基于一起跳閘事故的換流閥電壓應力保護分析

施紀棟

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇　南京　211100）

1　事故過程

某特高壓換流站[1]發生極 2低端閥組（Y／Y 接）A相換流變[2]分接開關控制回路繼電器故障，導致換流變檔位不一致，現場按照規程就地調節同步分接開關位置時，電壓應力限制功能啟動分接開關降檔，造成極2低端換流變檔位相差過大，換流變飽和保護動作。故障前，雙極三閥組運行輸送功率5 000 MW，故障后雙極高端閥組3 950 MW大地方式運行，安控裝置正確動作，切除電廠機組兩組[3]。

事故的直接原因為A相換流變分接頭檔位故障且停留在了高檔位上，換流閥的電壓應力保護動作，降低分接頭檔位時導致分接頭失步，進而產生偏磁電流。故障錄波顯示，電壓應力保護動作時理想空載電壓 Udi0達到 239 kV[4]，超過 Udi0L定值[5]。 現場手動切分接頭操作回路電源時，極2低端A相換流變檔位26檔，其余5相均為15檔，導致換流變中性點偏磁電流達到換流變飽和保護II段定值0.098 A，延時280 s動作出口。故障錄波及事件顯示保護動作行為正確。

2　電壓應力保護簡介

2.1　電壓應力保護功能配置

ABB 路線單獨配置電壓應力保護[6]（Voltage Stress Protection），防止穩態運行時換流變網側電壓過高導致晶閘管承受過電壓或避雷器動作[7]。電壓應力動作結果包括禁止升分接頭（Udi0＞Udi0G，延時 2 s），強制降分接頭（Udi0＞Udi0L），系統切換（Udi0＞VSP_trip，延時 155 s），跳交流斷路器（Udi0＞VSP_trip，延時 185 s），出口限制優先級高于正常的分接頭控制[8]。

南瑞繼保出口功能與ABB相同，禁止升、強制降分接頭延時100 ms出口，系統切換延時165 s，跳閘延時195 s。

許繼將電壓應力保護放在換流器控制的分接頭控制當中，動作結果包括禁止升（無延時）、強制降、Udi0高告警，典型應用于溪浙工程。禁止升動作出口無延時取消升分接頭準備允許位 （包括手動和自動模式），強制降出口具有最高優先級不需要分接頭同步信號。

2.2　保護的定值整定

在換流變壓器參數設計[9]中，需要確定的主要參數包括額定空載直流電壓Udi0N、換流變額定容量、理想空載直流電壓限制和設計電壓、有載調壓分接頭檔位數。工程應用時，首先根據換流變設計參數計算出正常運行中出現Udi0的最大值，然后整流側以Udi0max作為Udi0G，增加一定裕度后作為Udi0L和一次設備的設計值 （一般向上取整）；逆變側以Udi0max作為Udi0L，考慮裕度后作為電壓應力保護的動作值。

以特高壓晉南工程為例，表1列出計算用到的控制參數，表2列出設計時考慮的測量誤差。

表1　控制系統參數

表2　用于設計計算的最大誤差

2.2.1　晉北站保護定值計算

整流側額定直流電壓800 kV，對于1個6脈動閥組有

代入計算得額定空載電壓Udi0N=232.12 kV，由于實際運行中存在控制和制造偏差，空載直流電壓將發生偏離，而由式（2）決定：

為得到最大的空載電壓，目前常用的計算工況為整流側定電流控制，逆變側定γ角控制，定功率方式運行，選取最不利測量偏差

空載電壓只取決于交流系統電壓和分接頭檔位，當直流電壓最大時整流側觸發角處于正常運行的最小值。

據此由式（2）得到Udi0max=233.062 kV為晉北站的最大空載電壓，整流站取Udi0G=Udi0max，取Udi0L增加1.5倍分接頭步長，晉北站換流變為1.25%。

考慮測量誤差的設備設計電壓為

取整后一次設備設計值為240 kV，設置跳閘定值時，南瑞繼保Udi0absmax取整后的1.05倍，ABB取動作值1.02Udi0absmax=244.59 kV，西門子通過延遲數環節0.02 pu動作值與ABB相同。

