基于选相投旁通对的LCC-HVDC系统逆变侧换流变故障性涌流主动抑制策略

罗美玲，郑 涛，潘志远，刘校销,3，于晓军，吴建云

基于选相投旁通对的LCC-HVDC系统逆变侧换流变故障性涌流主动抑制策略

罗美玲1，郑 涛2，潘志远2，刘校销2,3，于晓军1，吴建云1

(1.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001；2.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206；3.鲁汶大学，比利时 Leuven 3001)

当高压直流输电系统换流变阀侧发生单相接地故障，由于换流阀的单向导通性，阀侧故障电流中含有较大的直流分量，流入换流变可能导致换流变饱和并产生“故障性涌流”。与传统三大涌流不同，故障性涌流由阀侧单相接地故障诱发并受直流控制与保护系统的影响。计及直流控保系统的影响，分析了逆变侧换流变发生阀侧单相接地故障时，换流变故障性涌流的产生机理及其对换流变差动保护的影响。针对换流变保护区内阀侧单相接地故障场景下，故障性涌流可能导致差动保护误闭锁的问题，提出了一种基于选相投旁通对的故障性涌流主动抑制策略，可以从根本上避免差动保护误闭锁问题。基于PSCAD/EMTDC的仿真实验验证了所提方案的有效性。

高压直流输电；换流变压器；差动保护；故障性涌流；旁通对

0 引言

自上世纪50年代以来，电网换相式高压直流输电系统(line-commutated converter based high-voltagedirect-current, LCC-HVDC)由于具有输送距离远、输送容量大和工程造价低等优点，在国内外得以快速发展[1-3]。目前我国已建成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混联电网，然而交直流混联电网中继电保护的适应性仍需进一步研究[4-6]。

换流变压器(以下简称“换流变”)阀侧单相接地故障，一般由阀侧穿墙套管绝缘破损或闪络引起，通常为永久性故障[7-9]。前期已针对LCC- HVDC系统中换流变阀侧单相接地故障进行了研究[10-12]。文献[10-12]针对LCC-HVDC系统中换流变阀侧单相接地故障后的故障特性及影响进行了较为全面的分析。文献[10]针对整流侧换流变阀侧单相接地故障后直流分量流入换流变导致换流变铁心饱和的现象，首次提出了“故障性涌流”的概念，同时指出故障性涌流可能导致差动保护在阀侧区外转区内故障场景下误闭锁。文献[11-12]分析了逆变侧换流变阀侧接地故障引发换流变故障性涌流的问题，由于逆变侧阀侧故障可能引发换相失败，本文进一步对换相失败后阀侧故障特性及故障性涌流特征进行了分析，并指出故障性涌流可能导致差动保护在区内故障时误闭锁。但上述分析未考虑直流系统中控制及保护(下文简称“直流控保”)策略的影响。

换流变是换流站中最重要的组成部分之一，其安全稳定运行对高压直流输电系统至关重要，因此对换流变保护提出了很高的要求。换流变主保护一般采取基于二次谐波闭锁的比率制动式差动保护，文献[13-15]分析了不同故障对换流变差动保护的影响，不同工况下的励磁涌流也可能会使换流变差动保护拒动或者误动[16-21]。故障性涌流与传统涌流有着很大差异，由阀侧接地故障诱发，且受直流控保系统的影响。因此，现有文献中针对励磁涌流的换流变差动保护防误动措施在故障性涌流场景下的适应性有待进一步研究。

针对故障性涌流引起换流变差动保护误闭锁的问题，文献[22]提出了一种故障性涌流的抑制策略。通过调整整流侧强制移相的动作时间，抑制故障性涌流的产生，以减轻故障性涌流对换流变差动保护的不利影响。但文献[22]仅分析了整流侧换流变的故障性涌流抑制策略，逆变侧故障特性比整流侧更为复杂，直流控保动作对于整流侧和逆变侧故障特性的影响有所不同。因此，亟需研究考虑实际工程中直流控保影响下的逆变侧换流变故障性涌流的主动抑制方案。

综上所述，对LCC-HVDC系统中逆变侧换流变阀侧单相接地故障及其引起的换流变故障性涌流的研究尚存不足。本文分析了直流控保影响下逆变侧换流变阀侧单相接地故障及其诱发的故障性涌流特征，研究了故障性涌流对换流变差动保护的影响，基于阀侧单相接地故障检测和故障相判别的方法，提出了一种基于选相投旁通对的故障性涌流抑制策略，降低了故障性涌流对换流变差动保护的不利影响。最后通过PSCAD/EMTDC仿真实验验证了理论分析的正确性及所提方案的有效性。

1 逆变侧换流变阀侧单相接地故障分析

特高压直流输电系统多采用双极双12脉动的主接线方式，本文以逆变侧正极为例进行分析，如图1所示，根据故障所在位置，可以将阀侧单相接地故障分为4种，即图中的K1, K2, K3, K4。

