特高压换流站直流穿墙套管故障动作策略优化

宋海龙，史 磊，刘若鹏

（国网宁夏电力公司检修公司，宁夏 银川 750011）

特高压换流站直流穿墙套管故障动作策略优化

宋海龙，史 磊，刘若鹏

（国网宁夏电力公司检修公司，宁夏 银川 750011）

针对特高压换流站直流穿墙套管故障导致健全换流器闭锁的问题，采用一种增加特高压换流站换流器差动保护区域的方法，避免单极闭锁后发生直流系统接地电流过大引起直流偏磁的危害。应用结果表明：直流穿墙套管故障引起健全换流器自动重启策略对直流系统利用率有着显著提升。

穿墙套管；换流器差动保护；动作策略；直流偏磁

特高压直流穿墙套管作为换流站直流场和阀厅的连接设备，在整个直流输电工程中处于“咽喉”位置［1］。直流穿墙套管结构非常复杂，制造难度较大［2］；对现场安装工艺要求及试验标准较高［3-4］，大功率运行时具有故障机率高的特点［5-6］。随着特高压换流站传输能力的不断提升，直流穿墙套管的性能好坏将是严重制约换流站直流电压等级突破发展的重要因素［7-8］。直流穿墙套管故障可引起同一极内健全换流器同时闭锁，致使直流系统单极闭锁时，其直流功率损失较大，系统利用率大大降低。

1 问题分析

2015年1月25日，天中直流中州站极Ⅰ800 kV极母线直流穿墙套管闪络，导致3套极母线差动保护动作，致使极Ⅰ直流系统闭锁，损失直流功率3.8 GW；2015年7月13日，宾金直流金华站极Ⅱ800 kV极母线直流穿墙套管内部故障导致3套极母线差动保护动作，致使极Ⅱ直流系统闭锁，损失功率4 GW［9-10］。据统计［11-13］，目前已投运特高压换流站中阀厅直流穿墙套管故障均属于极母线差动保护范围，通常由极母线差动保护而非换流器差动保护动作来闭锁单极以隔离故障，致使该极健全换流器与故障换流器一样造成闭锁，使直流功率损失增大，严重降低了直流系统的利用率。

2 解决方案

2.1 动作策略

为了提高直流系统利用率，针对中州站和金华站2起由于直流穿墙套管故障导致单极闭锁的案例特点，本文提出了一种优化特高压换流站换流器差动保护区域的方法，其动作策略是：将直流穿墙套管阀厅侧光电流互感器移至直流场PLC电抗器外侧，从而将直流穿墙套管纳入换流器差动保护区域，一旦穿墙套管发生故障，则改由换流器差动保护动作来消除故障。

如图1所示，以极Ⅰ为例，将直流穿墙套管阀厅侧光电流互感器T11、T12、T21、T22移至直流场PLC电抗器外侧，将直流穿墙套管由极母线差动保护区域改为换流器差动保护区域，从而缩小直流穿墙套管故障时的影响范围。

图1 光电流互感器测点位置

例如，当特高压换流站两端均处于双极4换流器运行、站间通讯正常，且均为双极功率控制模式时，任意一个换流器直流穿墙套管发生故障后，首先闭锁该故障点所在极，使故障点快速熄弧，待隔离该故障点所在换流器后，再重启该极另一个健全换流器，实现双极三换流器平衡运行，从而达到提升直流系统利用率的目的，并且有效降低了单极大地回线运行的时间。

2.2 策略优化

2.2.1 试验条件

该动作策略需具备以下试验条件：站间通信正常，当站间通信故障时不执行重启；控制保护系统中直流场相关开关、刀闸设备状态指示应与一次设备保持一致；直流极母线及健全换流器等设备无异常，运行回路状态良好；两极均为双极功率控制；极闭锁再重启后双极功率值为重启时刻另一极的功率值；进行极隔离时，若出现中性母线断路器启动失灵，则中止后续操作；预定时间内未能重启成功，则撤销重启指令。

2.2.2 控制保护策略优化

由于换流器差动保护动作时极差动保护也有可能动作，所以当直流穿墙套管故障后自动重启健全换流器时，需进一步调整极差动保护出口的动作策略。

（1）当极差动保护动作时，若有换流器差动保护动作，则认为是换流器保护区域故障，执行重启健全换流器的动作时序。此时，极差动保护仅跳故障换流器交流进线开关，而健全换流器交流进线开关不跳闸，执行重启健全换流器的动作时序。

（2）当极差动保护动作时，若无换流器差动保护动作，则认为是极保护区域故障，执行跳开高、低端换流器交流开关，不重启换流器的动作时序。

如图2所示，直流穿墙套管故障后重启健全换流器的动作时序：当某一个阀组直流穿墙套管发生故障时，其对应阀组的换流器差动保护动作，极闭锁，极隔离，跳开故障换流器交流进线开关，本站故障换流器隔离，对站对应换流器隔离，本站极连接，重启健全换流器。

图2 直流穿墙套管故障后重启健全换流器动作时序

2.3 试验验证

在灵绍直流工程施工期间，现场已将直流穿墙套管阀厅侧光电流互感器移至直流场PLC电抗器外侧，满足增加换流器差动保护区域的基本条件。

2.3.1 现场联调试验

在灵绍直流工程现场调试期间，通过软件置数模拟直流穿墙套管故障，对自动重启健全换流器的新策略进行了充分验证。

当双极4换流器运行，输送功率800 MW，直流电流500 A时，模拟整流站极Ⅰ高端阀组直流穿墙套管发生击穿故障，则故障套管所在极被闭锁，随即隔离故障换流器（对站隔离相对应换流器），待满足判据条件后再重启健全换流器，其保护动作及重启过程如下：

