谷相宏(1992), 男, 硕士, 工程师, 从事直流控制保护工作(E-mail:
何茂慧(1990), 男, 硕士, 工程师, 从事直流控制保护工作
孔祥平(1988), 男, 博士, 高级工程师, 从事直流控制保护工作
针对双极双十二脉动特高压直流线路永久性接地故障异常环流无法有效隔离问题,提出了故障异常环流抑制优化方案。首先分析直流线路永久性接地故障异常环流值的影响因素;其次结合国内直流线路故障清除现有策略,分析有通信工况下线路接地故障重启高端阀组异常环流、有通信工况及无通信工况下线路接地故障重启不成功闭锁异常环流的形成原因;然后据此提出基于极隔离以及移相90°再闭锁策略优化的直流线路永久性接地故障环流抑制方案;最后通过实时仿真系统(real time digital system,RTDS)建立仿真模型验证改进方案的有效性。结果表明,文中所提出的方案可有效解决不同工况下直流线路永久性接地故障异常环流问题。
For the problem that the abnormal circulation of bipolar double twelve-pulse ultra high voltage direct current (UHVDC) line permanent grounding fault can not be effectively isolated, an optimized scheme for suppressing the abnormal fault circulation is proposed. Firstly, the influencing factors of abnormal circulating current value for DC line permanent grounding fault are analyzed. Secondly, combined with the existing removal strategies of DC line fault in China, the causes of abnormal circulation are analyzed, which are caused by restarting the high-end valve group with communication condition, unsuccessful restart with communication condition or without communication condition after DC line grounding fault happens. Then, a circulating current suppression scheme for DC line permanent ground fault based on pole isolation and blocking after shifting phase 90° strategy is proposed accordingly. Finally, the simulation model is established through real time digital system (RTDS) to verify the effectiveness of the improved scheme. The results show that the scheme proposed in this paper can effectively solve the abnormal circulation problem of DC line permanent grounding fault under different working conditions.
特高压直流输电系统输送功率大、电压等级高、经济效益好,对于区域电网互联以及能源优化配置具有重大意义,在我国得到了广泛应用[
为了抑制直流系统不同接地点形成的异常环流,现有研究结合不同运行工况,分析异常环流形成原因,并从主回路设计、控保策略优化等角度提供了一系列对策及建议[
2021年2月,某特高压直流发生的一起直流线路永久性接地故障中,由于直流保护极隔离策略使用不当,极1故障接地点与直流接地极引线持续形成环流,最终通过双极闭锁再解锁非故障极的方式恢复直流功率输送。据统计,2010年—2019年,国网公司在运特高压直流输电工程中直流线路发生永久性接地故障次数约占线路故障总次数的36.5%。直流线路永久性接地故障发生概率较高,若不采用有效隔离措施,故障接地点与直流系统接地极引线间的异常环流将持续存在,严重威胁直流系统的可靠运行。
直流线路故障环流隔离的特殊性在于,直流线路主保护行波保护一般配置在整流侧,逆变侧主要依靠电压突变量保护。但逆变侧电压突变量保护受过渡电阻、线路参数、运行方式等因素影响,若故障点靠近整流侧出口,逆变侧突变量保护可能拒动。由于线路故障接地点位于整流侧线路出线外侧,此时仅靠整流侧单端隔离无法隔离环流[
