高壓直流輸電的故障與保護(hù)分析.doc

龍?jiān)雌诳W(wǎng) 高壓直流輸電的故障與保護(hù)分析作者：沙俊民 朱月來源：中國科技博覽2015年第28期摘 要本文針對(duì)直流輸電系統(tǒng)中的常見的故障進(jìn)行分析，包括換流器橋臂短路故障、換相失敗故障、直流線路接地故障、交流側(cè)單相和三相短路故障、觸發(fā)脈沖丟失故障。關(guān)鍵詞直流線路接地故障、交流側(cè)故障、觸發(fā)脈沖丟失故障中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）28-0055-010、引言隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高壓直流輸電技術(shù)也越來越得到大家的重視。相比于傳統(tǒng)的交流輸電，高壓直流輸電更適合遠(yuǎn)距離、大功率輸送電能。高壓直流輸電線路通常用作區(qū)域互聯(lián)、風(fēng)電廠并網(wǎng)以及大功率輸送的傳輸線，直流系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到與其相連的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)或風(fēng)電廠的穩(wěn)定性，因此其運(yùn)行的安全性和可靠性十分重要。1、直流線路主要故障及其特征直流輸電系統(tǒng)主要由整流站、逆變站、直流輸電線路以及接地極系統(tǒng)構(gòu)成。換流站內(nèi)的設(shè)備較為復(fù)雜，包括有換流器和交、直流開關(guān)場的一次設(shè)備以及控制保護(hù)系統(tǒng)的二次設(shè)備。此外，直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行還會(huì)受到兩端連接的交流輸電系統(tǒng)的影響。直流輸電系統(tǒng)中任何一個(gè)部分發(fā)生故障或出現(xiàn)異常狀態(tài)都會(huì)影響到整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的安全性和可靠性以及有關(guān)設(shè)備的安全。按照發(fā)生故障的設(shè)備所在的區(qū)域的不同HVDC的故障可以簡單的歸為直流部分故障和交流部分故障。系統(tǒng)中任何部分故障都會(huì)危害到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。直流部分的故障包括換流器故障直流開關(guān)場故障以及接地故障、直流線路故障。1.1 換流器故障換流器經(jīng)常被比作是直流系統(tǒng)的心臟，作為直流輸電系統(tǒng)中最重要的元件它的可控性以及單項(xiàng)導(dǎo)通的特性也構(gòu)成了直流輸電系統(tǒng)故障行為的重要特點(diǎn)。這些特點(diǎn)主要表現(xiàn)在換流閥的觸發(fā)、導(dǎo)通、關(guān)斷及其運(yùn)行方式上，故障的形式和特性與交流輸電系統(tǒng)中的一般元件有較大區(qū)別。在所有的直流輸電工程的控制保護(hù)中都沒有引入閥電流，判斷換流器是否發(fā)生故障時(shí)都是通過閥電流之外的其他電氣量的特性來判斷的。這樣做一方面是為了避免增加測量系統(tǒng)的復(fù)雜性，另一方面也是為了簡化保護(hù)系統(tǒng)的邏輯。換流器的故障可以分為主回路故障和控制系統(tǒng)故障。換流器主回路故障分為換流閥短路、換相失敗、直流側(cè)出口短路、直流側(cè)接地短路、交流測相間短路、交流測接地短路。控制系統(tǒng)故障是指換流閥誤開通或不開通。1）整流器閥臂短路整流器的閥臂在阻斷期間，大都承受反向電壓。如果出現(xiàn)反向電壓峰值大幅度的躍變換流閥就很可能發(fā)生逆弧，繼而造成瞬時(shí)反向?qū)ǖ拈y臂發(fā)生短路。另外當(dāng)避雷器發(fā)生短路或者換流閥的絕緣因冷卻系統(tǒng)漏水汽化而損壞也會(huì)引起換流閥短路。發(fā)生短路的閥臂相當(dāng)于在正、反向電壓的作用下均能導(dǎo)通，即閥失去了單向?qū)ㄐ?，并且某閥一旦出現(xiàn)短路會(huì)立即與同半橋正處于導(dǎo)通狀態(tài)的閥構(gòu)成支流兩相短路。逆變器閥臂在阻斷期間大都承受的是正向電壓，電壓過高或電壓上升過快都會(huì)對(duì)閥臂的絕緣造成影響而使其損壞，閥臂絕緣受損后閥臂便會(huì)發(fā)生短路。以6脈動(dòng)逆變器為例如圖假設(shè)逆變器的閥VT1處于關(guān)斷狀態(tài)，加上正向電壓后該閥發(fā)生短路，這就相當(dāng)于此閥重新開通與閥VT3發(fā)生了倒換相，當(dāng)?shù)搅碎yVT4導(dǎo)通的時(shí)刻，VT1與VT4將形成直流側(cè)的短路。3）逆變器換相失敗換相失敗是指在兩個(gè)閥臂換相過程中，電流未能完成從導(dǎo)通閥臂向相繼導(dǎo)通閥臂的轉(zhuǎn)換使換相不能成功進(jìn)行，它是逆變器中最常見的故障。