换流器阀侧零序电压保护异常原因分析及对策

赵晓明，华 文

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

换流器阀侧零序电压保护异常原因分析及对策

赵晓明，华 文

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

通过对一起舟山±200 kV多端柔性直流输电工程换流站启动试验中换流器阀侧零序电压保护的异常动作波形分析，找到保护动作异常的原因是：在有源HVDC（高压直流输电）运行模式下，换流阀不控充电完成后，充电电阻旁路闸刀三相不同步合闸产生的零序基波电压将大于保护定值。分析表明，抬高零序电压保护动作定值，同时加入三次谐波制动判据，可以有效防止换流器阀侧零序电压保护误动。

多端柔性直流输电；高压直流输电；零序电压保护；三次谐波制动

1 保护系统概要

舟山±200 kV多端柔性直流输电示范工程是我国也是全世界首个五端柔性直流输电工程，分别于舟山本岛、岱山岛、衢山岛、泗礁岛及洋山岛设置换流站，换流站的直流电压等级为±200 kV，容量分别为：舟定换流站400 MW、舟岱换流站300 MW、舟衢换流站100 MW、舟洋换流站100 MW、舟泗换流站100 MW。换流站采用基于模块化多电平技术的电压源换流器，各换流站间采用海缆连接。柔性直流输电工程的保护系统采用双重化保护配置，即PCPA和PCPB 2套保护控制系统，每套保护均采用“启动+保护”的出口逻辑，启动和保护装置从采样、保护逻辑到出口的硬件设备完全独立，只有起动通道开放，同时保护通道达到动作定值才会出口，每套保护系统均能确保单一元件损坏时本套保护不误动。保护系统共有3个层次，即系统级、换流站级和换流器级。由于每个保护对象故障导致的后果均会对整个系统产生影响，不存在单独切除交流保护对象的可能性，因此将系统级、换流站级和换流器级的保护系统配置在同一主机内，以方便各层保护之间的数据交互，提高保护系统的可靠性，同时也有利于保护控制系统与VBC（阀控系统）的接口界定。保护系统按被保护的一次设备分为数个保护区：站内交流连接母线区主要对联接变压器与换流器之间的交流母线进行保护；换流器区主要对换流器、换流器与交流母线的部分连接线路以及桥臂电抗器进行保护；直流场保护区主要对直流输电线路以及直流线路上串联的直流电抗器和共模抑制电抗器等设备进行保护。以换流器保护为例，换流器区主要配置了交流过流保护、桥臂过流保护、桥臂电抗器差动保护、阀侧零序分量保护、阀差动保护和桥臂环流保护等。

2 阀侧零序电压保护误动实例

在舟泗换流站有源HVDC方式下对换流器进行不控充电试验时，发现PCPB报“交流阀侧零序电压保护动作”，而PCPA则未有任何故障信息报出。

虽然PCPB报“交流阀侧零序电压保护动作”，但是保护并未出口，换流阀未闭锁，联接变压器交流断路器也未跳闸。调取录波图进行分析，发现PCPB的保护元件动作，但启动元件未动作；而PCPA的保护元件未动作，启动元件也未动作。当时控制系统运行模式为A系统运行、B系统备用。因为控制保护完全采用双重化的保护配置，即每套保护都采用“启动+保护”的出口逻辑，所以当仅有“保护”动作而“启动”未动作时，保护不出口是正确的。查勘一次设备，并未发现任何异常，表明“交流阀侧零序电压保护动作”很可能是保护动作异常。

交流阀侧零序电压保护动作波形如图1所示。图中UA，UB，UC为阀侧C相电压，iA，iB，iC为联接变压器的阀侧三相电流，3U0为阀侧零序电压，3U0-RMS为阀侧零序电压基波有效值，TR1为交流阀侧零序电压启动元件，TR2为交流阀侧零序电压保护元件。iA，iB，iC是在联接变压器阀侧充电电阻旁路闸刀合闸时产生的暂态充电电流，从图1可以看出三相电流并非同时出现，而是C相电流先出现，200 ms后A相电流出现，500 ms后B相电流出现。从三相电流出现时刻不一致，可以推断出旁路闸刀合闸不同步，C相先合闸，随后A相合闸，最后B相合闸。伴随着旁路闸刀的先后合闸，阀的充电回路出现了三相不对称，导致阀侧C相电压UC降低，UA和UB抬高，出现了明显的不平衡电压3U0。图1显示3U0-RMS在C相合闸后迅速抬升至0.44 p.u.，150 ms后仍有0.39 p.u.。根据PCP保护整定定值，当不平衡电压3U0基波电压大于0.4 p.u.，且持续150 ms不小于0.38 p.u.后，保护动作。显然此时已经达到保护动作定值，PCPB保护动作元件TR2在不平衡电压产生150 ms后触发并展宽了100 ms返回，TR1没有触发是因为启动元件与保护元件的采样模块是完全独立的，启动元件在150 ms后刚好小于0.38 p.u.，所以启动元件未动作。

