HVDC單極閉鎖暫態特性的橋差保護動作分析*

彭光強，劉青松，陳偉，武霽陽，伍衡，鄧軍

(南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣州 510663)

0 引 言

交直流混合電力系統是我國經濟社會發展的可靠保證，我國“西電東送、南北互供、全國聯網”的電力發展戰略對系統運行可靠性提出了更高要求。直流輸電系統具有大容量、遠距離、損耗小等優點。然而，直流系統一旦失穩，將導致緊急閉鎖停運事件[1]，并導致大面積停電，造成嚴重的經濟后果和社會后果。

±500 kV高肇直流工程是我國“西電東送”能源戰略的重要工程，線路全長891 km，額定電流3 000 A，雙極額定功率3 000 MW，2004年7月單極投運，同年10月雙極投運。受端換流站共有換流變壓器14臺，其中在運12臺，備用2臺，均為單相雙繞組結構。該站每極有6臺換流變壓器運行，其中Y/Y型接法3臺，Y/△型接法3臺，共同實現12脈波逆變功能。

直流輸電系統在運行過程中，時常面臨雷擊、勵磁涌流、觸發角不平衡、功率轉移、換相失敗、單極閉鎖等暫態工況[2]。以往的理論研究和工程經驗對暫態工況導致極閉鎖故障研究較少[3]，對直流系統暫態擾動機理和閉鎖故障工程經驗相結合的文獻鮮有發表。在直流系統暫態工況下[4]，由于零序阻抗的變化或零序電壓的變化，換流變中性點零序電流會出現暫態差異。由于Y/Y型和Y/△型換流變聯結組別不同，三次諧波和非周期分量會在Y/△型換流變的角接繞組中環流[5]，導致換流變傳變特性的暫態差異，嚴重時會導致換流變和套管CT的鐵心飽和[6]，并引起控制保護信號異常，造成保護拒動或誤動[7]，嚴重時導致極閉鎖的緊急停運事件。

2017年7月14日，高肇直流肇慶站極1遭受雷擊，換流閥片損壞并導致極1閉鎖，高肇直流轉為極2單極大地回線運行，極2換流變網側中性點電流出現暫態偏置并緩慢衰減現象。30 s后，極2接地極線路遭受近區雷擊，擊穿線路桿塔招弧角并引起入地電流在此續流，導致極2換流變出現嚴重的直流偏磁故障，換流器橋差保護動作，極2閉鎖并緊急停運。

針對高肇直流工程一起橋差保護動作導致單極閉鎖的緊急停運事件，介紹了該事件發生的經過和保護動作原理，研究了直流輸電工程雙極轉單極大地運行瞬間換流變壓器的暫態響應特性[8]，闡述了造成本次動作時間的根本原因。最后，給出了整改措施和研究結論。

1 保護動作過程

1.1 保護動作原理

(1)角側橋差保護(87CBD)動作原理

判據公式：Max(IacY，IacD)-IacD>Δ

I段：門檻值0.4 p.u.(1 200 A)，延時：200 ms；

II段：門檻值 0.07 p.u.(210 A)，延時：200 ms(Uac>0.8 p.u.)，700 ms(Uac<0.8 p.u.)

動作出口：I段降電流，II段閉鎖。

87CBD保護采用積分原理。當Max(IacY，IacD)與IacD的差值超過額定電流的2.331%時，積分器進行正積分+20，小于該值則進行負積分-1。當總積分超過其動作定值(T=200 ms，對應積分值為4 000)時，保護動作出口。

(2)換流變中性線直流過流保護(50/51CTNY-2，50/51CTND-2)動作原理

50/51CTNY-2、50/51CTND-2判據公式：

INDCY>20 A orINDCD>20 A，T=30 s 。

(3)接地極電流平衡保護(60EL)動作原理

60EL單極大地GR和單極金屬MR方式下動作判據： |Idee1-Idee2|>120 A & max(Idee1,Idee2)>550 A，T=1 s。其中，Idee1和Idee2為接地極線路的平衡電流。

1.2 極2閉鎖過程

直流系統在雙極穩態(圖1)運行時[9]，換流變網側中性點只有少量的零序電流，且幅值很小，如圖2所示，其中，INY為Y/Y型換流變的網側中性點電流，IND為Y/△型換流變的網側中性點電流。

圖1 直流輸電系統穩態模型

圖2 直流系統正常運行的中性點電流

2017年7月14日 13:24:32.726時，在雙極轉極2單極大地運行的暫態過程中，極2三套直流保護50/51CTND 2段保護告警動作。圖3所示的錄波波形可以看出，在極1閉鎖的暫態過程中，IND電流表現為正向偏置并緩慢衰減的過程，幅值在10 A～110 A之間；INY沒有明顯變化。