图1 逆变侧阀侧单相接地故障分布示意图

以换流变T1阀侧发生A相接地故障(K1)为例进行分析，故障后阀侧故障相电压下降为零，非故障相电压上升为线电压，由于高端D桥交流侧电压保持不变，共阴极阀承受反向电压而截止，进而导致D桥及低端阀组都将关断。由于故障电流将通过直流线路，经过共阳极阀流向故障点，因此共阳极阀的状态将决定阀侧电流的特征。

如图1所示，共阳极阀的导通状态可分为两种情况：1) 与故障相相连的共阳极阀导通；2) 与非故障相相连的共阳极阀(以V61为例)导通。当与故障相相连的共阳极阀导通时，故障电流流通路径如图1中蓝色虚线所示，此时故障电流直接流入故障接地点而不流入换流变；当与故障相相连的共阳极阀导通时，故障电流流通路径如图1中绿色虚线所示，故障电流经过换流变流入接地点。由于晶闸管的单向导通性，阀侧电流含有较大的直流分量。此外，逆变侧故障还会导致换相失败，进而影响换流阀的导通时间，改变换流变的饱和程度[12]。

故障后直流电压下降，直流电流迅速增大，直流控保系统开始响应。控制系统将执行增大整流侧触发角等控制策略以稳定直流电压和电流，但故障仍然存在，需继续执行故障清除策略。文献[23-24]中指出逆变侧发生换流变阀侧单相接地故障后，直流控保系统将整流侧晶闸管的触发角增加到120°～160°左右(强制移相)，并在逆变侧故障换流器投任意相旁通对(即触发同一相的共阴极阀和共阳极阀)，最终闭锁换流器并跳开网侧交流断路器。当投故障相旁通对时，故障电流直接流入接地点，不流入换流变；当投非故障相旁通对时，将会延长直流分量流入换流变阀侧绕组的时间[25]。

2 故障性涌流的产生机理及其对换流变差动保护的影响

2.1 故障性涌流的产生机理

根据第1节分析可知，当换流变阀侧发生单相接地故障后，故障电流将经过非故障相上桥臂、换流变阀侧绕组流入故障接地点。由于晶闸管的单向导通特性，流入换流变的阀侧电流含有较大直流分量，导致换流变铁心饱和，进而产生故障性涌流[10]。由于与非故障相相连的共阳极阀导通时才有电流流入换流变，投非故障相旁通对后将使得与非故障相相连的共阳极阀导通时间变长，加速故障性涌流的产生。

2.2 故障性涌流对换流变差动保护的影响

换流变普遍采用具有二次谐波制动特性的差动保护作为主保护，当差动电流进入到动作区且二次谐波含量低于整定值(一般取15%)时，差动保护才能动作并发出跳闸命令。

图2所示为换流变阀侧区内故障时故障电流的流通路径及T型等效电路。当故障相换流阀导通时，故障电流流经换流变阀侧CT进入故障点；当非故障相换流阀导通时，故障电流中的直流分量经换流变流向接地点，使换流变饱和，产生故障性涌流，且故障相换流变故障性涌流为非故障相换流变故障性涌流之和。非故障相差动电流即为故障性涌流，故障相差动电流为故障性涌流与故障电流之和。由于故障性涌流二次谐波含量较高，换流变差动保护可能发生误闭锁[25]，因此亟需提出相应的故障性涌流抑制策略。

3 基于选相投旁通对的故障性涌流主动抑制策略

由第1节分析可得，通过投故障相旁通对可以使故障电流不流经换流变而直接流入故障点，因此，本文提出了基于选相投旁通对的故障性涌流主动抑制策略。其中，检测故障、故障换流变定位及故障相识别为所提策略的关键问题。所提出的策略可以分为如下3个步骤。

3.1 步骤1：故障检测并识别故障换流器

换流器直流差动保护通过检测换流器两端的差动电流来识别换流器接地故障。根据第1节分析可知，由于故障换流器共阴极阀承受反向电压而关断，故障点以下的换流器不会有电流流入，而故障点以上的换流阀则流过较大的故障电流，因此，故障换流器的差动电流将在故障后明显上升，可以利用换流器差动电流检测故障发生于高端换流器还是低端换流器。图3为换流器差动保护CT配置示意图，故障检测并识别故障换流器的判据为

式中：和是换流器差动保护的整定值；为由直流线路流入高端换流器的电流；为由高端换流器流入低端换流器的电流；为由低端换流器流入接地极的电流。如图3所示。以故障为例，若故障后换流器差动电流大于整定值，则判定高端换流器发生接地故障，并将差动电流超过整定值的时间记为t0。

3.2 步骤2：基于判别故障换流变

式中：和分别为和换流变的零序电流；和分别为和换流变阀侧CT测得的电流。考虑最大的三相不平衡，整定值可以设置为0.12 p.u.，并将零序电流超过整定值的时间记为。