換相失敗具體表現(xiàn)為兩個(gè)換流閥之間的換相過程未能進(jìn)行完畢，或表現(xiàn)為預(yù)計(jì)退出導(dǎo)通狀態(tài)的閥關(guān)斷后在反向電壓期間未能恢復(fù)阻斷能力，當(dāng)加在該閥上的電壓為正時(shí)閥臂唄重新導(dǎo)通，而預(yù)計(jì)要導(dǎo)通的閥則會(huì)被重新關(guān)斷也就是發(fā)生倒換相。發(fā)生換相失敗時(shí)，逆變器的直流側(cè)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的短路電流，致使直流電流增加，進(jìn)一步導(dǎo)致逆變器換相角變大，進(jìn)而導(dǎo)致逆變器其他后續(xù)的閥臂也會(huì)出現(xiàn)換相失敗，如此一來就會(huì)延長直流系統(tǒng)短路故障的持續(xù)時(shí)間，最終甚至?xí)?dǎo)致直流系統(tǒng)的控制和保護(hù)系統(tǒng)啟用故障緊急停運(yùn)功能，致使整個(gè)直流輸電系統(tǒng)終止運(yùn)行。1.2 直流輸電線路故障直流線路特別是架空線，經(jīng)常容易發(fā)生線對(duì)地的短路故障，這種故障中斷了功率的穩(wěn)定輸送。但是，事故電流受到直流電抗器和整流器電流調(diào)節(jié)器的限制，它的數(shù)值要比交流輸電線路的事故電流小得多，而故障清除后，一般也不影響設(shè)備的功能。在故障的起始階段，由于線路電容的放電，使故障電流有較大的峰值；起始故障電流僅僅由線路波阻抗把它限制到，這比穩(wěn)態(tài)值大得多。由于起始電流是線路電容通過線路阻抗放電而形成，因此電流調(diào)節(jié)器無法限制它。1.3 交流側(cè)故障交流側(cè)發(fā)生故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響主要是通過加在換流器上的換相變壓的變化而引起的，一般影響直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素有交流系統(tǒng)電壓下降的速率以及幅值和相位的變化。換流站交流側(cè)可能會(huì)發(fā)生的故障包括換流變壓器和輔助設(shè)備發(fā)生故障、換流站交流側(cè)三相接地短路故障、換流站交流側(cè)單相接地故障、交流濾波器故障和換流站用電設(shè)備故障。下面主要介紹一下交流側(cè)三相短路故障以及單相接地故障。1）交流測三相短路故障交流系統(tǒng)三相短路對(duì)直流系統(tǒng)的影響主要是直流電壓和電流下降引發(fā)直流的輸送功率下降，不會(huì)產(chǎn)生危及直流設(shè)備的過電壓和過電流，所以并不需要停運(yùn)，交流系統(tǒng)的故障一旦被清除，直流功率就會(huì)迅速恢復(fù)正常。逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障相較整流側(cè)要復(fù)雜，故障發(fā)生后，換相電壓降低，直流電流增大最終可能會(huì)引起換相失敗。交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱以及發(fā)生三相短路的故障點(diǎn)距逆變站的電氣距離也與交流電壓下降的速度及幅值有關(guān)。根據(jù)理論分析可知交流系統(tǒng)越弱且故障點(diǎn)距逆變站的距離越近則換相電壓下降的速度就越快下降的幅值也越大，這時(shí)很容易引發(fā)換相失敗。2）交流側(cè)單相接地故障整流器的交流側(cè)發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)，整流器中導(dǎo)通的閥中將流入故障電流。故障電流的路徑是通過換流站的接地網(wǎng)和直流接地極，到達(dá)直流的中性端，從而形成相應(yīng)閥臂短路。所以短路回路的電阻會(huì)相應(yīng)的增加，但故障電流相較閥短路故障的略有減小。另外，整流器交流側(cè)發(fā)生單相對(duì)地短路故障還會(huì)帶來其它一些影響：換流變壓器將受到強(qiáng)大的電流沖擊；在直流側(cè)還會(huì)出現(xiàn)二次諧波分量，如果該諧波的頻率與直流回路的固有頻率接近則有可能引起直流回路發(fā)生諧振。逆變器交流側(cè)發(fā)生單相對(duì)地短路與整流側(cè)故障時(shí)相同故障電流的路徑是通過換流站的接地網(wǎng)和直流接地極，到達(dá)直流的中性端，從而形成相應(yīng)閥臂短路。逆變器交流側(cè)出現(xiàn)單相短路后逆變側(cè)的直流電流升高，交流電流降低，檢測到電流變化后動(dòng)作，直流電流得到控制，逆變站換相解除直流短路。參考文獻(xiàn)1 張重遠(yuǎn)，唐帥，梁貴書，等. 基于電磁型電壓互感器傳輸特性的過電壓在線監(jiān)測方法J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（22）：142-1482 魯鐵成. 電系統(tǒng)過電壓M.北京：中國水利電力出版社，2009.3 張仁豫，陳昌漁，王昌長.高電壓試驗(yàn)技術(shù)（第2版）M.北京：清華大學(xué)出版社，20034 Jayaram S，Xu X Y，Cross J D.High divider ratio fast response capacitive d