一起换相失败导致直流闭锁故障分析及其阀控策略优化研究

蒋智宇

（南方电网公司超高压输电公司广州局，广州 510405）

一起换相失败导致直流闭锁故障分析及其阀控策略优化研究

蒋智宇

（南方电网公司超高压输电公司广州局，广州 510405）

文章研究了直流输电系统中针对换相失败的阀控策略，指出现有控制策略在临界条件下存在极控系统检测不到交流低电压信号，VBE无法闭锁回检信号的检测而造成跳闸的隐患。通过详细分析网内交流系统故障导致换流站直流换相失败而闭锁的故障过程，进一步验证现有阀控策略的隐患。文章最后针对采样回路进行优化。

换相失败；低电压检测；回检信号；采样回路；阀控策略

换相失败是直流输电系统中高发故障之一，触发脉冲丢失、交流系统故障以及阀片故障等都是造成换相失败的原因［1-2］。南方电网具有强直流、弱交流的电网特征，发生交流故障时，直流输电系统容易受到扰动而发生换相失败。现阶段通过加强电网的交流系统建设来减少交流系统故障对直流输电系统的影响的方法不具备可行性，通过优化换流站控制保护装置的配合、改进对于换相失败的控制策略来增强直流系统抗干能力更具有优越性［3］。

1　换相失败特征及危害

一般来说，单次次换相失败有以下故障特征：短接位于在交流同一相上的一对阀同时导通，直流电流短时增大，交流侧电流减少，在换相失败瞬时间，直流侧电流上升，直流电压下降；两次连续换相失败有以下故障特征：阀V1和阀V2连续导通一个周波，逆变器直流电压反向半周，直流电流持续流过换流变，产生偏磁，工频分量进入直流系统［4］。

在系统发生短时的换相失败，故障恢复后，直流系统通常都能恢复正常运行。对于长时间的连续换相失败，则可能引起直流系统电压电流的长时间不正常，引发阀塔设备损坏、二次控制保护设备损坏，从而对交直流输电系统造成较大冲击［5］。

2　换相失败阀控策略及隐患分析

2.1直流换相失败控制策略

换相失败可能导致直流系统一、二次设备损坏，控制保护设备在监测到长时间换相失败后应切除故障［6］。目前国内高压直流系统针对换相失败制定的控制策略主要有以下两大类。

1）以贵广Ⅱ回高压直流输电系统为例，极控系统通过检测熄弧角判断换相失败［6］。当发生单次换相失败时，系统会自行恢复稳定运行。当发生长时间换相失败时，极控系统会延时300ms切换极控系统，若换相失败已导致直流系统无法恢复正常运行，则通过直流保护将直流闭锁［7］。此类控制策略中换相失败不会直接跳闸，而是在造成影响后直流保护跳闸。

2）以牛从直流为例，见表1，牛从直流采用的是分段保护原理进行控制。以星侧换相失败保护为例，主极控系统在860ms内检测到20次换相失败，延时400ms切换极控系统；在860ms内检测到30次换相失败，延时600ms将相应极退至备用状态。该类控制策略增加了计次原理进行控制，同时针对严重的换相失败情况增加了换相失败跳闸保护。

表1　牛从直流换相失败控制策略

2.2阀监控策略及交流母线低电压检测原理分析

阀控系统的主要组成部分为VBE、TVM板、MSC和RPU单元，VBE包括处理器、TC&M板、光发射与接收板、RPU单元控制及极控接口部分［7-8］。VBE与阀片的光路连接如图1所示。TVM板的作用为监视阀片的运行情况，并在阀片正常情况下发送回检信号至极控TC&M板中。当晶闸管发生电压过低时，TVM板不会发出回检信号，VBE检测不到回检信号时便开始根据时间计时，在连续三个完整出发周期检测不到阀片级的回检信号，便会发阀无回检信号。累计达到和超过4块阀无回检信号，VBE跳闸。

