线路雷击故障导致江陵站反转保护动作

2012-06-23曹诗玉王丽丽韩绪鹏

电气技术 2012年9期

曹诗玉于雷王丽丽韩绪鹏

（1.湖北超高压输变电公司，湖北宜昌 443003；2.三峡电力职业学院电力工程学院，湖北宜昌 443000）

江陵-鹅城高压直流输电工程（简称江城直流工程）是华中与南方电网间电能交换的跨区联网工程，2002年4月25日开工建设，2004年6月6日正式投产。江城直流工程双极额定容量3GW，额定电压±500kV，双极换流阀采用 12脉动接线方式，两端换流站中直流控制、保护功能的实现均采用ABB公司MACH2系统[1-2]。2011年7月26日，江城直流线路因雷击故障造成江陵站功率反向保护动作闭锁极II直流系统。本文在对江城直流工程中相关直流保护的原理及动作逻辑进行简要介绍后，通过故障时刻的波形对雷击故障引起功率反向保护动作的形成原因进行了分析，对雷击能量的整个释放过程进行了研究，最后用仿真试验进行了验证，为本工程及其它工程的运行、维护提供参考。

1 故障描述

2011年7月26日21︰51︰59，江陵站极II控制保护系统行波保护及突变量保护动作，经过80ms后，极II控制保护系统发“功率反向I段跳闸”、“功率反向II段跳闸”信号，极II直流系统闭锁，告警事件记录如图1所示。

正常情况下直流线路在遇到雷击故障后，行波保护和突变量保护会检测到故障并开始直流系统的再起动过程，通过两次全压和一次降压再起动大部分雷击故障均能消除，直流系统重新恢复运行。若两次全压及一次降压再起动均失败，则会闭锁故障线路对应的直流极。

从此次江陵站线路雷击故障来看，行波保护与突变量保护均检测到故障，直流系统进入到再起动过程，但在再起动过程中突然出现功率反向保护动作将直流极闭锁。这与以往的线路遭雷击故障均不相同，线路遭雷击故障引起“功率反向I段跳闸”、“功率反向II段跳闸”信号，极II直流系统闭锁，在江城直流系统还是首次出现，其它超高压直流输电系统也不多见。针对出现的异常情况，现场对站内直流场避雷器动作情况进行了检查，检查结果见表1。

图1 事件列表

表1 避雷器动作情况表

由表1初步判断雷击时刻，站内避雷器未发生动作。查看ABB线路故障测距，发现在21:52:00:870时测距起动，故障测距20.1kM。

2 功率反向保护动作分析

功率反向保护是为了防止控制系统故障引起直流功率在短时间内出现反向而对交流系统造成冲击，保证两端交流系统的稳定运行，在直流保护中设置了功率反向保护。该保护的动作判据为：在没有功率反向指令的条件下，一定时间内直流电压的绝对值超过定值且极性发生反向，直流功率也超过定值时，保护动作，经不同延时分别发出切换直流控制系统和闭锁直流系统指令[3-4]。江城直流工程的功率反向保护逻辑如图2所示。

由图2可知功率反转保护通过判断线路电压UDL在500ms内的变化情况，来决定保护是否出口，其动作定值如下：在保护I段：|UDL|×IDNE＞300MW，延时50ms切换系统，延时 70ms跳闸；在保护 II段：|UDL|×IDNE＞200MW，延时80ms切换系统，延时100ms跳闸。故障时刻的波形图如图3所示。

图2 功率反向保护动作逻辑图

分析图3故障录波，极II直流线路电压UDL下降，直流线路电流IDL由3000A迅速上升至7000A；结合故障测距结果，说明极II直流线路确实存在故障。

极II直流线路电流IDL与极II换流阀高压侧电流IDP变化趋势基本一致，说明直流电流测量设备工作正常。极 II直流线路电压 UDL在线路故障前为-500kV，故障后才发生变化，说明直流电压测量设备工作正常。

故障发生 10ms后，极II直流线路电压 UDL由-500kV转变为正电压，并维持在 400kV至 700kV之间波动，极II直流电流在536A至3000A之间波动，并且持续时间约 100ms，满足功率反向保护 I段及II段动作条件。

