直流系统发生紧急移相遇雷击故障时功率反向保护动作分析

三峡电力职业学院 王丽丽 王 涛

湖北超高压输变电公司 戴 迪

一、引言

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3000MW，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。本文简要介绍了故障发生时的设备运行情况，结合故障发生后线路寻线结果，对直流系统在发生紧急移相后，遭受雷击故障后的能量释放过程进行了详细分析，合理的解释了换流站内功率反向保护的动作原因，再此基础上，提出了避免功率反向保护误动的改进方法，避免了该类故障的再次发生。

二、故障描述

2011年7月26日江陵站功率反向保护动作，极II直流闭锁。经查极II直流线路在故障时刻遭受正电荷雷击。现场检查功率反向保护的动作条件判断本次功率反向保护动作正确。下面将对正电荷雷击后，雷击能量如何释放及泄流通道的构成进行分析。

三、雷电流泄流回路分析

江陵站极II直流线路主接线图如图1所示。

当正电荷雷击中极II直流线路时，雷电波沿线路传播。根据运行人员现场检查，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2所示。

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。之后直流线路再启动逻辑开始紧急移相，触发角ALPHA变为160度。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[3-4]。

极II换流变交流进线开关跳开前至紧急移向后，由录波图上可以清楚的看到，当ALPHA角变为160度后UDL经过一个较大电压幅值的震荡后，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。同时随着雷电能量向交流系统释放IDL、IDP、IDNE、IDNC均出现震荡衰减。录波图中IDL、IDP、IDNE、IDNC幅值及方向基本相同，表明雷电流流经以上四个测点且在以上四个测点范围内无其他泄流通道。查看极II换流变阀侧电流如图3所示。

由图3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，证明在此期间的雷电流能量通过换流变往交流系统释放。由以上分析及录波图电流方向，在紧急移相至交流开关跳开期间的雷电流泄流回路如图4所示。

图2 极II故障录波图

图1 江陵站一次主接线图

图3 换流变阀侧电流波形

图4 紧急移相至交流进线开关跳开前雷电流回路图

图5 极I直流故障录波图

图6 极II直流故障录波图

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。

四、算例验证

查看极I、极II直流录波图如图5，图6所示。

选取极II故障录波发生时刻的断面，观察IDEL电流值为2130A，极II IDNE电流为2340A，二者之和恰为极I IDNE电流值4400A。证明图3雷电波泄流回路正确。

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。

随后控制系统继续完成极隔离操作，极II直流闭锁。（换流变分接头及刀闸拉开过程均为交流开关跳开后的数秒后才执行完成，超出录波时间范围。）

五、总结

本次故障中极II线路遭受正电荷雷击，避雷器未动作导致雷电能量无法通过避雷器释放。只能沿线路传递至站内，并通过紧急移相后的换流阀将能量释放，其雷电流本身则通过换流阀流入极中性区域完成泄流过程。

惠州站由于换流阀通流方向与江陵站相反，雷电流无法流过惠州站，故惠州站录波仅UDL出现与江陵站相同的波动，但IDL、IDP、IDNE、IDNC均为零。此次雷击若为负电荷雷击则惠州站将会出现与江陵站相同情况。

根据以上分析，本次故障的根本原因在于，直流线路再启动过程中换流阀处于紧急移相状态，对整流站来说，其状态由整流变为逆变，若此时线路上有能量需要释放，则整流站变为逆变站，导致功率反向保护动作闭锁单极。为避免此类情况的发生，可在直流线路再启动过程中闭锁功率反向保护，防止保护动作造成直流闭锁。

[1]田杰.高压直流控制保护系统的设计与实现[J].电力自动化设备,2005,25(9):10-14.

[2]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004.

[3]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M].北京:电力工业出版社,1982.

[4]吴娜.高压直流输电系统分析与控制初探[D].昆明理工大学,2005.