單相故障類型自動識別邏輯優化對高壓直流系統影響分析

代書龍，朱鳳來，范冬春，楊茂，辛亮，陸健，馮子賢

（中國南方電網超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 前言

由于高壓直流輸電系統存在輸送容量大、功率調整靈活、節省輸電走廊等眾多優點，被廣泛應用于遠距離大容量輸電[1-7]。然而，交流系統發生單相故障期間，對直流輸電系統的擾動較大，因此如何降低交流系統故障期間對直流系統的影響一直都是研究重點。

當前對交直流系統影響的研究主要集中在交流系統故障對直流系統影響的機理方面，且取得了豐碩成果[8-12]，但研究方法基本為理論研究以及仿真驗證，少有結合實際工程故障案例進行分析并提出有效措施的方案。本文對單相重合閘邏輯進行介紹后，詳細分析牛從直流牛寨站交流系統故障錄波，發現單相故障單相跳閘期間正常相在故障相上的感應電壓幅值以及波形與故障類型存在較大差異，據此提出單相重合閘邏輯優化措施，并在PSCAD/EMTDC 仿真模型的高壓直流輸電系統中驗證了所提優化措施的有效性。

1 重合閘邏輯介紹

為提高系統運行可靠性，目前500 kV 交流系統基本采用二分之三接線方式，交流線路的電壓互感器基本裝設在線路兩端，即：站內開關跳開時，電壓互感器仍然與線路連接，跳閘期間也可測量跳閘線路上的感應電壓。交流線路基本采用單相重合閘，即單相故障情況下單相跳閘單相重合，重合于永久性故障上瞬時跳開三相，相間故障直接三相跳閘不重合，單相重合閘邏輯圖如圖1 所示，當線路保護跳閘命令收回時，自動啟動重合閘。

圖1 單相自動重合閘邏輯

2 單相瞬時故障分析

由于單相故障存在瞬時故障與永久故障的區別，本文以牛從直流牛寨站交流線路故障情況為例進行分析。其中，牛寨站交流場邊開關重合閘時間為0.9 s，中開關重合閘時間為1.4 s。2016 年07 月24 日21 時31 分牛寨站500 kV溪換甲線C 相發生故障，重合成功，故障瞬間電壓、電流如圖2、圖3 所示。重合瞬間電壓、電流如圖4、圖5 所示（圖2～圖10 中，電壓電流均為故障錄波采樣值，未經過數據處理）。由圖可知，交流線路發生單相故障后，故障相電壓降低，故障相電流快速升高，由于500 kV系統為中性點直接接地系統，對非故障相電壓影響較小，保護檢測到故障后，故障相跳閘，由于通信延時以及開關本身分閘時間的存在，大約50 ms 左右線路從發生故障至開關完全跳開。開關跳閘后，經過0.9 s 的延時發出故障相開關重合命令，由于通信延時以及開關本身機械特性的影響，從線路開關斷開至線路上重新出現電壓之間的時間將近1000 ms，故障相重合后，線路電壓經過約15 ms 后恢復至正常水平，單相跳閘期間，故障跳閘線路處于缺相運行狀態。

圖2 單相瞬時故障瞬間電壓

圖3 單相瞬時故障瞬間電流

圖4 單相瞬時故障重合瞬間電壓

圖5 單相瞬時故障重合瞬間電流

3 單相永久性故障分析

2016 年07 月05 日19 時22 分500 kV 溪換丙線C 相永久性故障跳閘，重合不成功，故障瞬間電壓、電流如圖6、圖7 所示，重合瞬間電壓、電流如圖8、圖9 所示。由圖可知，交流線路發生單相故障后，故障相電壓降低，故障相電流快速升高，與重合成功不同的是該故障期間A、B 相電壓波形明顯發生畸變，且故障未切除期間故障相電壓幅值略小，故障相切除時間以及重合時間與重合成功情況基本一致。開關重合后，電壓基本沒有改善，但故障電流卻在開關合閘時快速升高，故障持續存在，保護檢測到故障為持續性故障后，發出三相跳閘命令，約50 ms 左右三相跳閘，三相跳閘后該線路三相均從系統中切除。

