某換流站單極ESOF簡要分析

林曙光　常曉禹　王成姣

摘要：某換流站500kV交流線路甲線跳閘后，伴隨甲乙線串補旁路以及換流站極Ⅰ、極Ⅱ換相失敗，最后該換流站極Ⅱ極保護換流器D橋短路保護87CSD 1段 跳閘，導致該換流站單極ESOF，直流輸送功率減少50%。本文簡要分析此次保護動作的相關波形，對于導致ESOF的原因進行簡要分析。

關鍵詞：ESOF、換相失敗、避雷器、串補

一、單極ESOF發生經過

（一）單極ESOF發生經過

某日02時40分52秒285毫秒，500kV甲線5122、5123開關，500kV甲、乙線串補旁路，極Ⅱ ESOF，極Ⅱ換流變進線5341、5342開關跳閘。直流功率受影響，輸送功率由3000MW降至1500MW。

三、單極ESOF發生原因

（一）單極ESOF原因分析

結合電網信息及站內故障時序可以了解到，500kV甲線A、C相因遭受雷擊產生電壓波動，某換流站500kV側交流電壓下降，引起直流極Ⅰ、極Ⅱ換相失敗，3套STATCOM暫態閉鎖;隨后500kV甲線線路保護動作切除故障線路并將甲線串補旁路，500kV乙線串補因間隙自觸發動作將串補旁路;在500kV甲線故障切除后，直流換相失敗恢復過程中，500kV交流系統電壓發生波動，導致直流極Ⅰ、極Ⅱ再次換相失敗，同時極Ⅰ、極Ⅱ各閥組避雷器多次動作，其中極Ⅱ D閥組的一次避雷器動作電流值達到橋短路保護87CSDⅠ段動作定值，最終導致了500kV直流極Ⅱ閉鎖。

通過統計SER報文，9日某換流站兩次換相失敗后，后臺SER一共記錄到74次閥組避雷器動作，隨后對7月至9月在換相失敗期間避雷器動作情況進行統計。直流發生換相失敗后，閥避雷器動作頻繁。例如，本次故障在換相失敗故障恢復期間，500kV交流母線相電壓峰值達747kV，約為正常運行電壓水平的1.69倍（故障前電壓峰值為：442.4kV）。

在區外故障下，直流發生換相失敗后，在故障恢復過程中，500kV某換流站交流母線容易產生過電壓，將導致閥組避雷器頻繁動作。根據總調統計的網內閥組避雷器動作情況看，僅有某換流站存在閥組避雷器在換相失敗期間動作的情況。

（2）換流器D橋短路保護87CSDⅠ段保護動作分析

1）電流測點采樣分析

結合直流控保內置故障錄波及換流變故障錄波，多個測點直流側、交流側故障電流幅值及變化趨勢基本一致，排除電流測點異常導致保護動作的可能。極Ⅱ換流變故障錄波，極Ⅱ極保護內置故障錄波

對比換流變故障錄波和極保護內置故障錄波，在故障時刻繞組電流突增，兩處故障錄波幅值基本相同，YD換流變A相閥側繞組故障電流峰值均超過6000A（極保護：6194A;換流變保護：6309A），排除交流側電流測點采樣異常的可能。