直流线路故障受清除策略、站间通信、保护配置等因素影响,形成异常环流的可能性较高。而现有研究缺乏对不同工况下线路永久性接地故障环流清除的系统性梳理,部分工况下因控保清除策略使用不当仍会形成异常环流,不利于故障检修。
鉴于此,文中以国内在运的特高压直流输电工程为背景,首先梳理异常环流工况类型,并对异常环流值进行定量分析;其次综合国内不同技术路线线路环流清除策略中存在的问题,分析不同工况下异常环流形成原因;然后在此基础上提出基于极隔离及移相90°再闭锁策略优化的直流线路永久性接地故障环流抑制优化方案;最后通过实时仿真系统(real time digital system,RTDS)建立仿真模型验证改进策略的可行性。
特高压直流输电系统常以双极大地回线方式运行,整流、逆变侧均接地,通过接地极引线提供电流通路。若此时极1直流线路发生永久性接地故障,为了给阀组提供反向电流通路、快速降低回路电阻、释放线路能量,故障发生后阀组可能进入旁通方式运行,即投入旁通对、合上BPS。如
直流线路永久性接地故障环流工况
DC line circulating current working condition of permanent grounding fault
针对环流方式1,其形成的必要条件是直流线路永久性接地故障后整流侧进入旁通方式,但在实际工程运行中,若直流线路重启不成功,整流侧进入旁通方式的工况较少,所以通过方式1形成环流的可能性较小。针对环流方式2,其形成环流的必要条件是直流线路故障后,逆变侧进入旁通方式运行。目前国内直流工程中,为了给直流线路提供钳制电位,故障后逆变侧进入旁通运行的做法大量存在,所以通过方式2形成环流的可能性较大。
双十二脉动特高压直流输电系统正常运行时,整流侧直流电压
式中:
逆变侧直流电压
式中:
联立式(1)和式(2),可解得
式中:
直流线路永久性接地故障接地电阻为
式中:
若故障后整流侧不旁通,环流方式2异常分流
式中:
结合式(4)和式(5),环流方式1、环流方式2形成的异常环流与
直流线路接地故障发生后,根据控制保护不同动作行为,可以将直流线路永久性接地故障异常环流工况分为以下3种:(1) 有通信工况下直流线路故障重启高端阀组;(2) 有通信工况下直流线路故障重启不成功直接闭锁;(3) 无通信工况下直流线路故障重启不成功直接闭锁。
有通信工况下,若故障前直流系统为双极四阀组运行,直流线路故障重启不成功后会尝试重启高端阀组。
重启高端阀组控制时序
Control sequence of rebooting the high end group
此种工况下,产生异常环流的原因主要有以下2种:(1) 若整流侧控制系统低电压监视功能闭锁极,由于低电压监视不执行极隔离,逆变侧故障后进入旁通方式运行,会通过环流方式2形成异常分流;(2) 若整流侧低电压保护闭锁极,部分工程中低电压保护动作后,整流、逆变侧均进入旁通方式运行,双端均不执行极隔离,会通过环流方式1、2以及故障极两侧旁通支路形成异常分流。
线路故障后重启高端阀组须满足一系列条件,当故障前不为双极四阀组运行或非双极功率模式运行时,直流系统重启不成功将直接闭锁。
有通信重启不成功闭锁控制时序
Control sequence of restarting unsuccessfully blocking directly with communication
此种工况下,综合国内现有不同技术路线,整流侧均不进入旁通方式运行,但逆变侧清除策略有所差异,主要区别在于以下2点:(1) 是否执行移相90°再闭锁方式;(2) 闭锁后是否进入旁通方式。结合现有策略,逆变侧故障后清除方式有2种:(1) 逆变侧故障后进入旁通方式,执行极隔离;(2) 逆变侧故障后不进入旁通方式,不执行极隔离。但无论故障后是否进入旁通方式,闭锁前均执行移相90°操作。
逆变侧采用方式1进行故障隔离时,即使本侧线路突变量保护未动作,整流侧线路保护动作后也须将极隔离信号通过快速站间通信送至逆变侧,实现双端隔离。因而,通过环流方式2形成的异常分流将随着逆变侧NBS拉开而消除。
而逆变侧采用方式2进行故障隔离时,由于逆变侧故障清除时采用移相90°再闭锁策略,不同接地点间产生的异常环流造成换流阀无法正常关断,该环流产生原因如下。
假设极2直流线路发生永久性接地故障,整流侧极2重启不成功后直接闭锁,逆变侧运行极与故障极阀组均未闭锁,其异常运行工况如
异常工况系统
Abnormal working condition system
根据文献[
阻容等效模型
Resistance and capacitance equivalent model
此种工况下,整流侧重启不成功后执行闭锁,经强制移相后本侧换流阀关断,直流电流过零。而逆变侧执行移相90°再闭锁策略,此时逆变侧换流阀未关断。逆变侧执行移相至90°过程中,受线路分布电容对回路电阻放电的影响,双十二脉动逆变器两端电压[
式中:
假设线路永久性接地故障分别发生在整流侧线路出口
无通信工况下,直流线路永久性故障重启不成功闭锁时序如
无通信闭锁控制时序
Control sequence of blocking without communication
无通信下直流线路永久性接地故障,整流侧行波保护(电压突变量保护)仍可正常动作,但逆变侧突变量保护受故障点影响,动作灵敏性不同[
