性，根據(jù)分析找到了出問題的設(shè)備。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)故障錄波波形及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，指出行波保護(hù)正確響應(yīng)了本次的線路中點(diǎn)對(duì)地故障實(shí)驗(yàn)，并向極控發(fā)送了直流線路故障重啟請(qǐng)求命令，但由于中性母線差動(dòng)保護(hù)一段和極差動(dòng)保護(hù)一段的動(dòng)作，發(fā)緊急停運(yùn)命令到極控和組控，導(dǎo)致極Ⅱ沒有重啟成功，直流停運(yùn)。

根據(jù)中性母線差動(dòng)保護(hù)和極差動(dòng)保護(hù)的原理、保護(hù)范圍和它們之間的配合，找出了出現(xiàn)問題的避雷器，避免了問題的進(jìn)一步擴(kuò)大，成功完成了對(duì)一次設(shè)備的保護(hù)。表明了本工程相關(guān)直流保護(hù)設(shè)置、協(xié)調(diào)策略的合理性和相關(guān)分析的正確性。為以后類似問題的分析提供有益參考。另外，?F1避雷器組的02號(hào)避雷器被擊穿的原因還需進(jìn)一步的分析研究。

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