由以上分析判断，功率反向保护动作正确，但正常情况下的直流再起动波形如图 4所示。由图 4可以看到，当系统触发角 α从 13°移相至 160°（紧急移相）后，换流阀由整流转为逆变，直流系统能量通过换流变向交流系统释放。一般情况下，直流线路能量能够迅速释放，直流线路电压 UDL、电流IDL迅速降为零，这与本次江陵站雷击故障后的电流电压波形有很大不同。图3中的故障波形在触发角α变为 160°后依然能够维持一定幅值的线路电压UDL与线路电流IDL，表明雷电能量仍然在继续释放。由此判断本次江陵站功率反向保护动作可能是由于故障发生时天气恶劣且雷雨交加，带电云层容易向与其极性相反的直流极线放电造成。放电后，雷电能量在换流阀转为逆变后继续释放并达到功率反向保护动作条件，从而引起功率反向保护动作。

3 雷电流泄流分析

经查极 II直流线路在故障时刻遭受正电荷雷击。当正电荷雷击中极II直流线路时，雷电波沿线路传播。由于江陵站站内无避雷器动作，故雷电波无法通过避雷器将雷电能量泄入大地，只能继续沿线路传播到江陵站内，查看极II故障录波图如图5所示。

图3 极II故障录波图

图4 正常雷击故障录波图

正雷电波传播到站内后，在紧急移相未开始前极II直流线路电压 UDL受正雷电波影响由原来的-500kV变为+500kV。由于此时换流阀还处在整流状态，UDN同时被抬高到约450kV。极II直流场区域内各测量电流均受雷电波影响出现较大的峰值。之后直流线路再起动逻辑开始紧急移相，触发角 α变为160°。此时换流阀变为逆变状态，雷电能量开始通过逆变过程经换流变向交流系统释放。

紧急移向后至极II换流变交流进线开关跳开前，由图5可以清楚地发现，当α角变为160°后，UDL经过一个较大电压幅值的峰值后电压从约550kV逐步震荡衰减，直至换流变交流侧进线开关跳开。随着雷电能量向交流系统释放IDL、IDP、IDNE、IDNC均出现震荡衰减。图5中IDL、IDP、IDNE、IDNC幅值及方向基本相同，表明雷电流流经以上4个测点且在以上4个测点范围内无其他主要泄流通道。

查看极II换流变阀侧电流如图6所示，由图6看出换流变阀侧电流在紧急移相后至交流开关跳开前有电流存在，证明在此期间的雷击能量通过换流变往交流系统释放。由以上分析及图5各电流方向可推断出在紧急移相至交流开关跳开期间的雷电流泄流回路如图7所示。

雷电流流经换流阀后与接地极电流合流，流入极 I中性母线，完成泄流过程。在紧急移相发生约270ms后，极II换流变进线侧开关跳开。此时雷电波能量无法继续送往交流系统，逆变过程停止。雷电波少量残余能量继续保存在线路上并将线路电压保持在110kV左右。

查看极II中性线冲击电容电流ICN如图8所示，极II直流线路故障发生时刻，流过冲击电容电流剧增，后震荡衰减为零，说明极II直流线路部分能量通过冲击电容进行释放。

查看极II直流滤波器电流如图9所示，在极II极母线电压 UDL发生翻转后，两组直流滤波器穿越电流也发生剧烈波动，说明部分雷电流穿越直流滤波器直接入地。当然故雷电流除图7的泄流通道外，还有少部分雷电流通过冲击电容器及直流滤波器流入大地。

图5 极II故障录波图

图6 换流变阀侧电流波形

图7 紧急移相至交流进线开关跳开前雷电流回路图

图8 冲击电容故障录波图

图9 直流滤波器穿越电流录波图

4 仿真实验

为验证以上功率反向保护动作分析的正确性，下面将在数模混合仿真设备上进行如下仿真试验。仿真条件如下：直流双极运行，双极功率控制，模拟极 I发生线路故障时，在线路靠近逆变侧加入一个带谐波的直流电压源。在上述条件作用下，仿真波形如图10所示。

试验结果显示，此时整流侧检测到直流电流及直流电压，满足功率反向保护动作条件，直流未完成重起动即闭锁。将图10与图5对比，电压UDL，电流IDNE和IDNC波形变化趋势基本一致，仿真试验基本重现了江陵站极II功率反向保护动作的现象。

5 结论

通过仿真试验表明，江陵站极II线路故障后直流电压反向短时达到700kV且由于满足功率反向保护动作闭锁极II直流极，其原因是由于雷击或雷雨云产生的感应电压使得极II线路发生闪络，闪络所产生的电弧无法熄灭，同时直流线路压差形成电流使得整流站变成逆变运行，形成电流环流回路，最终导致江陵站功率反向保护动作闭锁直流，功率方向保护动作正确。