（1）正常运行时，电流 IDCP=IDCN=500 A，差流为0。

（2）当极Ⅰ高端换流器直流穿墙套管故障时，该换流器的差动保护Ⅱ段动作。

（3）换流器差动保护动作闭锁极Ⅰ后，极Ⅱ带800 MW运行。

与此同时，直流控制程序自动重启极Ⅰ低端换流器功能，执行过程如下：

（a）极Ⅰ极闭锁；

（b）极Ⅰ高端换流器由连接转隔离，极Ⅰ低端换流器保持连接状态不变；

（c）极Ⅰ极连接；

（d）极Ⅰ低端换流器重启，与极Ⅱ高、低端双极3换流器平衡运行，功率均为266.7 MW。

图3为极Ⅰ低端换流器自动重启实际波形图。其中，（a）图左侧标示处直流电压UDL为398.126 kV，（b）图左侧标示处直流电流为699.614 A，则直流功率为278.5 MW；（a）图右侧色标示处直流电压UDL为397.111 kV，（b）图右侧标示处直流电流IDCP为648.382 A，则直流功率为257.5 MW，故极Ⅰ低端换流器在266.7 MW附近运行，极Ⅰ高端阀组处于停运状态。

图3 极Ⅰ低端换流器自动重启波形

（e）极Ⅰ以单换流器功率266.7 MW启动运行后，极Ⅱ为双换流器运行，两极均为双极功率控制模式，双极功率实现自动平衡，使接地极电流为零。此时，极Ⅰ功率为266.7 MW运行，极Ⅱ功率为533.3 MW运行，即双极800 MW运行，故障后无功率损失。

基于以上试验初始条件，当采用以往动作策略时，极Ⅰ高端换流器直流穿墙套管发生故障，则极Ⅰ极母线差动保护动作，故障套管所在极被直接闭锁而健全换流器不再重启，致使直流系统处于极Ⅱ单极800 MW大地回线运行，其接地极电流较大，为1 kA。

2.3.2 网联联调试验

在灵绍直流网联调试期间，通过实时仿真系统进行直流穿墙套管故障模拟，反复验证健全换流器自动重启逻辑的正确性。

当直流系统双极4换流器8 GW满负荷运行，整流站极Ⅰ高端换流器直流穿墙套管发生故障时，换流器差动保护动作闭锁极Ⅰ后，极Ⅱ先进入3 s过负荷4.8 GW运行，随即进入2 h过负荷4.2 GW运行。当极Ⅰ低端阀换流器2 00 MW功率重启后，极Ⅰ为单换流器运行，极Ⅱ为双换流器运行，双极均为双极功率控制模式，双极功率实现自动平衡，使接地极电流为零。此时，极Ⅰ为1.4 GW运行，极Ⅱ为2.8 GW运行，损失功率3.8 GW。

基于以上满负荷试验条件，当采用以往动作策略时，极Ⅰ高端换流器直流穿墙套管发生故障，则极Ⅰ极母线差动保护动作，故障套管所在极被直接闭锁而健全换流器不再重启，致使极Ⅱ处于单极4 GW大地回线运行，其接地极电流更大，为5 kA，损失功率4 GW。

3 效果评价

3.1 技术对比

在现场联调试验和网联联调试验中，采用以往策略时大地中均要流过较大的直流电流，其产生的直流偏磁将严重影响换流变及周围变压器的安全稳定运行［14-15］，而采用新策略时大地中流过的直流电流为零，其技术优势显著。

3.2 经济效益

以直流系统双极4换流器8 GW满负荷运行，整流站某一换流器直流穿墙套管发生故障为例，新策略下自动重启健全换流器可减少200 MW的直流功率损失，也就相当于2 h事故处理期间可节省约15.5万元经济损失。

4 结论

（1）本文提出了一种通过将阀厅内光电流互感器外移而增加换流器差动保护区域的方法。通过现场联调试验和网联联调试验，充分验证了直流穿墙套管故障后自动重启健全换流器控制保护功能的正确性。

（2）直流穿墙套管故障引起健全换流器自动重启策略对直流系统利用率有着显著提升，可避免单极闭锁后发生直流系统接地极电流过大引起直流偏磁的危害。

（3）直流穿墙套管故障引起健全换流器自动重启策略降低了直流穿墙套管故障时直流功率的损失，其经济效益显著。

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Optimization of DC wall bushing faults action strategy in UHV converter station

SONG Hailong，SHI Lei，LIU Ruopeng
(Maintenance Filiale of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China)

Aiming at the problem of DC wall bushing faults leading to the healthy converter blocking in UHV converter station,using the method of enlarging the converter differential protection area of UHV converter station avoids the hazard of DC magnetic bias due to large DC system earth current after the monopoles blocking.The result shows that the automatic restart strategy of the healthy converter causing by DC wall bushing faults can promote significantly the utilization ratio of DC system.

wall bushing;converter differential protection;action strategy;DC magnetic bias

TM721.1

B

1672-3643（2017）01-0044-04

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.009

2016-10-26

宋海龙（1988），男，工学硕士，助理工程师，从事交直流测量装置的研究。

有效访问地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.009