柴達木換流站直流諧波保護動作原因分析及整改

黃家銘　王喆　饒洪林　陳飛

摘要：為利于我國高壓直流輸電安全穩(wěn)定運行和未來建設(shè)與改造，本文研究了青藏直流±400kV直流輸電工程的系統(tǒng)故障問題。2011年11月16日，柴達木換流站雙極直流系統(tǒng)諧波保護保護動作，導致雙極停運，其原因是青海省官亭變電站750kV的2號主變充電的勵磁涌流較大，且持續(xù)時間較長導致柴達木換流站交流同步電壓出現(xiàn)二次負序諧波分量，從而使直流系統(tǒng)出現(xiàn)100Hz諧波，導致雙極直流諧波保護動作。本文從軟件和硬件兩方面探討了解決問題的辦法，可供其他高壓直流工程抑制交流系統(tǒng)出現(xiàn)諧振影響直流系統(tǒng)的設(shè)計和改造參考。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電；換流站；直流諧波保護；整改措施

一、引言

柴達木換流變電站是實現(xiàn)青藏聯(lián)網(wǎng)的重要工程，是國家電網(wǎng)公司“十一五”重點工程項目之一，對實現(xiàn)西藏與西北聯(lián)網(wǎng)，進一步優(yōu)化青海能源資源配置，支撐青海柴達木循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)快速發(fā)展，提升西部地區(qū)能源優(yōu)化配置水平，促進青海、西藏經(jīng)濟社會和諧發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。

2011年11月16日21：01：33，柴達木換流站極Ⅰ、極Ⅱ直流諧波保護（100Hz） 動作，執(zhí)行Y閉鎖，柴達木換流變電站雙極停運。本文分析直流諧波保護動作原因，從軟件和硬件兩方面給出整改措施。

二、柴達木換流站直流諧波保護動作原因分析

（一）柴達木換流站直流諧波保護原理

檢測直流電流80～200Hz諧波電流大小，與定值進行比較，滿足條件經(jīng)一定延時350ms發(fā)出控制系統(tǒng)切換指令，2s發(fā)功率回降指令，3s發(fā)跳閘指令。動作方程如下：

ID_100Hz > 0.2×ID+0.06×IDnom

上式中ID_100Hz為直流實際運行電流100Hz諧波分量，ID為直流實際運行電流，IDnom為直流額定電流。

（二）柴達木換流站直流諧波保護動作原因

根據(jù)當時運行工況，直流2次諧波保護跳閘定值為0.2×120A+0.06×750A=69A。

對故障時刻的直流電流進行諧波分析，電流諧波值100A左右，跳閘定值為69A，諧波存在時間超過3s，滿足動作條件，保護正確動作。

保護啟動后直流電壓和電流分量中存在明顯諧波分量，通過錄波圖可以看出，諧波分量的產(chǎn)生時刻交流系統(tǒng)電壓波形發(fā)生異常變化。根據(jù)波形分析，故障時刻柴達木換流站交流網(wǎng)側(cè)同步電壓存在直流分量（直流分量大小=312kV-288kV =24kV），開始時刻為21：01：30：886。現(xiàn)場波形如下：

至保護動作時刻21：01：33：906，產(chǎn)生諧波時間超過3s，從錄波圖可以看出直至跳閘前柴達木換流站交流網(wǎng)側(cè)同步電壓一直存在直流分量，持續(xù)時間超過3s。

通過錄波圖及上述分析，可以看出青藏直流柴達木側(cè)100Hz諧波保護動作原因是因為交流系統(tǒng)出現(xiàn)擾動，導致直流側(cè)產(chǎn)生諧波，100Hz保護正確動作。

對柴達木換流站錄波圖進一步分析發(fā)現(xiàn)，交流側(cè)換相電壓存在正向偏移的同時，存在負序二次諧波電壓，有效值為18.69kV（5.664*330/100kV）。根據(jù)直流輸電等間隔觸發(fā)原理，換流站交流母線k次正序分量在直流側(cè)產(chǎn)生k-1次逆時針旋轉(zhuǎn)的矢量；換流站交流母線k次負序分量在直流側(cè)產(chǎn)生k+1次順時針旋轉(zhuǎn)的矢量。由此初步推斷直流側(cè)三次諧波產(chǎn)生的原因是由于交流側(cè)存在負序二次諧波電壓。