2.2.2　南京站動作定值計算

逆變側空載電壓

主回路參數計算時考慮完整雙極平衡運行方式，線路電阻取額定值Rd=4.191 Ω時，得到逆變側額定空載電壓Udi0NI=223.70 kV，UdI=779.05 kV，逆變側分接頭為Udi0控制。為得到最大的空載電壓同樣取公式（3）的計算工況，由于逆變側為定熄弧角控制，取熄弧角測量誤差的最不利情況 γ=γN+δγ=18°，線路電阻取最小Rdmin=3.29 Ω。計算得到南京站Udi0max=229.48 kV。

逆變站取Udi0L=Udi0max，考慮裕度得到Udi0G為

設備設計電壓即電壓應力保護跳閘定值計算方法與整流側相同

一次設備設計值取232 kV，采用1.02 pu時動作值為236.41 kV。

2.2.3　分層接入工程的定值計算方法差異

錫泰工程逆變站高低閥組分接頭步長分別為1.25%和0.65%，計算整流側UdR最大值時考慮高低閥組換流變同時調節一檔，直流電壓增大0.95%，直流電流下降0.95%保持功率不變。因此相比常規特高壓直流，分層接入的整流側一次設備設計電壓值更高。

3　Udi0參數計算

式中：k為額定檔位下的換流變變比；TCstep為換流變分接頭步長，對非分層接入的換流變分接頭一般為1.25%；TCP為控制保護接收到的換流變分接頭實際檔位；TCPN為換流變分接頭額定檔位；UV為換流變網側電壓。在直流控制保護裝置中，Udi0的計算采用標幺值。

由于受到單臺單相三繞組變壓器容量生產能力以及運輸條件的限制，目前的直流工程均采用了單相雙繞組變壓器。值得注意的是，電壓應力保護對每個12脈動閥組只計算唯一的Udi0，并且雖然每相換流變都上送各自的檔位BCD碼，不同控制保護廠家對計算Udi0時的分接頭檔位處理卻有所區別。ABB路線計算Udi0時，TCP采用換流變六相分接頭檔位值取平均；西門子路線則直接取Y／Y接A相換流變分接頭檔位，如果控制保護系統與采集A相分接頭

理想空載額定電壓Udi0的物理意義是不考慮觸發角、換相角和晶閘管正向壓降，加在換流閥上的直流電壓平均值。Udi0的大小僅取決于交流系統電壓和換流變分接頭檔位。

理想空載電壓Udi0的計算公式為BCD碼的分布式測控裝置通信異常則取Y／Y接B相檔位。

僅在電壓應力保護跳閘邏輯中，與跳閘定值比較的Udi0需要根據交流系統頻率做出修正

式中：Udi0_100為低通濾波后的空載電壓值。

4　功能改進

錦屏換流站電壓應力保護動作的直接原因是，Y／Y接 A相換流變分接頭操作回路繼電器故障，故障相分接頭檔位停留在了高檔位上?？刂票Ｗo系統根據分接頭檔位計算出的Udi0超過了Udi0L，發出強制降分接頭指令。正常的5相正常執行降分接頭操作，故障的A相由于分接頭操作回路故障檔位一直無法降低。控制保護系統根據A相分接頭檔位計算出的Udi0值一直大于Udi0L，導致運行人員手動斷開操作回路電源前，其他5相一直在執行降分接頭動作。各相分接頭檔位相差過大以后，保護動作出口。

理想空載電壓由換流變閥側電壓決定，理想運行狀態下每個橋臂承受的電壓為導通相閥側線電壓的一半，實際由于觸發角和換相角以及晶閘管正常導通時不需要承受反向電壓，換流閥上承受的電壓明顯小于理想空載電壓值。而且一次設備的設計電壓值為Udi0L增加1%測量誤差裕度。因此從保護一次設備的角度考慮，一相換流變檔位計算出的理想空載電壓值高于強制降分接頭動作值不會在換流閥上形成超出設備承受范圍的過電壓，不應造成閥組閉鎖。為防止此類跳閘事故發生，需要對電壓應力保護做出優化改進。

