由一起過電壓事故談交直流混聯(lián)電網(wǎng)的整定配合

由一起過電壓事故談交直流混聯(lián)電網(wǎng)的整定配合

0交直流混聯(lián)電網(wǎng)中保護配合問題高壓直接供電具有較高的傳輸能力、較高的電氣距離、靈活的控制、無穩(wěn)定問題、適合跨境短距離互聯(lián)的優(yōu)點。前景非常廣闊。近年來,隨著一大批高壓直流輸電工程的陸續(xù)建成投產(chǎn),國內(nèi)電力系統(tǒng)已逐步進入交直流混聯(lián)電網(wǎng)時代。在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中,交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的新電氣特征會對交流電網(wǎng)繼電保護動作行為產(chǎn)生不利影響,目前已引起廣泛關注。然而,交流保護與直流保護的協(xié)調(diào)及配合作為交直流混聯(lián)電網(wǎng)繼電保護應用中另一個關鍵問題,尚未引起足夠重視,成為電網(wǎng)安全運行的隱患。傳統(tǒng)上,交流保護和直流保護均從各自系統(tǒng)及設備的運行特性和故障特點出發(fā)獨立進行整定設置,忽視了兩者的內(nèi)在聯(lián)系。事實上,交直流混聯(lián)電網(wǎng)中交流保護和直流保護在功能實現(xiàn)上是統(tǒng)一的整體,需要兩者之間的協(xié)調(diào)及配合,孤立地進行交流保護或直流保護的定值整定都可能造成兩者的不正確動作。文獻分析了一起由于交直流保護配合不當造成直流100Hz保護誤動的事故。本文探討了現(xiàn)有過電壓保護在實際應用中存在的問題,并提出解決方案,希望能為國內(nèi)交直流混聯(lián)電網(wǎng)過電壓保護的安全可靠運行提供參考。1交流線路破壓與工頻問題的關系在直流輸電的交直流變換中,交流電流相角總要落后于相應的電壓相角,因此換流站在正常運行時需要從交流系統(tǒng)吸收大量容性無功功率。在圖1所示的交直流混聯(lián)電網(wǎng)中,換流站與交流系統(tǒng)的無功功率交換可由下式求得:Qac=Qc-Qdc(1)Qac=Qc?Qdc(1)式中:Qac為交流系統(tǒng)提供的無功功率;Qc為交流濾波器及并聯(lián)電容器提供的無功功率;Qdc為換流器消耗的無功功率。換流站交流母線電壓U與無功功率Qac存在以下關系:Qac=U2sinθ-EUsin(θ+δ)Ζ(2)Qac=U2sinθ?EUsin(θ+δ)Z(2)假設交流系統(tǒng)阻抗角為90°,由式(2)可得:U=Ecosδ2+√E2cos2δ4+QacΖ(3)下面分析影響交流母線工頻過電壓的因素。首先,交流母線過電壓和換流站與交流系統(tǒng)交換的無功功率有關。通常,在額定負荷運行時換流器消耗的無功功率可達到輸送功率的50%～60%。如果由于故障引起換流器閉鎖或系統(tǒng)擾動導致?lián)Q流器無功消耗大幅下降,由式(3)可知,剩余的無功功率將會造成換流站交流母線電壓升高。引起交流母線過電壓的典型情況是突然甩負荷,包括直流單雙極閉鎖及交流側斷路器跳閘等情況。在換流站設備故障直流系統(tǒng)緊急停運時,換流器消耗的無功功率急劇減少,如果無功補償設備不能被盡快切除,整流側交流母線就可能出現(xiàn)幅值較高的過電壓。當逆變側通過很少的幾回輸電線與交流系統(tǒng)相連、在受端主干交流輸電線斷路器跳閘甩掉大部分負荷時,直流系統(tǒng)在閉鎖前仍向逆變側輸送大量有功功率,失去的功率將被交流母線上的濾波器組等設備吸收,會導致逆變側交流母線電壓急劇升高。其次,甩負荷造成的過電壓還與換流站所連接的交流電網(wǎng)的系統(tǒng)阻抗即交流電網(wǎng)的強弱有關。