圖6 單相永久故障瞬間電壓

圖7 單相永久故障瞬間電流

圖8 單相永久故障重合瞬間電壓

圖9 單相永久故障重合瞬間電流

4 缺相運行期間故障相感應電壓分析

再次對牛寨站多個單相故障切除至尚未重合期間故障相感應電壓進行統計，對比2016 年07 月24 日21 時31 分500 kV 溪換甲線C 相故障重合成功案例（圖10 中“重合成功1”）、2014 年02 月16 日01 時07 分500 kV 甘換甲線C 相故障重合成功案例（圖10 中“重合成功2”）、2016 年07 月05 日19 時22 分500 kV溪換丙線C 相永久性故障重合不成功案例（圖10 中“重合失敗1”）、2013 年09 月18 日22時56 分500 kV 溪換丙線B 相永久性故障重合不成功案例（圖10 中“重合失敗2”）后發現：對于單相瞬時故障以及單相永久性故障在故障相切除期間，故障相感應電壓存在較大區別，由于線路采用單相重合閘，單相跳閘期間，另外兩個正常相處于運行狀態，因此會在故障相上產生感應電壓，瞬時性故障線路在跳閘期間正常相在故障相上的感應電壓基本為正弦波。對于永久性故障，由于故障切除期間故障相線路上仍然存在接地點，因此非故障相在故障相上的感應電壓則基本為零或為不規則的正弦波，且感應電壓幅值沒有瞬時故障情況下的幅值高，如圖10 所示。

圖10 故障相跳閘期間故障相感應電壓

5 重合閘邏輯改進及驗證

根據重合閘成功與重合閘不成功波形分析可知，在故障相兩側開關跳閘的情況下，瞬時故障的故障相電壓為具有一定幅值的正弦波，但永久性故障的故障相電壓幅值較低且波形不規則，本文根據該現象提出改進型的單相重合閘控制策略，通過故障相切除期間根據感應電壓判斷故障類型，判斷為單相永久性故障后，直接閉鎖重合閘，以降低重合閘期間交流系統單相接地對直流系統的影響，改進后的單相重合閘邏輯如圖11 所示。

圖11 改進型單相故障自動重合閘邏輯

根據上述分析，換流站交流系統單相接地故障可等效為單相接地、缺相運行、重合后快速恢復或重合后再次單相接地并跳開三相的過程。取單相接地持續時間為50 ms，缺相運行時間為1000 ms，重合成功電壓恢復時間為15 ms，重合于永久故障后三相跳閘時間為50 ms，在PSCAD/EMTDC 仿真模型的高壓直流輸電系統測試模型[13-15]中，對改進型單相故障自動重合閘邏輯進行驗證。首先對模型中整流站交流系統等效為4 條交流線路，假設0.6 s 時其中一條交流線路B 相中點發生永久性故障跳閘，經過1000 ms 后，1.6 s 時發出重合指令，若未對重合閘邏輯進行優化，1.6 s 時將重合故障相，經過50 ms 后三相跳閘，若重合閘檢測跳閘相感應電壓不正常后，采用改進型自動重合閘邏輯時，將閉鎖自動重合閘，直接聯調非故障兩相。

重合閘邏輯優化前后交流電壓有效值、整流站觸發角、直流功率、直流電流對比情況如圖12～圖15 所示。

圖12 重合閘邏輯優化前后交流電壓有效值對比

圖13 重合閘邏輯優化前后觸發角對比

圖14 重合閘邏輯優化前后直流功率對比

圖15 重合閘邏輯優化前后直流電流對比

由圖可知，單相跳閘期間交流電壓有效值、直流功率均較額定值稍有偏小，對于永久性故障，采用單相故障直接聯跳非故障相對交流電壓有效值波動影響不大，約降低至額定值的95%，直接重合跳閘相時相當于再次發生單相接地，交流電壓有效值約降低至額定值的85%。由于換相電壓的降低，觸發角指令快速發生改變，直接重合跳閘相將導致整流站觸發角快速降低至最小值5°，采用聯跳非故障相時觸發角波動不大。直接重合故障相時直流電流以及直流功率波動較大，且存在大量諧波，但聯跳非故障相的情況下直流電流以及直流功率變化均較平穩。

6 結束語

交流線路發生單相永久性故障時，通過檢測故障相上的感應電壓大小以及波形判斷故障類型后，對當前采用的重合閘邏輯進行優化，直接聯跳非故障兩相，該措施與重合故障相后再次三相跳閘相比，更有利于提高換流母線電壓的穩定性，直流側諧波更小，有利于提高直流功率、直流電流的穩定性。