4.1　優化方案

采用6相換流變檔位平均值計算Udi0時，一方面分接頭失步時不能反映一次設備上實際承受的電壓，另一方面如發生僅2相或3相空載電壓超過跳閘值，可能由于計算的Udi0偏小導致電壓應力保護拒動。直接選取Y／Y接A相換流變分接頭檔位則具有盲目性，仿真系統模擬錦屏站相同故障，電壓應力保護動作強制降分接頭使得非故障相分接頭一直降到最低。

方案一。強制降低分接頭出口增加分接頭同步作為條件，當非故障相分接頭動作后，由于故障相分接頭未動作導致分接頭失步，保護不能繼續出口，防止分接頭檔位相差過大引起偏磁電流。

方案二?？紤]泰州站，利用分接頭動作的監視信號作為Udi0計算時選擇換流變檔位的判據。當發出分接頭操作命令后監視時間內未檢測到A相換流變檔位變化，則認為該相換流變分接頭故障，切換到B相進行計算。經過仿真試驗，分接頭失步兩檔后切換到B相，空載電壓低于定值停止分接頭動作。

方案三?？刂票Ｗo系統中已有12脈動各相換流變的分接頭的檔位，因此可以優化為每相單獨計算Udi0，分別與強制降分接開關電壓定值比較，當3臺及以上Udi0值超過Udi0L時，則延時5s向本閥組所有換流變發出降分接開關信號，3臺以下超過定值時，不發出降分接開關信號；禁止升分接開關、系統切換和跳閘則采用同一閥組6臺換流變中檔位最高值計算得到Udi0，再與定值進行比較。保護所有出口邏輯與是否同步及手動／自動信號無關。

方案一的弊端在于未以保護一次設備為首要考慮條件，可能出現各相分接頭空載電壓超過動作定值，而保護因分接頭失步不能出口。

比較方案二和三，空載電壓過高而某一相分接頭操作故障時，兩個方案都動作其他相下降至正常范圍停止 （如果故障相為A相則方案二超調2檔）。當兩相分接頭故障時，方案三動作其他四相降低至正常范圍停止；方案二如果故障的不是A和B相則其他四相降低至正常范圍停止；如果故障在A和B相則其他四相一直下降直至跳閘。不考慮三相分接頭故障。

綜合考慮方案三為推薦方案，但是從一次設備電壓考慮，如果兩相分接頭故障且發生在同一個六脈動閥組，考慮測量誤差換流閥橋臂上承受的電壓可能超過設備設計值，保護不會動作。如改為兩相空載電壓越限動作降分接頭則會導致分接頭檔位差過大。

4.2　監控告警事件配置

采用每相分接頭單獨計算空載電壓后，應該從每個閥組報電壓應力保護動作告警改為每一相單獨設置Udi0禁止升、強制降、切換跳閘告警。保證分接開關異常停止在高檔位時，提醒運檢人員故障相以及實際的電壓水平，為就地操作提供依據。

5　結語

基于特高壓換流站換流閥電壓應力保護動作引起的跳閘事故，分析了ABB與西門子兩種主要控制保護設備路線的電壓應力保護定值和邏輯設置。

單相換流變分接開關故障導致理想空載電壓過高時，控制保護系統電壓應力保護啟動其他相分接頭動作至正常范圍后停止，不引起閥組閉鎖。

晉北和南京站一次設備設計的絕對最大空載直流電壓分別為240 kV和232 kV。分層接入的整流站一次設備設計值高于常規直流。

12脈動各相換流變單獨計算Udi0并分別與強制降分接開關功能定值比較，當3臺及以上Udi0值超過Udi0L時，則延時5 s向本閥組所有換流變發出降分接開關信號。

禁止升分接開關、系統切換和跳閘則采用同一閥組6臺換流變中檔位最高值計算得到Udi0，再與定值進行比較。

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