图1　VBE与晶闸管光路连接示意图

换相失败极有可能引发阀塔设备损坏、二次控制保护设备损坏，一次设备、二次设备的损坏以及控制保护的逻辑错误都会导致阀片故障。为了防止换相失败期间VBE先检测到一定数量的阀片无回检信号跳闸而先于极控换相失败控制策略未动作，极控系统会检测交流母线电压跌落信息，用于闭锁VBE对于回检信号的检测。以从西站为例，从西站交流低电压检测逻辑如图2所示。在极运行时，当主极控检测到换流变交流侧三相电压（采样电压在软件内滤波）均大于比较基值，发“换流器交流母线低交流电压off”信号给VBE系统，此时VBE系统正常检测阀回检信号。当监测到交流侧三相电压（采样电压在软件内滤波）任意一相小于比较基值时，延时8ms“换流器交流母线低交流电压被检测到”告警信号出现，由此锁定VBE的对于回检信号的监视功能。

图2　从西站交流低电压检测逻辑示意图

2.3阀监控策略隐患分析

无论是第一类还是第二类控制策略，当检测到长时间换相失败，控制保护才进行切极控或闭锁直流等保护行为。由于控制系统检测换相失败延时较长，极端情况中，若换相失败已导致了阀片故障致使TVM板无回检信号送至VBE系统，同时交流母线电压并未跌落至定值以下，极控系统不会闭锁VBE对于回检信号的检测，此时会导致VBE检测不到阀回检信号，阀内出现4块以上阀片检测不到回检信号时，相应极跳闸。此时存在控制策略失效的隐患。

3　一起换相失败导致直流闭锁事故案例分析

2015年08月20日13时55分，南方电网网内500kV增穗甲线A相故障跳闸，造成从西换流站牛从直流双回四极、广州换流站天广直流双极和隧洞换流站楚穗直流双极四阀组同时发生换相失败。期间从西换流站SER报牛从乙线直流极1Y4换流阀27至78号晶闸管故障，Y4换流阀无晶闸管冗余，极1VBE系统发跳闸请求，牛从乙线直流极1闭锁，其余直流在交流系统扰动结束后均恢复正常运行。

如图3至图5录波可见，穗东站增穗甲线A相跳闸后，穗东站交流母线出现了电压跌落现象，此时直流双极共四阀组均出现了直流电流上升，直流电压下降，熄弧角集聚减小的情况，由此引发换相失败。录波中可以看出，故障持续时间较短，在直流系统发生单次换相失败后，很快恢复了稳定的运行。

图3　增穗甲线A相故障跳闸重合成功录波

图4　穗东站极1高端阀组故障时刻录波（以极1为例）

图5　牛从乙线极1故障时刻换相录波

从西站交流母线电压A相有明显跌落，由于直流电动势E的存在，在Y4桥臂本该关段的时间段里它仍然开通，Y6本开开通时由于Y4依然导通，Y6短时导通后就关断，这样就造成了Y4、Y5桥壁的短路，直流侧电流上升，直流电压下降。此时由于Y4桥臂27号至78号晶闸管发故障信号，由于同一桥臂超过4块晶闸管故障，直流跳闸。

通过分析从西站工作站事件记录，牛从甲、乙线直流四极八套极控系统中，故障时刻共有五套极控系统检测到交流母线电压低告警，且每条直流每一极至少一套极控系统检测到了此告警，但只有牛从乙线极1跳闸。具体情况见表2。

表2　故障时刻各极控系统检测到低电压的情况

图6至图9为故障时刻牛从甲、乙线主极控系统录波，由录波可见，故障时刻，牛从甲、乙线极控均检测到电压有所跌落，但幅度不大。牛从甲线极1、极2和牛从乙线极2在出现波动后均回复正常运行，牛从乙线极1在出现波动后无法恢复正常运行而跳闸。

图6　牛从甲线极1极控故障时刻录波

图7　牛从甲线极2极控故障时刻录波

图8　牛从乙线极1极控故障时刻录波

图9　牛从乙线极2极控故障时刻录波

结合上表和故障录波情况可得出：

1）四极交流侧电压均有跌落，但幅度并不大；交流电压处于低电压被检测到的临界值，由于单极两套极控采用的不同采样回路，极控检测量存在差异，因此可能导致部分极控检测交流侧电压未达到定值而未发“检测到交流低电压”信号。

2）四极都有至少一套极控系统检测到交流低电压信号，但唯独牛从乙线的极1在运行的极控系统未检测到，这就导致极1极控系统未能闭锁VBE对回检信号的检测，VBE在3个周期内未检测到回检信号，发阀无回检信号，累计达到额定数量阀片，于是发生跳闸。