在柴達木換流站故障發(fā)生時，西北電網(wǎng)750kV官亭站主變正在進行充電操作，750kV側(cè)勵磁涌流二次諧波含量較大，勵磁涌流峰值最大值達到2639A，整個故障錄波記錄周期3秒時間內(nèi)，勵磁涌流衰減較慢，經(jīng)過3秒衰減至1136A，為最大值的42%。二次諧波電壓15.85kV（2.073*765/100kV）。

根據(jù)上述分析，官亭2號主變充電時間為21：01：30：731，而柴達木換流站100Hz諧波保護動作時間為21：01：33：906，時間間隔為3s，因此推斷柴達木換流站交流電壓產(chǎn)生畸變的原因是由于官亭2號主變充電時勵磁涌流較大，且持續(xù)時間長，導致交流系統(tǒng)電壓產(chǎn)生二次負序電壓及直流分量，因柴達木換流站位于750kV交流系統(tǒng)末端，周圍除龍羊峽水電站外，無交流電源支撐，易受交流系統(tǒng)擾動影響，因此造成直流諧波保護跳閘。

三、柴達木換流站直流諧波保護整改措施

為了避免交流系統(tǒng)出現(xiàn)諧振影響直流系統(tǒng)的運行，建議采用下述兩種方案進行整改：

方案1：100Hz保護主要防止諧波電流較大時直流系統(tǒng)的主設(shè)備存在過應(yīng)力和直流電流出現(xiàn)斷續(xù)，同時為交流系統(tǒng)提供后備保護，其定值修改必須考慮主設(shè)備的承受能力，時間定值的修改應(yīng)考慮交流系統(tǒng)的配合，同時應(yīng)防止切除時間過長對西藏電網(wǎng)造成不利影響。

為減少雙極同時停運的幾率，建議在直流雙極輸送功率不大于300MW的運行情況下，作為臨時措施，將柴達木換流站極2的100Hz保護進行如下修改：

報警定值：0.04p.u；比率系數(shù)：0.20；啟動定值：0.06p.u；系統(tǒng)切換：0.35s

保護動作：極1為3s，極2為6s

定值修改涉及兩方面的內(nèi)容，一是極2的保護動作時間由3s修改為6s；二是取消極2保護中的降功率段。

方案2：在格爾木換流站母線安裝濾波器，改變系統(tǒng)的諧波阻抗特性。根據(jù)計算，可在換流站母線處安裝24MVar的HP2交流濾波器2組，能夠?qū)⒏駹柲菊颈敬纬霈F(xiàn)的7%2次諧波負序電壓降至2%。HP2濾波器具體型式和參數(shù)如下：

格爾木換流站本期安裝了2大組、每大組4小組的無功設(shè)備，能夠滿足本期直流輸送300MW功率的需要。因此，為防止2次諧波再次對柴達木換流站直流運行造成跳閘影響，換流站應(yīng)新增2組HP2。

四、結(jié)論

考慮到青藏直流工程后期擴建需求，對比兩種方案，方案1簡單易行，可立即執(zhí)行。但是，在直流工程容量改變后，還需進行仿真計算，進行新的定值修改，且不能根本上解決系統(tǒng)各種運行工況下帶來的諧波危害。方案2需增設(shè)更多的濾除2次諧波的單調(diào)諧交流濾波器，該方案可永久解決系統(tǒng)中2次諧波對換流站帶來的危害。因此，采取增設(shè)2次諧波的單調(diào)諧交流濾波器為解決柴達木換流站直流諧波保護動作事故的最佳方案。

參考文獻

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作者簡介：黃家銘（1981-），男，湖北宜昌人，工程師，現(xiàn)工作于湖北省電力有限公司檢修公司特高壓交直流運檢中心，從事直流換流站運維管理工作。