通常用短路比KSCR來表示換流站所連接的交流電網(wǎng)的強度:ΚSCR=SacΡdn=U2nΖΡdn(4)式中:Sac為交流系統(tǒng)短路容量;Pdn為直流系統(tǒng)額定功率;Un為交流母線額定電壓。一般短路比小于3的系統(tǒng)為弱交流系統(tǒng)。顯然,直流系統(tǒng)在甩負荷時的過電壓隨短路比的減小而增大。發(fā)生直流雙極閉鎖時,若直流系統(tǒng)所連接的交流系統(tǒng)較弱,就會加劇交流母線過電壓的程度;尤其是對于背靠背直流輸電系統(tǒng),其通常只有一個極,在這種情況下,單極閉鎖就會造成較嚴重的過電壓。不同短路比情況下,直流雙極閉鎖時換流站整流側母線過電壓的波形如圖2所示,受端交流系統(tǒng)主干輸電線路切除時換流站逆變側母線過電壓的波形如圖3所示。換流站整流側或逆變側交流母線出現(xiàn)的持續(xù)過電壓會通過換流變壓器及換流閥傳遞至直流系統(tǒng),同時還會經(jīng)由輸電線進入鄰近交流電網(wǎng),對直流系統(tǒng)和交流電網(wǎng)的安全運行造成威脅。2次系統(tǒng)電壓保護過電壓是交流電網(wǎng)一種常見的電磁暫態(tài)現(xiàn)象。頻率為工頻或接近工頻而幅值超過最高運行相電壓的過電壓,稱為工頻過電壓。影響工頻過電壓的主要因素包括空載長線路的電容效應、不對稱短路及線路突然甩負荷等。工頻過電壓與系統(tǒng)結構、容量、參數(shù)及運行方式密切相關,分為穩(wěn)態(tài)工頻過電壓和工頻暫時過電壓2類。330～750kV超高壓交流輸電線路輸送距離較遠,又普遍采用分裂導線,分布電容較大。當線路電容電流流過線路電抗和電源電抗時就會引起穩(wěn)態(tài)工頻電壓升高。空載線路末端電壓Ul為:Ul=Ecosαl-XsΖWsinαl(5)式中:α為相位系數(shù);l為線路長度;Xs為電源電抗;ZW為線路波阻抗。顯然,在電容效應影響下,線路電壓會升高到很大值,嚴重危害電氣設備的安全。為此,一方面可在輸電線路上裝設并聯(lián)電抗,通過對電容的補償來降低電壓;另一方面,可根據(jù)一次系統(tǒng)過電壓要求在二次系統(tǒng)裝設過電壓保護。過電壓保護不針對操作過電壓、暫態(tài)過電壓或其他種類過電壓,主要適用于工頻過電壓。典型情況是長線路本側斷路器三相跳閘后,線路對地電容充電功率造成的工頻過電壓。對有些線路而言,即使本側斷路器不跳閘,背側斷路器跳閘也會造成本側過電壓。過電壓保護通常集成在遠方跳閘就地判別裝置中或作為線路保護的一個功能模塊,其動作邏輯如圖4所示。過電壓保護測量保護安裝處母線或線路的電壓,并作用于跳閘。當本側斷路器已斷開而線路仍然過電壓時,通過發(fā)送遠方跳閘信號來切除線路對側斷路器。依據(jù)現(xiàn)行繼電保護技術規(guī)程,過電壓保護整定值和跳閘方式由一次系統(tǒng)確定。DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規(guī)定,線路斷路器的變電站側及線路側電壓應分別不超過系統(tǒng)最高運行相電壓的1.3倍和1.4倍。SD325—89《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術導則》進一步要求向空載線路充電時,在暫態(tài)過程衰減后線路末端電壓不應超過系統(tǒng)額定電壓的1.15倍,持續(xù)時間不應大于20min。過電壓保護定值主要依據(jù)上述2個規(guī)程,以及具體電網(wǎng)可能出現(xiàn)的過電壓幅值和允許時間來確定。其動作電壓一般取系統(tǒng)額定電壓的1.15倍,但動作時間較難確定。