單極接地故障下融冰裝置的運行風險評估及對策研究

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0 引 言

目前，直流電流融冰法和過電流融冰方法是最為成熟可行的兩種融冰手段。其中直流電流融冰法由于不受線路交流電抗的影響，所需電源容量能夠大大降低[1-3]。該方法將覆冰線路作為負載，施加直流電源，用較低電壓提供短路電流加熱導線使覆冰融化，一般采用發電機電源整流和采用系統電源的可控硅整流兩種方案[4-6]。前者雖可減少投資但卻受發電機組容量與融冰所需容量的限制，大多情況都不滿足需求；因此采用系統電源的可控硅整流融冰是直流融冰方法中的熱點，其適用性更強，可根據不同情況調節直流融冰電壓，使之滿足不同應用環境的需要，是現有融冰方法中最理想的一種[7-10]。

下面對不同融冰方式下單極接地故障下直流融冰裝置的運行風險進行評估，揭示PT飽和及熔絲熔斷的機理，結合現場實際運行情況提出改進現有融冰裝置直流單極對地保護控制策略，并通過電磁暫態仿真建模驗證所提對策的可行性。

1 直流融冰裝置在直流單極接地故障下的運行風險

1.1 直流單極接地故障下融冰裝置的運行風險

目前直流融冰裝置主要有兩種拓撲結構：一是通過整流變壓器和整流裝置帶線路融冰，當直流單極接地故障時可通過整流變壓器實現兩側系統的電氣隔離；二是通過換相電抗器和6脈動整流裝置帶線路融冰，如圖1所示，下面主要討論這種拓撲結構融冰裝置的運行風險。

圖1 直流融冰裝置接入電網示意圖

目前，圖1所示直流融冰裝置的融冰工作模式主要有1-1和1-2型兩種融冰模式。其中1-1型融冰模式的切換過程如圖2所示，設單相線路融冰的周期時間為T，三相線路融冰時間約為1.5T。對于AC相融冰方式，WPQ11、WNQ11閉合，AC相融冰時間為T/2；對于BC相融冰方式，WPQ12、WNQ11閉合，BC相融冰時間為T/2；對于AB相融冰方式，WPQ11、WNQ12閉合，AB相融冰時間為T/2。

1-2型融冰模式的切換過程如圖3所示，三相線路融冰時間約為2T。對于AB-C融冰方式，WPQ11、WPQ12、WNQ11閉合，AB并聯及C相融冰時間為2T/3；對于BC-A融冰方式：WPQ11、WNQ11、WNQ12閉合，BC并聯及A相融冰時間為2T/3。

由于在1-2型融冰工作模式下線路總的直流電阻較小，所要求的直流融冰電源的功率相對較小，與1-1型融冰工作模式相比較總容量減小約1/4。1-2融冰模式可選擇作為較長線路的融冰工作模式。

當發生直流單極接地故障時，直流正負極電壓不對稱，該直流電壓分量通過六脈動整流閥直接耦合注入交流電網，引發交流側中性點電壓大幅度偏移，存在較大的運行風險。

圖2 1-1型融冰模式

圖3 1-2型融冰模式

圖4給出了采用1-1型融冰模式、融冰電流達到4 000 A時對340 km的500 kV線路進行融冰的仿真結果。在t=20 s時刻設置融冰線路B相近融冰裝置接入變電站側發生單相永久金屬性接地故障。不難看出，當t<20 s時，融冰裝置直流正負極對地電壓上下對稱，發生故障后直流正極對地平均電壓UdcP升高至30 kV，直流負極對地平均電壓UdcN約為0，導致中性點對地平均電壓Udc0(Udc0=(UdcP+UdcN)/2)從0升高至18.06 kV，該直流分量通過整流閥、換相電抗器耦合至35 kV交流母線(UDCS)，導致電磁式母線電壓互感器流過的直流電流達到1.26 A。直流電流流經母線PT一次繞組，一方面將引起PT不對稱飽和，從而使得測量不準；另一方面，按照35 kV PT熔絲的熔斷電流通常設定為0.5 A進行計算，該直流電流已足以導致PT熔絲熔斷。