4　阀控策略改进意见

4.1缺陷描述

从西换流站案例说明在发生临界情况下换相失败确有可能导致VBE跳闸先于极控控制策略动作的隐患，该情况说明了现有阀控策略有以下缺陷：

1）阀控策略与保护配合存在隐患。控制系统检测换相失败延时较长，若换相失败已导致了阀片故障致使TVM板无回检信号送至VBE系统，同时交流母线电压并未跌落至定值以下，极控系统不会闭锁VBE对于回检信号的检测。

2）采样回路无冗余配置。从西站两套极控系统对于三相交流电压的采样均有独立采样回路，如图10所示。因此两个站在发生交流电压跌落到临界值时，均有可能出现一套系统检测到低电压而另一套系统不能检测到低电压，并且在低电压期间闭锁VBE对阀的检测功能均由主极控系统执行，因此可能存在案例事件中极控无法闭锁VBE监控功能而引发跳闸的风险。

图10　原采样回路中极控系统闭锁回检信号功能流程

4.2优化建议

针对此情况可对采样回路进行优化改进，同时采用两套系统的测量值进行判定，如图11所示。两套极控系统分别进行交流侧电压采样，通过比较器对比两套系统电压采样值是否偏差过大。如果偏差过大，仍然采用主系统的采样值进行判定；若偏差在正常范围内，则通过比较两套系统的采样值后，取低值出口。该优化方案的优越性在于不增加回路的基础上将采样回路进行冗余化配置，在一定程度上避免原采样方式中由于单套采样回路发生故障造成控制系统不正常运行。

图11　优化后极控系统闭锁回检信号功能流程

5　结论

在强直弱交的电网系统中，交流系统故障可能导致多条直流的换相失败。从西站此次故障是由于在换相失败期间出现由于电压跌落至临界点，主极控系统未检测到低电压而未闭锁VBE对回检信号的检测，导致阀无冗余相应极跳闸的极端情况。该事故暴露出该该站控制策略不严谨、交流电压采样回路无多重配置等问题。本文最后从逻辑上优化了从西站交流电压采样回路，提出由原有每一套极控系统对应单一的采样回路的设计优化为将两套极控系统的采样回路同时进行采样，互为冗余，可以大大降低该类事故发生的概率，为今后超高压直流输电系统类似逻辑提供参考。

［1］ 赵畹君. 高压直流输电工程技术［M］. 北京： 中国电力出版社， 2004.

［2］ 林凌雪， 张尧， 钟庆， 等. 多馈入直流输电系统中换相失败研究综述［J］. 电网技术， 2006， 30（17）：40-46.

［3］ 何朝荣， 李兴源， 金小明， 等. 高压直流输电系统换相失败的判断标准［J］. 电网技术， 2006， 30（22）：19-23， 58.

［4］ 荆勇， 任震， 欧开健. 天广直流输电系统换相失败的研究［J］. 继电器， 2003， 31（10）： 32-36.

［5］ 王学之， 周全， 国建宝. 南方电网直流换相失败机理及判别方法［J］. 南方电网技术， 2013， 7（6）： 44-47.

［6］ 殷培峰， 马应魁， 马莉. 基于直流输电系统换流器谐波的分析与处理［J］. 电气自动化， 2014， 36（1）：79-81.

［7］ SIEMENS. Valve base electronics maintenance manaual EB4［Z］. 2008.

［8］ SIEMENS. Valve base electronics system information manaual EB2［Z］. 2008.

The HVDC Faults Caused by End of Current Failure Analysis and its Valve Control Strategy Optimization Resurch

Jiang Zhiyu
（Guangzhou Bureau， CSG EHV Power Transmission Company， Guangzhou 510405）

This paper analyses End of Current Failure corresponding valve control strategy in HVDC. It is pointed out that a potential risk existed which can causes check-back signal can't be decteted by VBE and causes HVDC tripping in existing control strategy when low AC voltage cannot be detected by pole control systems under some critical conditions. Then this paper analyzes a HVDC tripping accident caused by AC system fault in order to validate this control strategy risk. In the last part of this paper， optimization of sampling circuit is proposed.

end of current failure； low voltage detection； check-back signal； sampling circuit； valve control strategy

蒋智宇（1990-），男，湖南永州人，本科，工程师，主要从事高压直流输电运行及维护工作。