電網(wǎng)和設備在不同過電壓情況下耐受時間不同,過電壓倍數(shù)越高,耐受的時間就越短,反之亦然。因此,較理想的過電壓保護方法是采用反時限動作特性,但現(xiàn)有過電壓保護裝置均采用定時限特性,即只有過電壓幅值和時間2個定值。受其限制,考慮到在過電壓幅值遠超過1.15倍系統(tǒng)額定電壓時過電壓保護也能及時動作,所以時間定值不能太大,在可靠躲過故障暫態(tài)過程的前提下應盡可能小,一般取100～500ms。實際中,各地區(qū)均依據(jù)各自電網(wǎng)和設備的運行特點進行整定,以西北330kV電網(wǎng)為例,過電壓保護定值的電壓整定值Uset為1.15(標幺值),時間整定值Tset為0.15s。總之,交流電網(wǎng)過電壓保護是從交流電網(wǎng)的運行特性、故障特征以及過電壓水平等因素出發(fā)整定的,沒有考慮直流系統(tǒng)過電壓的影響以及對直流系統(tǒng)的適應性。3動態(tài)電壓限值的限制換流站無功補償過剩經(jīng)常會造成交流母線過電壓。通常,直流系統(tǒng)在換流器閉鎖時會按一定的策略切除換流站的電容器組、濾波器組和換流變壓器,過電壓的幅值及持續(xù)時間與直流系統(tǒng)保護的動作特性密切相關。對于直流系統(tǒng)甩負荷造成的工頻過電壓,DL/T605—1996《高壓直流換流站絕緣配合導則》規(guī)定,應采取措施將工頻過電壓幅值限制在最高運行相電壓的1.4倍以下,持續(xù)時間限制在1s以內(nèi)。國內(nèi)高壓直流輸電工程技術規(guī)范中,對暫時過電壓限值一般規(guī)定如下:·廣告·1)直流輸電部分或完全中斷時不應在換流器的交流母線處產(chǎn)生持續(xù)時間超過5個周期、大于1.3(標幺值)的工頻電壓,且電壓變化不會超過擾動前電壓的30%。2)從導致輸電中斷的干擾產(chǎn)生時起2s內(nèi),工頻電壓應在500ms以內(nèi)降到1.15(標幺值)以下,并降至擾動前電壓的105%或者交流母線電壓(所有的電容器分組切除后),以兩者中的較大值為準。動態(tài)過電壓的限制值如圖5所示。各直流輸電工程還會結合系統(tǒng)計算結果,對過電壓做進一步的限制。換流器在未閉鎖時可用來快速平滑地限制過電壓,例如通過增大整流器的觸發(fā)角及逆變器的關斷角,從而增加換流站所消耗的無功功率,協(xié)助降低過電壓。除此之外,直流系統(tǒng)還配有多種過電壓保護功能,在直流極控不起作用而電壓又不能被主要限制措施限制在規(guī)定范圍的情況下,防止嚴重的持續(xù)過電壓損壞換流變壓器及換流器。此類保護總體上可分為如下4種,其定值依據(jù)國家相關規(guī)定、工程過電壓技術規(guī)范及設備過應力進行整定。1換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)根據(jù)換流變壓器閥側線電壓、頻率及分接頭位置,計算出理想空載直流電壓Udi0,當Udi0超過規(guī)定值時,保護動作。動作條件分別為:{Udi0L≥Udi0≥Udi0GΤ>Τset1(6){Udi0>Udi0LΤ>Τset2(7){Udi0>Udi0maxΤ>Τset3(8)式中:Udi0G,Udi0L,Udi0max分別為理想空載直流電壓的下限、上限、極大值,其典型值依次為額定電壓的1.01倍、1.03倍和1.04倍;Tset1,Tset2,Tset3為時間整定值,其典型值分別取0.1s,2s和115s。滿足式(6)時,保護動作后將禁止增大Udi0的分接頭操作;滿足式(7)時,保護動作后將調(diào)節(jié)分接頭降低Udi0;滿足式(8)時,保護動作后閉鎖換流器,跳開換流變壓器交流側斷路器,鎖定交流斷路器并啟動斷路器失靈保護。