對比IdH、IdL、IdN、IdE直流側不同的電流測點，直流電流采樣基本一致，排除直流側電流測點采樣異常的可能。

2）換流器D橋短路保護87CSD 1段動作分析。

換流器D橋短路保護87CSD 1段保護原理。

出口直流ESOF功能：換流器短路保護（87CSY/87CSD）

功能邏輯：87CSY：IacY- Min[IdH， IdN]> Δ

87CSD：IacD- Min[IdH， IdN]> Δ

功能定值：I段：定值Δ=1.7p.u. （5100A）延時T=0ms

II段：定值Δ=0.5p.u. （1500A）延時T=30ms

根據極Ⅱ極保護A套故障錄波波形數據可知。

IacD- Min[IdH， IdN]=8242.4A-778.9A=7463.5 > Δ=5100A

滿足87CSD保護動作判據，保護動作。

結合歷次換相失敗數據進行對比分析（表7），電流差值遠遠小于87CSD保護I段動作定值。

9日15時20分59秒114毫秒：IacD 7483.33A，IdH 7250.556A，IdN 7232.222A，Δ 251.108A;22日14時16分26秒961毫秒：IacD 7496.667A，IdH 7609.440A，IdN 7598.889A，Δ-102.222A;9日02時40分52秒666毫秒：IacD 8242A，IdH 778.9A，IdN 781.6A，Δ7463.5A。

同時刻度極Ⅰ換流器D橋故障錄波數據進行對比分析。極Ⅰ發生換相失敗，極保護計算IacD值與差IdH、IdN值為0.6，遠未達到動作值，87CSD不動作。

綜上分析，甲線遭受雷擊導致交流系統電壓波動，雙極發生換相失敗，隨后甲線故障跳閘，電壓恢復期間交流電壓再次跌落，雙極第二次發生換相失敗。極Ⅱ發生換相失敗后，由于避雷器動作導致D橋換流變閥側電流突增，達到了換流器D橋短路保護87CSD 1段保護動作范圍，極Ⅱ極保護動作啟動ESOF，進行極隔離。故極Ⅱ換流器D橋87CSD 1段保護動作正確。

3）閥組避雷器電流突增原因分析

通過對換流變閥側電流錄波文件進行對比分析，故障時刻D橋A、B相故障電流相位差為207.5°（接近180°），A、B相電壓同步下降，C相電壓上升為3倍的故障前電壓，由此初步，閥側A、B相發生短路導致YD換流變繞組電流突增。

在故障發生之前，極Ⅱ D橋換流閥豎琴脈沖正常，故障前D橋D5、D6閥觸發導通，之后在閥D5與D1換相，換流變閥側電流激增。

故障時刻IvD_a=-6292A，IvD_b=2856A，IvD_c=2899A可能有兩種流通路徑：

路徑a：D1閥導通，閥組C相避雷器F3動作;

路徑b：D2閥導通，閥組A相避雷器F4動作;

由故障錄波豎琴脈沖波形可知，在D1閥觸發脈沖發出后，故障電流出現，之后才觸發D2閥，故障電流只能路徑a流通。在保護動作前，后臺報極Ⅱ C相避雷器F3、A相避雷器F2（Y橋）動作，初步判斷故障是由于極Ⅱ C相F3避雷器動作引起。

4）第二次換相失敗分析

第一次換相失敗結束后221ms，500kV母線三相交流電壓持續降低，發生第二次換相失敗，極Ⅱ換流變進線電壓三相電壓降低速度緩慢，而非快速畸變的下降，排除發生外部故障的可能。故第二次換相失敗是由于交流側電壓在故障后無法快速恢復造成。對比科研院仿真波形分析，乙線串補自動退出對于交流電壓不持續降低有明顯影響。。

4.原因分析

（1）直接原因

極Ⅱ 極保護換流器D橋短路保護87CSD 1段保護動作，極Ⅱ極控系統ESOF。

（2）間接原因

500kV甲線A、C相故障，故障導致500kV甲線及500kV甲、乙線串補退出運行，同時導致500kV某換流站極Ⅰ、極Ⅱ換相失敗，在換相失敗恢復過程中，由于交流系統波動過電壓引起D橋C相F3避雷器動作電流達到約9000A，達到橋短路保護87CSDⅠ段動作定值，最終導致500kV直流極2閉鎖。

參考文獻：

【1】許繼電氣股份有限公司，ED4.351.YF_0_極保護設計規范書，2014，P12

【2】中國南方電網電力調度管理規程（2017版）

【3】中國南方電網調度運行操作管理規定（2017版）