500kv換流站直流輸電系統(tǒng)故障分析

500kv換流站直流輸電系統(tǒng)故障分析

0葛洲壩-南流站直流輸電系統(tǒng)保護(hù)直接供電可用于距離橋和送、輸能源、海田電纜的供電，以及交流區(qū)域內(nèi)的非同步電網(wǎng)連接。在中國(guó)得到廣泛應(yīng)用，在“西方能源禮物”、“南北相互供應(yīng)”和“國(guó)家網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目中發(fā)揮著重要作用。直流控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電工程的核心,是直流輸電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的保障。直流保護(hù)用來(lái)保護(hù)換流站各直流設(shè)備,在故障或異常工況下準(zhǔn)確快速切除故障,防止設(shè)備損壞或系統(tǒng)其他部分受到干擾而無(wú)法正常工作。所以對(duì)直流輸電系統(tǒng)保護(hù)的研究十分重要。葛洲壩-南橋±500kV直流輸電工程是我國(guó)第1個(gè)遠(yuǎn)距離、大容量、超高壓輸電工程。葛南直流輸電工程的兩極于1989年和1990年先后投入運(yùn)行,輸電線路全長(zhǎng)1046km,在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)華中和華東兩個(gè)大區(qū)電網(wǎng)之間的異步聯(lián)網(wǎng),積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),研究其系統(tǒng)故障問(wèn)題對(duì)我國(guó)未來(lái)直流工程建設(shè)和改造具有重要的意義。2006-06-21T22:21,葛雙Ⅱ回線出現(xiàn)A相瞬間接地故障,同時(shí)葛洲壩換流站雙極換流閥D橋差動(dòng)保護(hù)Ⅳ段動(dòng)作,導(dǎo)致雙極停運(yùn)。本文分析D橋差動(dòng)保護(hù)Ⅳ段動(dòng)作的原因,從硬件和軟件兩個(gè)方面給出了整改措施。1沒(méi)有涉及第一段段的測(cè)量為保證三峽電力可靠送出全面改造了日益老化的葛南線控制保護(hù)系統(tǒng),改造后初始D橋差動(dòng)保護(hù)只有Ⅰ段。后系統(tǒng)調(diào)試,在葛洲壩交流500kV進(jìn)線單相人工接地短路試驗(yàn)時(shí),閥短路保護(hù)的D橋差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。分析確認(rèn)原因?yàn)镈繞組TA三相暫態(tài)特性不一致,系統(tǒng)發(fā)生接地故障,產(chǎn)生零序電流并流過(guò)D繞組,導(dǎo)致計(jì)算的流入閥電流最大差值ID出現(xiàn)較大值。為此在保護(hù)軟件上采取措施,最終確定的保護(hù)方案如下:D橋差動(dòng)保護(hù)共有Ⅳ段,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段原理相同,定值不同;Ⅳ段原理不同。葛洲壩換流站(見(jiàn)圖1)換流閥與換流變壓器間的測(cè)量TAT31/32/33/34在2.1套管內(nèi),T41/42/43/44在3.1套管內(nèi)。換流閥D繞組側(cè)各TA的用途以及接入的設(shè)備如下:1)T31:800/1A,20VA,TPY,換流變壓器保護(hù),故障錄波;2)T32:800/1A,20VA,0.5FS5,直流控制保護(hù)A系統(tǒng),故障錄波;3)T33:800/1A,20VA,0.5FS5,直流控制保護(hù)B系統(tǒng)。閥短路保護(hù)見(jiàn)圖2。各段保護(hù)原理(見(jiàn)圖3、4)如下:設(shè)ID=max(|ID_A-ID_B|,|ID_B-ID_C|,|ID_C-ID_A|),則Ⅰ段:ID-IdYC>max(0.6kA(0.5倍額定電流),0.2ID),延時(shí)10ms動(dòng)作;Ⅱ段:ID-IdYC>2.4kA(2倍額定電流),延時(shí)3.3ms動(dòng)作;Ⅲ段:ID-IdYC>4.44kA(3.7倍額定電流),延時(shí)0ms動(dòng)作(固有延時(shí)0.5ms);Ⅳ段:ID-IdYC>max(0.6kA(0.5倍額定電流),0.2ID)&Uac>0.7倍額定電壓,延時(shí)0ms動(dòng)作(固有延時(shí)0.5ms)。以上ID為流入閥的電流差值最大值;ID_A、ID_B、ID_C分別為流入閥的三相電流;IdYC為直流極母線電流;Uac為交流側(cè)電壓。