圖4 1-1型模式下直流融冰線路B相近融冰裝置接入站側發生單相接地時的仿真波形

類似地，圖5給出了采用1-2型融冰模式、融冰電流達到4 000 A時在同一點發生單極接地故障時的仿真波形。發生故障后流過PT的電流達到1.1 A，直流側中性點對地電壓和交流電壓的直流分量達到為15.78 kV。

目前，當直流線路接地故障引起直流單極接地電壓超過其定值時，直流單極對地保護啟動，但是直流單極對地保護僅觸發故障告警，不觸發閥閉鎖和斷路器跳閘，交流系統也缺乏針對直流電流的保護，存在較大的運行風險。

圖5 1-2型模式下直流融冰線路B相近融冰裝置接入站側發生單相接地時的仿真波形

1.2 融冰線路不同位置發生單相接地故障時風險量化計算

由于直流融冰大多采用1-2型模式，因此以下分析均建立在1-2型融冰模式基礎上。在直流融冰時，直流正極對地平均電壓UdcP和負極對地平均電壓UdcN主要與融冰線路的等效電阻有關，假設單相線路的電阻為R，圖6分別考慮一去兩回融冰模式下，在融冰線路不同點發生單相接地故障時直流側等效示意圖。以A-BC方式為例，當A相某點發生故障時，故障點與直流正極之間的線路電阻為X，如圖6(a)所示；同理當B相某點發生故障時，故障點與直流負極間的線路電阻為X，如圖6(b)所示。

圖6 一去兩回融冰方式下在融冰線路不同位置發生單相接地時的直流側等效示意圖

因此，當線路A相發生單相接地故障時，直流正極、負極對地平均電壓UdcP和UdcN分別為

(1)

正負極對地電壓平均值的絕對值之差為

|UdcP|-|UdcN|=(2X-1.5R)Idc,0≤X≤R

(2)

由此說明，正負極對地電壓平均值的絕對值之差在[-1.5RIdc，0.5RIdc]之間變化。當線路B或C相發生接地故障時，UdcP和UdcN分別為

(3)

正負極對地電壓平均值的絕對值之差為

|UdcP|-|UdcN|=(1.5R-X)Idc,0≤X≤R

(4)

可以看出，其值在[0.5RIdc，1.5RIdc]變化。

根據上述推導，圖7給出了當融冰電流為4 000 A、融東天線時在線路不同位置發生故障時正負極對地電壓平均值的絕對值之差的變化范圍。可以看出，隨著故障點位置的變化，對地電壓絕對值之差分別在-31.54～10.51 kV、10.51～31.54 kV之間變化。

從式(2)、式(4)并結合圖7看出，直流正負極對地電壓平均值絕對值之差的最小值Umin和最大值Umax(不計正負)分別為0.5RIdc和1.5RIdc，最大值點出現在直流正極或負極處。

圖7 當直流融冰電流為4 000 A時融東天線時正負極對地電壓平均值絕對值之差隨故障點變化的曲線

圖8 直流正負極對地電壓平均值絕對值之差最小值、最大值與融冰電流的關系曲線

圖8則給出了融東天線時Umin和Umax隨融冰電流變化的關系曲線。按照35 kV PT熔絲熔斷電流為0.5 A，并考慮到一定的裕度，即根據35 kV PT一次側電流達到0.2 A時的臨界電壓Ulim來確定發生直流單極接地閉鎖時晶閘管閥觸發脈沖的啟動條件。當Umax>Ulim時即啟動閉鎖晶閘管閥觸發脈沖，反之當Umax≤Ulim時，則繼續融冰，也即是說只要在某融冰電流下Umax≤Ulim，則Umin≤Ulim肯定滿足；若Umax>Ulim，則在該融冰電流下線路上某點發生單點故障則會引起PT一次側電流超過0.2 A。

進一步地，在PSCAD直流融冰模型的基礎上搭建35 kV PT模型，設置不同的融冰電流，在東天線路B相東坡站出口處設置單相接地故障(因為該點對應的直流正負極對地電壓平均值絕對值之差最大)，檢測35 kV PT一次側電流，仿真結果如表1所示。相應地，圖9給出了正負極對地電壓平均值絕對值之差與PT一次側電流的關系曲線，通過曲線擬合結果得知，當絕對值之差為6.22 kV時，PT一次側電流為0.2 A，對應的直流融冰電流為788 A。

