高压直流输电的故障与保护分析.doc

龙源期刊网 高压直流输电的故障与保护分析作者：沙俊民 朱月来源：中国科技博览2015年第28期摘 要本文针对直流输电系统中的常见的故障进行分析，包括换流器桥臂短路故障、换相失败故障、直流线路接地故障、交流侧单相和三相短路故障、触发脉冲丢失故障。关键词直流线路接地故障、交流侧故障、触发脉冲丢失故障中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0055-010、引言随着电力电子技术的飞速发展，高压直流输电技术也越来越得到大家的重视。相比于传统的交流输电，高压直流输电更适合远距离、大功率输送电能。高压直流输电线路通常用作区域互联、风电厂并网以及大功率输送的传输线，直流系统能否稳定运行直接影响到与其相连的区域网络或风电厂的稳定性，因此其运行的安全性和可靠性十分重要。1、直流线路主要故障及其特征直流输电系统主要由整流站、逆变站、直流输电线路以及接地极系统构成。换流站内的设备较为复杂，包括有换流器和交、直流开关场的一次设备以及控制保护系统的二次设备。此外，直流输电系统的正常运行还会受到两端连接的交流输电系统的影响。直流输电系统中任何一个部分发生故障或出现异常状态都会影响到整个直流输电系统的安全性和可靠性以及有关设备的安全。按照发生故障的设备所在的区域的不同HVDC的故障可以简单的归为直流部分故障和交流部分故障。系统中任何部分故障都会危害到系统的正常运行。直流部分的故障包括换流器故障直流开关场故障以及接地故障、直流线路故障。1.1 换流器故障换流器经常被比作是直流系统的心脏，作为直流输电系统中最重要的元件它的可控性以及单项导通的特性也构成了直流输电系统故障行为的重要特点。这些特点主要表现在换流阀的触发、导通、关断及其运行方式上，故障的形式和特性与交流输电系统中的一般元件有较大区别。在所有的直流输电工程的控制保护中都没有引入阀电流，判断换流器是否发生故障时都是通过阀电流之外的其他电气量的特性来判断的。这样做一方面是为了避免增加测量系统的复杂性，另一方面也是为了简化保护系统的逻辑。换流器的故障可以分为主回路故障和控制系统故障。换流器主回路故障分为换流阀短路、换相失败、直流侧出口短路、直流侧接地短路、交流测相间短路、交流测接地短路。控制系统故障是指换流阀误开通或不开通。1）整流器阀臂短路整流器的阀臂在阻断期间，大都承受反向电压。如果出现反向电压峰值大幅度的跃变换流阀就很可能发生逆弧，继而造成瞬时反向导通的阀臂发生短路。另外当避雷器发生短路或者换流阀的绝缘因冷却系统漏水汽化而损坏也会引起换流阀短路。发生短路的阀臂相当于在正、反向电压的作用下均能导通，即阀失去了单向导通性，并且某阀一旦出现短路会立即与同半桥正处于导通状态的阀构成支流两相短路。逆变器阀臂在阻断期间大都承受的是正向电压，电压过高或电压上升过快都会对阀臂的绝缘造成影响而使其损坏，阀臂绝缘受损后阀臂便会发生短路。以6脉动逆变器为例如图假设逆变器的阀VT1处于关断状态，加上正向电压后该阀发生短路，这就相当于此阀重新开通与阀VT3发生了倒换相，当到了阀VT4导通的时刻，VT1与VT4将形成直流侧的短路。3）逆变器换相失败换相失败是指在两个阀臂换相过程中，电流未能完成从导通阀臂向相继导通阀臂的转换使换相不能成功进行，它是逆变器中最常见的故障。换相失败具体表现为两个换流阀之间的换相过程未能进行完毕，或表现为预计退出导通状态的阀关断后在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀上的电压为正时阀臂呗重新导通，而预计要导通的阀则会被重新关断也就是发生倒换相。发生换相失败时，逆变器的直流侧会出现短时的短路电流，致使直流电流增加，进一步导致逆变器换相角变大，进而导致逆变器其他后续的阀臂也会出现换相失败，如此一来就会延长直流系统短路故障的持续时间，最终甚至会导致直流系统的控制和保护系统启用故障紧急停运功能，致使整个直流输电系统终止运行。1.2 直流输电线路故障直流线路特别是架空线，经常容易发生线对地的短路故障，这种故障中断了功率的稳定输送。但是，事故电流受到直流电抗器和整流器电流调节器的限制，它的数值要比交流输电线路的事故电流小得多，而故障清除后，一般也不影响设备的功能。在故障的起始阶段，由于线路电容的放电，使故障电流有较大的峰值；起始故障电流仅仅由线路波阻抗把它限制到，这比稳态值大得多。由于起始电流是线路电容通过线路阻抗放电而形成，因此电流调节器无法限制它。1.3 交流侧故障交流侧发生故障对直流系统的影响主要是通过加在换流器上的换相变压的变化而引起的，一般影响直流系统正常运行的因素有交流系统电压下降的速率以及幅值和相位的变化。换流站交流侧可能会发生的故障包括换流变压器和辅助设备发生故障、换流站交流侧三相接地短路故障、换流站交流侧单相接地故障、交流滤波器故障和换流站用电设备故障。下面主要介绍一下交流侧三相短路故障以及单相接地故障。1）交流测三相短路故障交流系统三相短路对直流系统的影响主要是直流电压和电流下降引发直流的输送功率下降，不会产生危及直流设备的过电压和过电流，所以并不需要停运，交流系统的故障一旦被清除，直流功率就会迅速恢复正常。逆变侧交流系统发生三相短路故障相较整流侧要复杂，故障发生后，换相电压降低，直流电流增大最终可能会引起换相失败。交流系统的强弱以及发生三相短路的故障点距逆变站的电气距离也与交流电压下降的速度及幅值有关。根据理论分析可知交流系统越弱且故障点距逆变站的距离越近则换相电压下降的速度就越快下降的幅值也越大，这时很容易引发换相失败。2）交流侧单相接地故障整流器的交流侧发生单相对地短路故障时，整流器中导通的阀中将流入故障电流。故障电流的路径是通过换流站的接地网和直流接地极，到达直流的中性端，从而形成相应阀臂短路。所以短路回路的电阻会相应的增加，但故障电流相较阀短路故障的略有减小。另外，整流器交流侧发生单相对地短路故障还会带来其它一些影响：换流变压器将受到强大的电流冲击；在直流侧还会出现二次谐波分量，如果该谐波的频率与直流回路的固有频率接近则有可能引起直流回路发生谐振。逆变器交流侧发生单相对地短路与整流侧故障时相同故障电流的路径是通过换流站的接地网和直流接地极，到达直流的中性端，从而形成相应阀臂短路。逆变器交流侧出现单相短路后逆变侧的直流电流升高，交流电流降低，检测到电流变化后动作，直流电流得到控制，逆变站换相解除直流短路。参考文献1 张重远，唐帅，梁贵书，等. 基于电磁型电压互感器传输特性的过电压在线监测方法J. 中国电机工程学报，2011，31（22）：142-1482 鲁铁成. 电系统过电压M.北京：中国水利电力出版社，2009.3 张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压试验技术（第2版）M.北京：清华大学出版社，20034 Jayaram S，Xu X Y，Cross J D.High divider ratio fast response capacitive d