换流站电压应力保护判据优化研究

刘昊然，刘源，蒋童璐，周心怡，姚月

(国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南长沙410004)

0 引言

电压应力是高压直流输电过程产生的电气特性研究的重要内容之一。过高的电压应力会降低设备运行可靠性, 甚至损坏设备, 造成电网故障[1]。换流站电压应力保护, 旨在保护直流核心设备换流阀, 防止其承受过高的电压应力而损坏, 对保障高压直流系统的稳定运行具有重要的意义[2]。电压应力保护动作的正确性, 决定了换流阀能否得到可靠的保护。文章通过深入研究保护原理及对典型故障的分析, 发现了电压应力保护判据中存在的隐患和不足, 提出了优化改进措施, 使得电压应力保护能够更加有效地保护换流站核心设备[3]。

1 换流变压器分接头控制

换流变压器分接头控制TCC 是直流输电控制系统中用于自动调整换流变压器有载调压分接头位置的一个重要环节[4], 通常在换流器控制系统CCP 中实现。整流侧换流变压器分接头控制旨在维持换流变压器阀侧绕组空载电压或者触发角在指定的范围内, 而逆变侧分接头控制旨在维持整流侧线路平抗出口直流电压或关断角在指定的范围内[5]。根据直流系统换流器控制方式不同, 换流变压器分接头控制可分为角度控制和电压控制[6]。

1.1 角度控制

直流控制系统的快速控制是通过对换流器触发角α的控制来实现的[7]。当直流系统受到扰动时,首先改变换流器触发角α, 使系统快速恢复稳定状态。若触发角长时间超过限定范围 (通常为15°±2.5°), 则自动调节换流变压器分接头的位置以改变换流变阀侧电压, 使触发角α回到要求的范围内[8]。换流变压器分接开关采用机械式结构,转换一档通常需要3～5 s 的时间, 属于慢速调节。

1.2 电压控制

调整换流变压器分接头位置, 把直流线路电压或换流变压器阀侧绕组空载电压维持在指定范围内[9]。为了避免分接头频繁动作, 电压需偏离一定值且持续一段时间后, 才启动分接头调节功能。

2 电压应力保护

2.1 保护原理

电压应力保护 (Voltage Stress Protection,VSP[10]), 是为了防止交流电压的异常或者分接头的错误调节等故障, 造成加在换流阀上的电压应力超标而配置的。

保护通过使用交流母线电压 (Uac)、分接头位置和频率 (f), 来计算理想的空载直流电压Udi0。当Udi0超过预设水平, 即Udi0＞Uset时, 保护启动。特高压换流站电压应力保护逻辑动作后果如下:

1)Udi0＞219.72 kV, 延时 100 ms, 禁止升分接头并发出相应报警。

2)Udi0＞223.79 kV, 延时 100 ms, 请求降接头并发出相应报警。

3) (f/f0) ×Udi0＞238.35 kV, 延时 165 s, 切换系统。

4) (f/f0) ×Udi0＞238.35 kV, 延时 195 s, 执行 Y 闭锁[11]。

2.2 Udi0参数计算

直流控制保护软件中, 阀侧绕组电压计算逻辑如式 (1) 所示:

其中,Uac为六相换流变压器进线TV 测量的最大值,U0＝216.9 kV,U1＝525 kV。T计算值为分接头档位计算值, 其计算逻辑公式如式 (2):结合式 (1) (2), 得式 (3):

由式 (3) 可知, 换流变压器阀侧绕组空载电压与换流变压器网侧交流电压及换流变压器档位有关。其中,T即TCP, 为软件逻辑中判断的现场换流变压器的档位。

2.3 典型动作分析

2019 年 2 月 15 日 10 时 56 分 42 秒, 在直流功率由3 995 MW 升至4 495 MW 过程中, 某换流站极Ⅰ高端阀组控制CCP1 A/B 两套系统报 “电压应力保护, 禁止升分接头”。报警时刻的故障录波如图1 所示。