2d橋的ta特性不一致交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),極Ⅰ的A、B保護(hù)系統(tǒng)和極Ⅱ的A保護(hù)系統(tǒng)D橋差動(dòng)保護(hù)Ⅳ段動(dòng)作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況判斷其原因可能有:1)閥存在故障;2)軟件存在錯(cuò)誤;3)在交流接地故障開(kāi)始的15ms內(nèi)就出現(xiàn)TA三相暫態(tài)特性不一致,產(chǎn)生了超過(guò)定值的差流導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作。2.1判斷D橋差動(dòng)保護(hù)Ⅳ段動(dòng)作原因的方法經(jīng)過(guò)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)軟件的檢查和對(duì)TPYTA的錄波的查看,確認(rèn)軟件無(wú)誤,極Ⅰ、極Ⅱ都不存在內(nèi)部故障,則動(dòng)作原因只能是第3)種。在正常運(yùn)行情況下Y橋、D橋(差動(dòng)保護(hù)分為Y橋、D橋)閥電流相等,因Y橋TA不會(huì)受到零序電流的影響(Y0/Y繞組不傳變零序電流),故Y橋的錄波電流可作為基準(zhǔn)。D橋的閥電流與Y橋出現(xiàn)偏差的時(shí)刻,就是D橋的TA出現(xiàn)三相特性不一致的時(shí)刻。2.2D橋的TA出現(xiàn)三相特性不一致時(shí)刻分析下面以極ⅠA系統(tǒng)為例分析測(cè)量D橋閥電流i(見(jiàn)圖5~7)的TA出現(xiàn)三相特性不一致的時(shí)刻。由圖5可見(jiàn),各相電流都含有很大的直流分量,B相TA測(cè)得的D橋閥電流與A、C相出現(xiàn)明顯偏差。由圖6可見(jiàn)B相電流暫態(tài)過(guò)程FSTA在故障開(kāi)始8ms后就無(wú)法正確傳變。由圖7分析可知極IA系統(tǒng)D繞組的TA三相電流出現(xiàn)明顯偏差的時(shí)刻為故障開(kāi)始后的8ms,差流最大值為1.7kA。采用同樣的方法分析可知:1)極ⅠB系統(tǒng)D繞組的TA三相出現(xiàn)明顯偏差的時(shí)刻為故障開(kāi)始后8ms,差流最大值為1.8kA。2)極ⅡA系統(tǒng)D繞組的TA三相出現(xiàn)明顯偏差的時(shí)刻為故障開(kāi)始后12ms(雖然與TPYTA比較傳變出現(xiàn)問(wèn)題較早(<8ms),但前一段時(shí)間三相較一致),差流最大值為1.6kA。3)極ⅡB系統(tǒng)D繞組的TA三相出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)刻為故障開(kāi)始后8ms,差流最大值為1.2kA。極ⅡB系統(tǒng)D繞組的三相都出現(xiàn)了二次沒(méi)有輸出的情況,導(dǎo)致保護(hù)計(jì)算出的差電流為負(fù)值(交流側(cè)電流小于直流側(cè)電流),因此保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作。2.3D橋差動(dòng)保護(hù)Ⅳ段動(dòng)作原因綜合上述分析,交流系統(tǒng)接地故障時(shí),TA各相暫態(tài)過(guò)程不一致或者二次側(cè)沒(méi)有輸出,從而使保護(hù)檢測(cè)到錯(cuò)誤的差流。雖然改造后保護(hù)對(duì)D繞組各相TA暫態(tài)過(guò)程不一致有一定的耐受能力,但由于這次故障時(shí)不一致出現(xiàn)得很快(<15ms),所以D橋差動(dòng)保護(hù)Ⅳ段動(dòng)作。3d橋差異開(kāi)采段的糾正措施3.1硬件糾正措施1t行業(yè)b模式保留T31/T41(TPY)TA給控制保護(hù)A系統(tǒng)與換流變壓器A保護(hù)使用。更換T32/T42(FS)或者T33/T43(FS)TA為T(mén)PY型,給控制保護(hù)B系統(tǒng)與換流變壓器B保護(hù)使用。優(yōu)點(diǎn)為:從根源上解決問(wèn)題,可簡(jiǎn)化保護(hù)軟件并保證性能,A、B系統(tǒng)測(cè)量完全分開(kāi),可保證安全性與可靠性。目前南橋站即采用這種方式。缺點(diǎn)為:更換TA所需費(fèi)用過(guò)高,設(shè)備停電時(shí)間長(zhǎng),而且由于TPY型TA線圈與原有0.5FS5型線圈尺寸存在較大差異,整個(gè)套管必需重新設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝。