基于一起跳闸事故的换流阀电压应力保护分析

施纪栋

（国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏　南京　211100）

1　事故过程

某特高压换流站[1]发生极 2低端阀组（Y／Y 接）A相换流变[2]分接开关控制回路继电器故障，导致换流变档位不一致，现场按照规程就地调节同步分接开关位置时，电压应力限制功能启动分接开关降档，造成极2低端换流变档位相差过大，换流变饱和保护动作。故障前，双极三阀组运行输送功率5 000 MW，故障后双极高端阀组3 950 MW大地方式运行，安控装置正确动作，切除电厂机组两组[3]。

事故的直接原因为A相换流变分接头档位故障且停留在了高档位上，换流阀的电压应力保护动作，降低分接头档位时导致分接头失步，进而产生偏磁电流。故障录波显示，电压应力保护动作时理想空载电压 Udi0达到 239 kV[4]，超过 Udi0L定值[5]。 现场手动切分接头操作回路电源时，极2低端A相换流变档位26档，其余5相均为15档，导致换流变中性点偏磁电流达到换流变饱和保护II段定值0.098 A，延时280 s动作出口。故障录波及事件显示保护动作行为正确。

2　电压应力保护简介

2.1　电压应力保护功能配置

ABB 路线单独配置电压应力保护[6]（Voltage Stress Protection），防止稳态运行时换流变网侧电压过高导致晶闸管承受过电压或避雷器动作[7]。电压应力动作结果包括禁止升分接头（Udi0＞Udi0G，延时 2 s），强制降分接头（Udi0＞Udi0L），系统切换（Udi0＞VSP_trip，延时 155 s），跳交流断路器（Udi0＞VSP_trip，延时 185 s），出口限制优先级高于正常的分接头控制[8]。

南瑞继保出口功能与ABB相同，禁止升、强制降分接头延时100 ms出口，系统切换延时165 s，跳闸延时195 s。

许继将电压应力保护放在换流器控制的分接头控制当中，动作结果包括禁止升（无延时）、强制降、Udi0高告警，典型应用于溪浙工程。禁止升动作出口无延时取消升分接头准备允许位 （包括手动和自动模式），强制降出口具有最高优先级不需要分接头同步信号。

2.2　保护的定值整定

在换流变压器参数设计[9]中，需要确定的主要参数包括额定空载直流电压Udi0N、换流变额定容量、理想空载直流电压限制和设计电压、有载调压分接头档位数。工程应用时，首先根据换流变设计参数计算出正常运行中出现Udi0的最大值，然后整流侧以Udi0max作为Udi0G，增加一定裕度后作为Udi0L和一次设备的设计值 （一般向上取整）；逆变侧以Udi0max作为Udi0L，考虑裕度后作为电压应力保护的动作值。

以特高压晋南工程为例，表1列出计算用到的控制参数，表2列出设计时考虑的测量误差。

表1　控制系统参数

表2　用于设计计算的最大误差

2.2.1　晋北站保护定值计算

整流侧额定直流电压800 kV，对于1个6脉动阀组有

代入计算得额定空载电压Udi0N=232.12 kV，由于实际运行中存在控制和制造偏差，空载直流电压将发生偏离，而由式（2）决定：

为得到最大的空载电压，目前常用的计算工况为整流侧定电流控制，逆变侧定γ角控制，定功率方式运行，选取最不利测量偏差

空载电压只取决于交流系统电压和分接头档位，当直流电压最大时整流侧触发角处于正常运行的最小值。

据此由式（2）得到Udi0max=233.062 kV为晋北站的最大空载电压，整流站取Udi0G=Udi0max，取Udi0L增加1.5倍分接头步长，晋北站换流变为1.25%。

考虑测量误差的设备设计电压为

取整后一次设备设计值为240 kV，设置跳闸定值时，南瑞继保Udi0absmax取整后的1.05倍，ABB取动作值1.02Udi0absmax=244.59 kV，西门子通过延迟数环节0.02 pu动作值与ABB相同。

2.2.2　南京站动作定值计算

逆变侧空载电压

主回路参数计算时考虑完整双极平衡运行方式，线路电阻取额定值Rd=4.191 Ω时，得到逆变侧额定空载电压Udi0NI=223.70 kV，UdI=779.05 kV，逆变侧分接头为Udi0控制。为得到最大的空载电压同样取公式（3）的计算工况，由于逆变侧为定熄弧角控制，取熄弧角测量误差的最不利情况 γ=γN+δγ=18°，线路电阻取最小Rdmin=3.29 Ω。计算得到南京站Udi0max=229.48 kV。

逆变站取Udi0L=Udi0max，考虑裕度得到Udi0G为

设备设计电压即电压应力保护跳闸定值计算方法与整流侧相同

一次设备设计值取232 kV，采用1.02 pu时动作值为236.41 kV。

2.2.3　分层接入工程的定值计算方法差异

锡泰工程逆变站高低阀组分接头步长分别为1.25%和0.65%，计算整流侧UdR最大值时考虑高低阀组换流变同时调节一档，直流电压增大0.95%，直流电流下降0.95%保持功率不变。因此相比常规特高压直流，分层接入的整流侧一次设备设计电压值更高。

3　Udi0参数计算

式中：k为额定档位下的换流变变比；TCstep为换流变分接头步长，对非分层接入的换流变分接头一般为1.25%；TCP为控制保护接收到的换流变分接头实际档位；TCPN为换流变分接头额定档位；UV为换流变网侧电压。在直流控制保护装置中，Udi0的计算采用标幺值。