3.3 步骤3：识别故障相并投故障相旁通对

由于保护动作随机投旁通对时，可能触发非故障相旁通对，加剧故障相涌流产生，在步骤1、2判别发生区内故障的换流变后，需要步骤3进一步识别故障相，通过投故障相旁通对，避免含有直流分量的故障电流流入换流变，实现故障性涌流的抑制。

根据2.2节的分析，对于区内故障，换流变故障相的差动电流等于流入故障点的故障电流与故障性涌流之和，非故障相差动电流即为相应的故障性涌流。由于故障性涌流的产生需要一段时间，而故障电流在故障后迅速增大，故障相的换流变差动电流将比非故障相的差动电流增长更快，可以根据换流变差动电流识别故障相。详细的故障相选相过程如下：计算换流变三相差动电流，将与差动电流的整定值进行比较，三相差动电流中首先超过整定值的相将被识别为故障相。识别故障相后，保护将向控制系统发送投故障相旁通对的信号。基于选相投旁通对的故障性涌流主动抑制策略整体流程如图5所示。

图5 基于投故障相旁通对的策略流程图

4 仿真验证

4.1 仿真模型

本文在PSCAD/EMTDC上搭建了±800 kV/5 GW的双极双12脉动LCC-HVDC系统(如图6所示)，仿真参数如表1所示。直流控制系统中整流侧控制策略由最小触发角控制和定电流控制组成，逆变侧控制策略由定熄弧角控制、电流偏差控制和定电流控制组成。

图6 LCC-HVDC系统示意图

表1 仿真系统参数

4.2 实验结果

图7 故障性涌流抑制策略的仿真验证

综上，本文提出的基于选相投旁通对的保护策略，可以检测换流变保护区内阀侧单相接地故障所在换流变，最终选择故障相并触发故障相旁通对，以抑制故障性涌流。

5 结论

LCC-HVDC系统换流变阀侧发生单相接地故障后，含有直流分量的故障电流将流经换流变阀侧绕组，可能引起换流变饱和，进而导致故障性涌流的产生。本文分析了逆变侧阀侧单相接地故障下，换流变故障性涌流的产生机理及其对换流变差动保护的影响，指出了故障性涌流可能导致换流变差动保护在阀侧区内故障时误闭锁。为此本文提出了一种基于选相投旁通对的故障性涌流主动抑制策略，抑制故障性涌流的产生，从而避免故障性涌流对换流变差动保护的影响。最后通过PSCAD/EMTDC仿真结果验证了该方案的有效性。

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Faulty-phase bypass-pair-based mitigation strategy for fault-induced inrush currents in LCC-HVDC inverter-side converter transformers

LUO Meiling1, ZHENG Tao2, PAN Zhiyuan2, LIU Xiaoxiao2, 3, YU Xiaojun1, WU Jianyun1

(1. State Grid Ningxia Electric Power Limited Company, Yinchuan 750001, China; 2. State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University),Beijing 102206, China; 3. Kathotic University of Leuven, Leuven 3001, Belgium)

When a single-phase-to-ground fault occurs on the valve-side of the converter transformer in the line- commutated converter high-voltage direct current system, then because of the forward-bias characteristics of converter valves, the valve-side fault currents contain large DC components. These flow into the converter transformer, resulting in the saturation of the converter transformer and fault-induced inrush current (FIIC). The FIIC, different from the traditional inrush currents, is induced by the valve-side grounding fault and affected by DC control and the protection system. Considering their influence, the generation mechanism and characteristics of FIIC on the inverter side are analyzed, and the influence of FIIC on converter differential protection is analyzed. Given the problem that the FIIC may lead to the mal-block of differential protection when the single-phase grounding fault occurs in the case of an internal fault, a protection strategy based on phase selection and triggering the bypass-pairs is proposed to actively suppress the FIIC and fundamentally avoid the mal-block of differential protection. Finally, simulation experiments based on PSCAD/EMTDC have been conducted to verify the effectiveness of the proposed strategy.

HVDC transmission; converter transformer; differential protection; fault-induced inrush current; bypass-pair

10.19783/j.cnki.pspc.220255

宁夏回族自治区自然科学基金项目资助(2021AAC03497)

This work is supported by the Natural Science Foundation of Ningxia Hui Autonomous Region (No. 2021AAC03497).

2022-03-02；

2022-08-20

罗美玲(1982—)，女，正高级工程师，研究方向为电网继电保护；E-mail: 693400664@qq.com

郑 涛(1975—)，男，博士，教授，研究方向为电力系统继电保护；E-mail: zhengtao_sf@126.com

潘志远(1999—)，男，硕士，研究方向为电力系统继电保护。E-mail: pzy7_ncepu@163.com

(编辑 魏小丽)