2類(lèi)型優(yōu)缺點(diǎn)分析T31/T41(TPY)TA給控制保護(hù)A、B系統(tǒng)與換流變壓器A、B保護(hù)共用。優(yōu)點(diǎn)為:從根源上解決問(wèn)題,可簡(jiǎn)化保護(hù)軟件并保證性能。缺點(diǎn)為:A、B保護(hù)系統(tǒng)不能完全獨(dú)立,T31/T41(TPY)TA出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)影響所有控制保護(hù)系統(tǒng),風(fēng)險(xiǎn)較大;需更改二次回路,且不滿足設(shè)計(jì)規(guī)程和反措要求。3gs串聯(lián)保護(hù)T31/T41(TPY)TA給控制保護(hù)A系統(tǒng)與換流變壓器A、B保護(hù)共用,T32/T42(FS)與T33/T43(FS)串聯(lián)給控制保護(hù)B系統(tǒng)使用。優(yōu)點(diǎn)為:一套系統(tǒng)可從根源上解決問(wèn)題,簡(jiǎn)化保護(hù)軟件并保證性能。缺點(diǎn)為:T32/T42(FS)與T33/T43(FS)串聯(lián)后的特性存在未知數(shù),存在有一套系統(tǒng)不能徹底從根源上解決問(wèn)題的可能性,兩個(gè)系統(tǒng)特性不一致,不滿足設(shè)計(jì)規(guī)程要求,需更改二次回路。3.2敏度與受應(yīng)時(shí)間的穩(wěn)定性軟件措施主要基于現(xiàn)有TA特性條件,將靈敏度與耐受TA暫態(tài)特性不一致的能力進(jìn)行折衷。通過(guò)采用三段保護(hù)的組合盡最大可能地滿足D橋差動(dòng)保護(hù)可靠性和安全性的要求。12段ID-IdYC>2.4kA(2倍額定電流),延時(shí)3.3ms動(dòng)作,利用延時(shí)與定值配合躲開(kāi)D繞組TA三相暫態(tài)特性不一致造成的影響。2ta三元暫態(tài)差異不一致7倍額定電流ID-IdYC>4.44kA(3.7倍額定電流),延時(shí)0ms動(dòng)作(固有延時(shí)0.5ms),利用高定值躲開(kāi)D繞組TA三相暫態(tài)特性不一致造成的影響。3試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果ID-IdYC>max(0.6kA(0.5倍額定電流),0.2ID),延時(shí)4ms動(dòng)作,采用零序電壓判斷交流系統(tǒng)故障,檢測(cè)到交流側(cè)有零序電壓立即閉鎖。零序電壓與保護(hù)動(dòng)作延時(shí)配合,確保交流系統(tǒng)故障此段不開(kāi)放,保護(hù)的動(dòng)作時(shí)序圖見(jiàn)圖8。當(dāng)區(qū)外交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí),必然產(chǎn)生零序電壓,該電壓在4ms內(nèi)被保護(hù)監(jiān)測(cè)到并發(fā)出閉鎖Ⅲ段保護(hù)的信號(hào),而在4ms內(nèi),絕大多數(shù)的TA傳變均還在真實(shí)可信的范圍內(nèi),因而不會(huì)誤動(dòng)作。在超過(guò)8ms,TA飽和后,保護(hù)已經(jīng)閉鎖,也不會(huì)誤動(dòng)作出口。優(yōu)點(diǎn)為:軟件整改措施相對(duì)硬件整改措施而言簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì),不需更改一次設(shè)備和二次回路,引入零序電壓判據(jù)后可有效避免誤動(dòng)。缺點(diǎn)為:系統(tǒng)區(qū)外故障時(shí)還有誤動(dòng)的可能性(TA在4ms內(nèi)就達(dá)到飽和);當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障,同時(shí)區(qū)內(nèi)又發(fā)生非嚴(yán)重故障時(shí),Ⅲ段保護(hù)不會(huì)動(dòng)作,動(dòng)作延時(shí)長(zhǎng)(需要靠Ⅰ段和Ⅱ段后備保護(hù)來(lái)動(dòng)作)。在計(jì)算條件為交流系統(tǒng)大方式,直流輸送最大功率和最小功率時(shí),對(duì)上述方案進(jìn)行動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證,包括各類(lèi)情況下的閥短路試驗(yàn)、換流變二次側(cè)單相接地試驗(yàn)、交流線路單相接地試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明各段保護(hù)能正確可靠動(dòng)作。4硬件整改措