換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)屬于慢速控制,具有臺階效應,約5～10s一擋。而改變換流器觸發(fā)角對擾動進行調(diào)節(jié)具有響應快速平滑的特點,通常將兩者結合起來進行電壓控制。2電壓初始時間uxdc的確定根據(jù)交流母線電壓狀況,通過投切濾波器組及電容器組,維持穩(wěn)態(tài)交流電壓在一定范圍內(nèi),避免濾波器及換流變壓器過電壓保護頻繁動作。當檢測到母線電壓超過最高電壓Umax一定時間時,按次序切除濾波器組及電容器組,防止電壓的繼續(xù)升高,直至滿足絕對最小濾波器容量要求為止。約束條件為:{Uac_dc>UmaxΤac_dc>Τac_set(9)式中:Uac_dc和Tac_dc分別為直流系統(tǒng)過電壓保護動作電壓和時間;Umax取額定電壓的1.3～1.5倍;Tac_set取0.1s。3正常電壓的判定為防止工頻過電壓對換流變壓器的損害,直流系統(tǒng)配置有換流變壓器過電壓保護。通過測量換流變壓器引線相電壓并與定值比較來判斷是否發(fā)生非正常過電壓。該保護依據(jù)換流變壓器過電壓能力整定,一般為:{Uac_dc>Uac_setΤac_dc>Τac_set(10)式中:Uac_set取額定電壓的1.3～1.5倍;Tac_set取0.5s。該保護動作后依次移相閉鎖,跳開并鎖定交流斷路器。4交流濾波器過流保護為避免工頻過電壓損壞交流濾波器組及并聯(lián)電容器組,直流系統(tǒng)配置有濾波器母線過電壓保護。通過檢測濾波器組母線相電壓并與定值比較來判斷是否發(fā)生過電壓,本保護對工頻電壓及7次以下諧波電壓敏感。按照交流濾波器耐受過電壓能力整定,一般情況下同式(10),但Uac_set取額定電壓的1.15～1.50倍;Tac_set因過電壓水平而異,Uac_set為1.15(標幺值)時Tac_set可取10s,Uac_set為1.50(標幺值)時Tac_set可取0.2s。該保護動作后依次報警,跳濾波器組斷路器,啟動斷路器失靈保護等。顯然,直流系統(tǒng)過電壓保護整定依據(jù)直流系統(tǒng)的運行特性、故障特征及過電壓水平等條件,沒有考慮對交流電網(wǎng)過電壓及其保護的影響。4直流設備故障目前,交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)的過電壓保護都是從各自系統(tǒng)的運行特性及過電壓情況出發(fā)獨自設定相關參數(shù)的,沒有考慮對側系統(tǒng)的運行特點,在實際應用中難免會出現(xiàn)由于配合不當而引起過電壓保護不正確動作。西北直流外送工程某換流站分為單元Ⅰ和單元Ⅱ兩部分,正常情況下由西北向外區(qū)送電。2009年12月,該站直流設備發(fā)生故障,直流系統(tǒng)保護動作閉鎖單元Ⅱ,同時跳開換流變壓器交流側斷路器。站內(nèi)過剩的無功功率引起整流側交流母線電壓升高,直流系統(tǒng)過電壓保護動作較慢,交流電網(wǎng)過電壓保護達到定值后動作切除鄰近兩回330kV輸電線。圖6為直流閉鎖前后600ms內(nèi)直流暫態(tài)故障錄波系統(tǒng)(TFR)記錄的直流電流iD、直流電壓uD及換流變壓器網(wǎng)側三相電流iAC波形;圖7為交流電網(wǎng)過電壓保護動作前250ms內(nèi)檢測的母線電壓波形。經(jīng)分析,直流系統(tǒng)在過電壓定值設置時并未考慮交流電網(wǎng)過電壓水平及過電壓保護定值。同時,交流電網(wǎng)過電壓保護在整定時對直流設備故障引起的過電壓也分析不足。當直流閉鎖導致?lián)Q流站交流母線電壓升至1.17(標幺值)且持續(xù)時間超過179ms時,在直流系統(tǒng)過電壓保護未動作情況下,交流側過電壓保護動作出口。