由于受到单台单相三绕组变压器容量生产能力以及运输条件的限制，目前的直流工程均采用了单相双绕组变压器。值得注意的是，电压应力保护对每个12脉动阀组只计算唯一的Udi0，并且虽然每相换流变都上送各自的档位BCD码，不同控制保护厂家对计算Udi0时的分接头档位处理却有所区别。ABB路线计算Udi0时，TCP采用换流变六相分接头档位值取平均；西门子路线则直接取Y／Y接A相换流变分接头档位，如果控制保护系统与采集A相分接头

理想空载额定电压Udi0的物理意义是不考虑触发角、换相角和晶闸管正向压降，加在换流阀上的直流电压平均值。Udi0的大小仅取决于交流系统电压和换流变分接头档位。

理想空载电压Udi0的计算公式为BCD码的分布式测控装置通信异常则取Y／Y接B相档位。

仅在电压应力保护跳闸逻辑中，与跳闸定值比较的Udi0需要根据交流系统频率做出修正

式中：Udi0_100为低通滤波后的空载电压值。

4　功能改进

锦屏换流站电压应力保护动作的直接原因是，Y／Y接 A相换流变分接头操作回路继电器故障，故障相分接头档位停留在了高档位上。控制保护系统根据分接头档位计算出的Udi0超过了Udi0L，发出强制降分接头指令。正常的5相正常执行降分接头操作，故障的A相由于分接头操作回路故障档位一直无法降低。控制保护系统根据A相分接头档位计算出的Udi0值一直大于Udi0L，导致运行人员手动断开操作回路电源前，其他5相一直在执行降分接头动作。各相分接头档位相差过大以后，保护动作出口。

理想空载电压由换流变阀侧电压决定，理想运行状态下每个桥臂承受的电压为导通相阀侧线电压的一半，实际由于触发角和换相角以及晶闸管正常导通时不需要承受反向电压，换流阀上承受的电压明显小于理想空载电压值。而且一次设备的设计电压值为Udi0L增加1%测量误差裕度。因此从保护一次设备的角度考虑，一相换流变档位计算出的理想空载电压值高于强制降分接头动作值不会在换流阀上形成超出设备承受范围的过电压，不应造成阀组闭锁。为防止此类跳闸事故发生，需要对电压应力保护做出优化改进。

4.1　优化方案

采用6相换流变档位平均值计算Udi0时，一方面分接头失步时不能反映一次设备上实际承受的电压，另一方面如发生仅2相或3相空载电压超过跳闸值，可能由于计算的Udi0偏小导致电压应力保护拒动。直接选取Y／Y接A相换流变分接头档位则具有盲目性，仿真系统模拟锦屏站相同故障，电压应力保护动作强制降分接头使得非故障相分接头一直降到最低。

方案一。强制降低分接头出口增加分接头同步作为条件，当非故障相分接头动作后，由于故障相分接头未动作导致分接头失步，保护不能继续出口，防止分接头档位相差过大引起偏磁电流。

方案二。考虑泰州站，利用分接头动作的监视信号作为Udi0计算时选择换流变档位的判据。当发出分接头操作命令后监视时间内未检测到A相换流变档位变化，则认为该相换流变分接头故障，切换到B相进行计算。经过仿真试验，分接头失步两档后切换到B相，空载电压低于定值停止分接头动作。

方案三。控制保护系统中已有12脉动各相换流变的分接头的档位，因此可以优化为每相单独计算Udi0，分别与强制降分接开关电压定值比较，当3台及以上Udi0值超过Udi0L时，则延时5s向本阀组所有换流变发出降分接开关信号，3台以下超过定值时，不发出降分接开关信号；禁止升分接开关、系统切换和跳闸则采用同一阀组6台换流变中档位最高值计算得到Udi0，再与定值进行比较。保护所有出口逻辑与是否同步及手动／自动信号无关。

方案一的弊端在于未以保护一次设备为首要考虑条件，可能出现各相分接头空载电压超过动作定值，而保护因分接头失步不能出口。

比较方案二和三，空载电压过高而某一相分接头操作故障时，两个方案都动作其他相下降至正常范围停止 （如果故障相为A相则方案二超调2档）。当两相分接头故障时，方案三动作其他四相降低至正常范围停止；方案二如果故障的不是A和B相则其他四相降低至正常范围停止；如果故障在A和B相则其他四相一直下降直至跳闸。不考虑三相分接头故障。

综合考虑方案三为推荐方案，但是从一次设备电压考虑，如果两相分接头故障且发生在同一个六脉动阀组，考虑测量误差换流阀桥臂上承受的电压可能超过设备设计值，保护不会动作。如改为两相空载电压越限动作降分接头则会导致分接头档位差过大。

4.2　监控告警事件配置

采用每相分接头单独计算空载电压后，应该从每个阀组报电压应力保护动作告警改为每一相单独设置Udi0禁止升、强制降、切换跳闸告警。保证分接开关异常停止在高档位时，提醒运检人员故障相以及实际的电压水平，为就地操作提供依据。

5　结语

基于特高压换流站换流阀电压应力保护动作引起的跳闸事故，分析了ABB与西门子两种主要控制保护设备路线的电压应力保护定值和逻辑设置。

单相换流变分接开关故障导致理想空载电压过高时，控制保护系统电压应力保护启动其他相分接头动作至正常范围后停止，不引起阀组闭锁。

晋北和南京站一次设备设计的绝对最大空载直流电压分别为240 kV和232 kV。分层接入的整流站一次设备设计值高于常规直流。

12脉动各相换流变单独计算Udi0并分别与强制降分接开关功能定值比较，当3台及以上Udi0值超过Udi0L时，则延时5 s向本阀组所有换流变发出降分接开关信号。

禁止升分接开关、系统切换和跳闸则采用同一阀组6台换流变中档位最高值计算得到Udi0，再与定值进行比较。

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