综上所述,现有控制策略下,直流线路永久性接地故障不同接地点异常环流工况主要有:(1) 有通信直流线路接地故障重启高端阀组后通过环流方式1、2形成分流;(2) 有通信直流线路接地故障重启不成功直接闭锁后逆变侧不进入旁通模式通过换流阀、不同接地点形成环流;(3) 无通信直流线路接地故障通过环流方式2形成分流。据此提出相应改进措施。
极隔离策略主要是通过拉开中性母线开关NBS以及极母线隔离开关,实现故障侧与直流线路、运行极之间的隔离及永久性接地故障环流的清除。现有极隔离策略设计主要围绕以下原则:(1) 反映接地故障的保护动作后本侧执行极隔离;(2) 交直流碰线保护动作后本侧执行极隔离;(3) 直流线路重启动不成功后执行极隔离。结合不同技术路线以及线路接地故障环流隔离存在的问题,极隔离策略在配置上主要有以下不足:(1) 反映直流线路低电压的控制系统监视功能一般不执行极隔离;(2) 除直流线路故障外,极隔离一般仅在故障侧实施[
有通信线路接地故障重启高端阀组、无通信线路接地故障闭锁所导致的异常环流,根本原因是极隔离策略配置不当,反映线路永久性接地故障的后备保护以及控制系统监视功能整流侧未执行极隔离,逆变侧同样也未执行极隔离。具体来说,对于有通信线路接地故障重启高端阀组工况,为了避免环流方式1、2形成的异常分流,整流侧低电压监视闭锁或低电压保护动作后,本侧执行极隔离,同时须将极隔离信号通过站间通信传至逆变侧,实现双端隔离。对于无通信线路接地故障异常环流工况,为了避免环流方式2形成的异常分流,逆变侧低电压监视闭锁后,本侧应执行极隔离。
直流线路接地故障中,逆变侧执行移相90°再闭锁策略可释放直流线路能量,快速降低线路电压,避免投入旁通对、合上旁通开关引起的直流过冲。若故障后进入旁通方式,换流阀上的电流转移到旁通支路上,为换流阀可靠关断制造电流过零点。若逆变侧故障后不进入旁通方式运行,应采用不移相90°直接闭锁的策略。一方面,移相90°再闭锁的优点在于通过快速降低直流电压,减小投入旁通对引起的直流过冲,若故障后不进入旁通运行,移相90°的优点无法显现;另一方面,逆变侧采用移相90°再闭锁策略后,随着触发角减小,线路对地电容放电,不同接地点之间的闭合回路产生压降,直流电流再次建立。由于故障后旁通开关未合上,产生的异常环流持续流经换流阀,造成换流阀无法正常关断。
针对直流线路永久性接地故障环流工况,给出直流线路永久性接地故障环流抑制优化方案,如
直流线路永久性故障环流抑制优化方案
Circulating current suppression and optimized scheme for DC line permanent fault
由
文中采用±800 kV特高压直流输电系统RTDS模型验证所提策略的正确性,直流控制保护仿真系统与现场一致。
改进前重启高端阀组波形
Waveforms of rebooting the high-end group before improvement
采用改进策略后波形如
改进后重启高端阀组波形
Waveforms of rebooting the high-end group after improvement
改进前有通信重启不成功闭锁波形
Waveforms of restarting unsuccessfully then blocking with communication before improvement
采用改进策略后波形如
改进后有通信重启不成功闭锁波形
Waveforms of restarting unsuccessfully then blocking with communication after improvement
改进前无通信重启不成功闭锁波形
Waveforms of restarting unsuccessfully then blocking without communication before improvement
改进后策略波形如
改进后无通信重启不成功闭锁波形
Waveforms of restarting unsuccessfully then blocking without communication after improvement
特高压永久性直流线路故障清除策略复杂,不同技术路线动作行为多样。文中深入分析不同条件下的直流线路永久性接地故障环流工况,根据现有策略存在问题提出一系列改进建议,提出直流线路永久性接地故障环流抑制方案,运用RTDS模型证明策略有效性,并形成结论如下:
(1) 极隔离是避免直流系统不同接地点异常环流最为有效的措施,反映接地故障的直流保护本端应执行极隔离,反映接地故障的整流侧低电压监视功能两端均应执行极隔离,逆变侧低电压监视功能本侧应执行极隔离。
(2) 直流线路接地故障后换流阀进入旁通支路运行是形成异常环流的条件之一,应合理运用旁通策略,必要时避免旁通运行,作为环流抑制的辅助措施。
(3) 永久性接地故障中,应考虑线路分布电容对回路充电的影响,应合理运用移相90°再闭锁策略,防止形成异常环流,造成换流阀无法正常关断。
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