由本次事故可見,對交直流混聯(lián)電網(wǎng)中過電壓保護作用和整定原則的認識還有待進一步深化。5鄰近交流輸電線路電壓保護動作在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中,交流保護和直流保護在功能配置方面應遵循的一個原則是:在直流系統(tǒng)故障期間交流電網(wǎng)保護盡可能不動作,主要由直流系統(tǒng)的控制保護動作來消除故障。當直流保護不起作用時,才由交流保護動作隔離故障,即直流系統(tǒng)故障時交流保護是直流保護的后備保護。換流站內(nèi)交流母線接有大量的無功補償設備,在交流側斷路器跳閘或直流側換流器閉鎖造成甩負荷時,站內(nèi)過剩的無功功率經(jīng)常會引起工頻過電壓。因此,過電壓的消除主要依靠換流站內(nèi)直流系統(tǒng)保護的動作,交流電網(wǎng)過電壓保護應滿足選擇性的要求,在動作電壓和時間上均與直流系統(tǒng)過電壓保護相互配合。直流系統(tǒng)過電壓保護在策略設計時,除了要參照換流站內(nèi)一次設備的過電壓能力及直流運行特性外,還應充分考慮周圍交流電網(wǎng)輸電線路過電壓保護的動作電壓和時間,并將其作為一個約束條件,對直流設備故障引起的工頻暫時過電壓進行校核,盡可能減小過電壓的幅值及持續(xù)時間,將換流站交流母線電壓保持在允許的范圍內(nèi),以避免引起鄰近交流輸電線路過電壓保護動作。例如,假設鄰近交流輸電線路過電壓保護定值的電壓整定值Uset為1.2(標幺值),時間整定值Tset為0.2s。直流系統(tǒng)在滿足過電壓設計規(guī)范的前提下,應進一步校核確認在部分或全部直流功率中斷后,引起的交流母線工頻過電壓幅值小于1.2(標幺值)且持續(xù)時間不超過200ms。當超過限值時,首先由直流系統(tǒng)的最高電壓Umax限制保護動作,逐級切除無功補償設備;若還不能解決問題,再由換流變壓器過電壓保護和濾波器母線過電壓保護動作,切除所有濾波器組及換流變壓器,從而消除過電壓。在策略執(zhí)行時,每級交流濾波器組或電容器組的切除時間需要結合具體工程條件經(jīng)過詳細的仿真計算確定。應依據(jù)過電壓水平縮短每組無功補償設備的切除時間,且不同過電壓程度切除時間應有所差異。必要時還可經(jīng)較短延時同時切除所有交流濾波器組或電容器組?？傊?優(yōu)先由直流系統(tǒng)保護通過快速減小無功補償設備提供的無功功率,將過電壓幅值及持續(xù)時間限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。交流電網(wǎng)過電壓保護整定時,除應依據(jù)輸電線路過電壓狀況外,還應充分評估鄰近直流輸電所帶來的影響。通過仿真計算確定換流站交流母線過電壓可能影響到的交流輸電線路的范圍。在滿足電網(wǎng)和設備安全運行前提下,盡可能提高相關交流輸電線路過電壓保護動作門檻值,并延長動作時間,以便與直流系統(tǒng)過電壓保護協(xié)調(diào)。在動作電壓和時間上,均應與直流系統(tǒng)過電壓保護相配合?？傊?直流輸電甩負荷造成的過電壓應由直流系統(tǒng)保護動作來限制,不應引起交流電網(wǎng)過電壓保護動作。交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)過電壓保護整定計算應滿足選擇性要求,兩者的定值必須符合以下條件:{Uac>Uac_dcΤac>Τac_dc(11)式中:Uac和Tac分別為交流電網(wǎng)過電壓保護動作電壓和時間。圖8給出了交流電網(wǎng)和直流系統(tǒng)過電