從上述分析看出，當直流正負極對地電壓平均值的絕對值之差小于6.22 kV，PT一次側電流都不會大于0.2 A(PT飽和電流為0.5 A，考慮一定的裕度)，因此設置直流單極接地保護定值為6.22 kV，為保證交流側PT的安全運行，將保護動作修改為閉鎖晶閘管閥，停止融冰。

表1 不同融冰電流下在東天線路B相東坡站出口處發生單相接地故障時PT電流

圖9 直流正負極對地電壓平均值絕對值之差與PT一次側電流的對應關系及擬合曲線

2 防止直流融冰啟動過程誤動作對策

考慮到直流融冰裝置啟動過程中可能出現一定的沖擊電流和直流電壓調整過程，需要確保直流單極接地保護在融冰裝置啟動階段不會誤動作，因此對直流融冰啟動階段進行仿真核實。

表2 采用不同融冰電流目標值的啟動過程相關參數結果

表2給出了設定不同融冰啟動電流目標值、融冰線路無任何單相接地的正常啟動過程中直流正負極對地平均值的絕對值之差最大值和PT一次側電流最大值。圖10和11分別給出了設置目標融冰電流為788 A和2 750 A時融冰裝置在融冰線路無單相接地故障時的啟動過程仿真結果。

圖10 直流融冰裝置在融冰線路無單相接地時的正常啟動過程(設置目標融冰電流為788 A)

圖11 直流融冰裝置在融冰線路無單相接地時的正常啟動過程(設置目標融冰電流為2 750 A)

結果表明，當設定融冰電流目標值大于等于2 750 A時，在啟動過程中直流正負極對地電壓平均值絕對值之差的最大值超過6.22 kV，盡管PT一次側電流并未超過0.2 A，但已滿足融冰電流大于788 A且直流正負極對地電壓平均值的絕對值之差大于6.22 kV的條件，從而導致直流融冰裝置單極接地保護動作。因此，為了避開直流融冰啟動過程單極接地保護的誤動作，融冰裝置的啟動電流應遠小于2 750 A，待裝置啟動流程完成后再增加融冰電流設定值，確保融冰裝置的正常啟動。

另一方面，在啟動過程中若融冰線路已發生單極接地，只要達到單極接地保護的條件也應正確動作，圖12給出了融冰電流目標值為788 A時東天線路B相東坡站出口處發生單相接地時的啟動過程仿真波形，這個過程已達到直流融冰裝置單極接地保護動作條件，單極接地保護正確動作。

圖12 直流融冰裝置在融冰線路發生單相接地時的啟動過程(設置目標融冰電流為788 A)

綜上所述，按照35 kV PT熔絲的熔斷電流為0.5 A，并考慮到一定的裕度，建議PT一次電流達到0.2 A時即啟動單極接地保護。經過公式推導和仿真校驗，建議東坡站直流融冰裝置單極接地保護修改方案為：當直流電流大于788 A且直流正負極對地電壓平均值的絕對值之差大于6.22 kV時，直流單極接地保護動作，動作邏輯修改為閉鎖晶閘管觸發脈沖；同時為了防止融冰裝置啟動階段的誤動作，融冰裝置在啟動過程中的融冰電流設定值應遠小于2 750 A，建議啟動融冰電流設定值小于1 000 A，確保融冰裝置能夠正常啟動。

3 結 語

上面評估和量化了不同融冰方式下單極接地故障時直流融冰裝置的運行風險，揭示了PT飽和及熔絲熔斷的機理，并結合現場實際運行情況提出了現有融冰裝置直流單極對地保護改進措施，并通過

電磁暫態仿真建模驗證了該對策的可行性。結果表明，所提出的方法能夠有效地降低直流單極接地故障下直流融冰裝置的運行風險，對于指導現場融冰、防范直流融冰裝置單極接地故障下的運行風險具有較好的實用性。

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