圖3 中性點暫態偏置電流

13:24:33.227時，根據雷電定位系統及接地極線路桿塔檢查結果，認為在換流站近區接地極線路#2塔遭受雷擊，接地極線路形成接地故障，Idee1為2.505 kA，Idee2為0.476 kA，雷擊擊穿招弧角，入地電流在招弧角續流并在近區入地進入地網，導致極2的Y/Y型換流變和Y/△型換流變鐵心飽和，詳見圖4。由于錄波系統霍爾傳感器的可測量范圍為±250 A，IND表現為保持在250 A的直線，INY表現為直流偏磁飽和的尖頂波，且在250 A以上出現削峰現象。

圖4 中性點直流偏磁飽和電流

13:24:34.082時，由于Y/△型換流變閥側套管CT飽和特性不一致，導致閥側電流IacD嚴重失真，與IacY相比逐漸偏小，隨著時間的推移，此差值越來越大，如圖5所示，隨著Y橋電流和D橋電流差值持續存在，積分器持續進行正積分運算，在200 ms后積分達到保護動作值4 000，極2角側橋差保護87CBD-2保護動作，極2閉鎖。

圖5 橋差保護87CBD用的電流

13:24:34.250時，由于接地極線路故障，Idee1和Idee2的差流很大，極2直流三套保護60EL I段動作。

2 原理分析

2.1 等值電路

根據圖6所示的Y/△換流變T型等值電路。

圖6 換流變T型等值電路

將二次側歸算到一次側，列寫Y/△換流變的微分方程[10]。

換流變一次側(網側)微分方程為：

(1)

式中un為一次繞組端電壓；in為一次繞組電流；r1為一次繞組電阻；L1為一次繞組漏感；En為各繞組的感應電動勢。其中，n分別為A、B、C。

根據Y/△換流變T型等值電路，將二次側(閥側)歸算到一次側，微分方程為：

(2)

式中um為二次繞組歸算到一次繞組的端電壓；im為流過二次繞組歸算到一次繞組的電流；r2為二次繞組歸算到一次繞組電阻；L2為二次繞組歸算到一次繞組漏感；Em為二次各繞組歸算到一次繞組的感應電動勢。其中，m為ac、ba、cb。

由對稱分量法可知，式(1)、式(2)有如下的邊界條件：

(3)

結合式(3)的邊界條件，求解式(1)、式(2)的微分方程，得到Y/△換流變網側、閥側暫態傳遞特性表達式。

2.2 正常運行的中性點電流機理

(1)Y/Y換流變T型等值電路二次側阻抗支路為開路，傳變電流經過的是一次側阻抗支路和勵磁阻抗支路；Y/△換流變T型等值電路二次側阻抗支路為短路，傳變電流經過的是一次側阻抗支路和二次阻抗支路；

(2)在變壓器鐵心的額定工況下，勵磁阻抗很大，一次側和二次側阻抗支路很小。所以，Y/Y換流變等值回路的總阻抗，大于Y/△換流變等值回路的總阻抗。中性點電流波形表現為Y/Y幅值較低，Y/△幅值較高，如圖2所示；

(3)Y/△換流變角接繞組為三次諧波提供了內部環流通路，三次諧波在角接繞組內部環流。所以，在外端口的錄波波形看來，Y/△換流變主要表現為工頻分量，并疊加少部分其它諧波分量；Y/Y換流變波形為工頻疊加三次諧波分量，如圖2所示。

2.3 Y/△換流變中性點偏置電流機理

(1)按照對稱分量法將系統分解為正序、負序和零序系統。在零序等值回路里，零序阻抗的變化或零序電壓的變化，是導致中性點零序電流出現暫態偏置的原因。經過對大量暫態錄波的統計分析認為，造成零序電壓變化或零序阻抗變化的暫態激勵源有可能來自閥側，也有可能來自網側；

(2)高肇直流工程在雙極轉極2單極大地回線運行的瞬間，按照直流系統暫態功率轉移的控制策略，極2負荷從1.0 p.u.升高至1.4 p.u.并維持3 s，然后降至1.2 p.u.并維持2小時，如圖7所示。在上述暫態過程中，Y/△換流變閥側受到暫態擾動，導致閥側三角形繞組出現三次諧波環流增加和非周期分量疊加的現象，并傳變到網側，導致網側中性點電流出現暫態偏置并慢慢衰減的現象，衰減的時間和系統的時間常數有關；

圖7 直流電流的暫態上升和下降過程

(3)Y/Y換流變T型等值電路二次側阻抗支路為開路，暫態傳變電流流過一次側阻抗支路、勵磁阻抗支路，二次阻抗支路不起作用。所以二次側的暫態變化對Y/Y換流變一次側中性點電流影響可以忽略，Y/Y網側中性點仍然是正常波動的零序電流波形。

2.4 換流變中性點直流偏磁電流機理

在雙極運行轉極2單極大地運行的暫態過程中，極2接地極線路近區桿塔遭受雷擊，原本應該在接地極極址入地的入地電流在桿塔雷擊處續流，最大達到3 000 A。入地電流在近區進入大地并間接進入地網，導致站內Y/Y和Y/△換流變均出現明顯的直流偏磁現象。