图1 交流阀侧零序分量保护动作波形

3 交流阀侧零序电压保护的改进

由上述分析可知，在有源HVDC不控充电运行方式下，充电电阻旁路闸刀合闸时极易发生交流阀侧零序电压保护误动。必须完善和改进交流阀侧零序电压保护动作的判据和逻辑，优化整定定值。

分析图1可以看出：3U0在旁路闸刀合闸过程以及合闸完成的前后均含有丰富的三次谐波成分，保护动作时的阀侧零序电压谐波含量如图2所示。

对3U0电压进行频谱分析可知，在充电电阻旁路闸刀C相已合闸而另外2相还未合闸的t1时刻，三次谐波达到了基波的86%；在A相合闸后的t2时刻，三次谐波达到了基波的175%；在3相都已经合闸的t3时刻，基波含量接近于零，波形几乎全部是三次谐波分量。由此可以得出如下结论：在旁路闸刀合闸过程中，三相闸刀合闸时间不一致，将导致联接变压器阀侧产生零序电压，且零序电压含有大量的三次谐波分量。

为验证阀侧区内区外接地故障时的谐波分量特征，利用PSCAD进行了仿真。图3为区内单相接地故障的零序电压仿真波形，图4为区外单相接地故障的零序电压仿真波形。分析得知，在联接变压器阀侧区内单相接地故障时，基波电压含量接近于1.0 p.u.，而三次谐波含量极低；在联接变压器阀侧区外单相接地故障时，基波电压含量约0.34 p.u.，三次谐波含量也非常低。因此，可以利用三次谐波作为制动判据来完善保护逻辑，即当三次谐波含量大于给定的定值后，闭锁交流阀侧零序电压保护，只有当基波电压大于定值且三次谐波含量低于定值时保护才动作。分析图3、图4可以得知，区内故障时零序电压基波分量要远大于区外故障，因此可以抬高基波电压定值来躲开区外故障。

图2 阀侧零序电压谐波含量

图3 区内单相接地故障时零序电压仿真波形

图4 区外单相接地故障时零序电压仿真波形

4 结语

通过对交流阀侧零序分量保护动作波形图和区内区外单相接地故障时零序电压仿真波形图的分析，可以得知：联接变压器阀侧接地故障时，无论区内区外，其基波零序电压都将显著上升，而三次谐波零序电压分量几乎为零；HVDC不控充电时，在合旁路闸刀的过程中会产生基波零序电压，也会有大量的三次谐波分量，因此在保护判据中增加三次谐波制动判据，同时抬高基波零序电压保护的动作门槛，就可以有效防止交流阀侧零序分量保护误动。

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（本文编辑：龚 皓）

Cause Analysis and Countermeasures on Maloperation of Zero-sequence Voltage Protection at Converter Valve Side

ZHAO Xiaoming，HUA Wen
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The paper introduces maloperation of zero-sequence voltage protection at converter valve side during startup test in converter station of Zhoushan±200 kV multi-terminal VSC-HVDC project.By waveform analysis，it is found that in the operation mode of active HVDC when uncontrolled charging of converter valve is finished，zerosequence voltage of fundamental wave caused by three phase asynchronous closing of charging resistor bypass switch is larger than the protection setting.The analysis shows that protection maloperation of zero-sequence voltage at converter valve side can be effectively prevented by means of rising the protection setting of zero-sequence voltage and adding criterion of third harmonic restraint.

multi-terminal VSC-HVDC；HVDC；zero-sequence voltage protection；third harmonic restraining

TM862+.3

B

1007-1881（2015）08-0001-04

2015-04-12

赵晓明（1976），男，高级工程师，从事电力系统继电保护及控制相关工作。