图1 动作时刻录波图

从T0 时刻起,Udi0＞219.72 kV, 延时 100 ms,T1 时刻, 保护发禁止升分接头指令；而Udi0＜223.79 kV, 故不会发出降分接头指令。电压应力保护属于正确动作。

3 保护功能优化

3.1 存在的问题

ABB 技术路线的直流控制保护逻辑中, 采用同一阀组六台换流变压器平均档位计算阀侧空载电压Udi0。保护判据采用六相换流变压器档位平均值计算方法。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, 如发生仅两相或3 相空载电压超过跳闸值, 可能由于计算的偏差导致电压应力保护拒动, 掩盖单台换流变压器阀侧严重过压问题。

此外, 在电压应力保护出口请求降分接开关档位前, 动作指令未经过档位同步判据, 只需满足VSP 动作定值, 就直接出口调节分接头档位。

3.2 典型案例

某换流站极Ⅱ低端阀组YY A 相换流变分接开关升档接触器故障, 保持吸合状态, 导致分接开关连续动作, 滑档保护动作跳开分接开关电机电源开关。在故障处理过程中, 电压应力保护达到动作定值, 发出强制降分接头指令。同一阀组另外五相换流变压器正常执行降分接头操作, 故障的A 相由于分接头控制回路继电器故障, 档位一直无法降低, 导致极Ⅱ低端YY A 相换流变压器档位在26档, 而其余五相均为15 档。换流变压器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[12]。

上述案例的换流站电压应力保护, 沿用西门子技术路线, 直接采用YY A 相换流变压器档位计算换流变压器阀侧空载电压Udi0(当控制保护系统与采集A 相分接头BCD 码的分布式测控装置通信异常时, 取YY B 相档位[13]), 不考虑其他相换流变压器分接开关档位, 电压应力保护仅能保护该相不出现阀侧过压[14]。且换流变压器分接开关调档过程中不检测各台分接开关同步情况, 若该相换流变压器分接开关因档位卡涩等原因无法动作时, 会导致其他5 台换流变压器分接开关持续降档, 存在因档位相差较大导致换流变饱和保护动作的风险[15]。

3.3 优化方案

针对上述电压应力保护存在的问题, 优化方案如下:

1) 完善换流站Udi0计算逻辑, 采用换流变分接开关的最高档位计算Udi0, 防止任一台换流变阀侧出现过电压。

由图2 可知, 软件修改前, TCP 取的是同一阀组六台换流变压器分接头档位的平均值；而软件修改后, 用于Udi0计算的TCP_MAX 取的是同一阀组六台换流变压器分接头档位的最高值。

2) 分接开关调档逻辑中增加档位同步判断,各相换流变档位不一致时保持当前状态, 同时在监控系统中报出相应告警事件, 避免由于单台换流变档位卡涩, 其他换流变持续调档导致直流闭锁。

图2 软件修改后TCP 取值逻辑逻辑

从修改后的保护逻辑 (图3) 可以看到, 分接头下降指令出口前, 增加了换流变压器档位一致和换流变压器分接头自动控制的判据。

图3 软件修改后降分接头指令逻辑

采用上述优化方案, 可以有效避免电压应力保护强制换流变压器持续调档导致的直流闭锁及设备承受过高电压应力的风险。

4 结论

电压应力保护能够有效抑制换流变压器阀侧电压过高危害, 保护换流阀设备。当前, 直流控制保护系统中, 电压应力保护判据中存在的不足, 可能导致换流变压器分接头失步或掩盖单台换流变压器阀侧严重过压问题。通过逻辑分析, 采用换流变压器分接开关的最高档位计算Udi0及在指令出口前增加换流变压器档位一致和换流变压器分接头自动控制的判断这两项优化方案, 很好地完善了保护功能, 提高了特高压直流运行的安全性和可靠性。