(1)入地電流在雷擊處續流前，Y/△換流變網側中性點電流已經出現了正向的暫態偏置，疊加直流偏磁電流后超出了霍爾單元的可測量范圍(±250 A)，Y/△換流變中性點電流表現為250 A的直線；

(2)入地電流在雷擊處續流前，Y/Y換流變仍保持為正常波動的零序電流，在疊加直流偏磁電流后，Y/Y換流變中性點電流表現為偏磁畸變的尖頂波，并在尖頂波超過250 A后出現了削峰現象，如圖4所示；

(3)電容隔直裝置投入動作時間(約5 s ～12 s)和隔直電容充電時間(約600 ms～6 000 ms)均比橋差保護動作時間(200 ms)和接地極線路平衡電流保護動作時間(500 ms或1 s)長，保護仍會率先動作導致閉鎖。加裝電容隔直裝置起不到應有的隔離直流的效果。

3 PSCAD/EMTDC仿真驗證

3.1 暫態偏置電流仿真

仿真用的HVDC系統主接線圖如圖1所示。仿真工況包括：不同ESOF時刻雙極轉單極、不同功率下雙極轉單極、輸電線路長度、線路耦合、中性點電壓變化、交流單相接地、重啟動過程、換相失敗等。

仿真結果表明：

(1)換流變檔位變化，會導致Y/△換流變出現偏置電流。并且向上調檔位，暫態電流為正向偏置；并且向下調檔位，暫態電流為負向偏置;

(2)改變高坡站和肇慶站的地電位，發現Y/△換流變網側中性點出現偏置電流；并且地電位改變的越大，偏置電流越明顯；改變雙方地電位的方向后，偏置電流也跟著反向偏置;

(3)雙極轉單極大地瞬間，在直流側施加從1.0倍階躍1.4倍的負荷直流電流，模擬工程實際中負荷的變化，如圖8所示。Y/Δ換流變中性點電流會出現偏置現象，如圖9。

圖8 HVDC直流負荷電流階躍變化比較

(4)直流重啟動、換相失敗(脈沖丟失)、交流側單相接地短路故障、直流輸電線路電磁耦合等工況，不會導致Y/△換流變網側中性點出現偏置電流。

3.2 60EL保護動作整定仿真

60EL保護重啟動延時動作原定值為整流站500 ms、逆變站1 s。針對高肇直流單極大地大功率運行工況(max(Idee1,Idee2) >550A)，綜合考慮60EL保護出口時間、直流系統響應時間、87CBD動作時間、各回直流60EL保護定值及重啟動策略等，將60EL保護重啟動延時優化為400 ms，確保在接地極線路發生接地故障時60EL保護重啟段先于87CBD保護動作，降低直流跳閘風險。

仿真驗證表明，高肇直流60EL重啟段延時優化為400 ms后，能避免接地極線路故障時87CBD先于60EL保護動作，且不會導致保護誤動，如圖10所示。圖11中，二進制數值由0變為≥1時，保護發生動作。可以看到，角側橋差保護先于接地極電流保護動作，延時優化整定起到了良好的工程效果。

圖10 EMTDC仿真的保護動作整定

圖11 保護動作情況仿真

4 結束語

(1)對南方電網公司所轄各直流工程暫態工況的統計發現，各直流在雙極轉單極大地回線運行的暫態工況下，Y/△換流變網側中性點電流都會出現暫態偏置并緩慢衰減的現象。并且在雙極轉正極大地回線運行時，整流站正向偏置，逆變站負向偏置；在雙極轉負極大地回線運行時，整流站負向偏置，逆變站正向偏置；

(2)對直流功率變化、換相失敗、換流變檔位切換、地網電位變化等各種暫態工況下的仿真發現，在零序等值回路里，零序電壓的變化或零序阻抗的變化，是導致Y/△換流變中性點零序電流出現暫態偏置的原因；

(3)綜合分析造成換流變直流偏磁的原因，并評估了換流變耐受直流偏磁的能力。研究結果表明，本次直流偏磁直接原因是近區遭受雷擊后，入地電流續流并在近區入地，是小概率事件，持續時間僅為ms級；直流偏磁的危害主要是時間的累積效應造成，換流變可以承受短時暫態過程的直流偏磁電流；

(4)對加裝電容隔直裝置可行性的分析結果表明，電容隔直裝置投入動作時間(約5 s～12 s)和隔直電容充電時間(約600 ms～6 000 ms)均比橋差保護動作時間(200 ms)和接地極線路不平衡電流保護動作時間(500 ms或1 s)長，保護仍會率先動作導致閉鎖。加裝電容隔直裝置起不到應有的隔離直流的效果；

(5)針對高肇直流單極大地大功率運行工況(max(Idee1,Idee2) >550 A)，高肇直流60EL重啟段延時優化為400 ms后，可以確保在接地極線路發生接地故障時，60EL保護重啟段先于87CBD保護動作，不會導致保護誤動，降低了直流跳閘風險。