牛从直流牛寨站典型故障仿真分析及保护改进建议

doi:10.11985/2021.02.022

牛从直流牛寨站典型故障仿真分析及保护改进建议

代书龙^,, 张锐^,

中国南方电网超高压输电公司曲靖局曲靖 655000

Typical Faults Simulation Analysis and Protection Improvement Suggestions of Niu-cong HVDC Niuzhai Station

DAI Shulong^,, ZHANG Rui^,

Qujing Bureau, CSG EHV Power Transmission Company, Qujing 655000

通讯作者: 代书龙,男,1989年生,工程师。主要研究方向为高压直流输电系统电磁暂态仿真分析。E-mail：951508268@qq.com

收稿日期: 2020-06-24 修回日期: 2021-01-20

Received: 2020-06-24 Revised: 2021-01-20

作者简介 About authors

张锐,男,1974年生,高级工程师。主要研究方向为高压直流输电系统换流站运行与管理。E-mail： 22121441@qq.com

摘要

为了研究牛从直流牛寨站发生各典型故障时的故障发展机理以及当前保护系统动作特性,以便为直流控制保护逻辑优化提供理论依据,在牛从直流PSCAD/EMTDC仿真模型中设置牛寨站各典型故障,研究发现牛寨站换流变网侧故障消除后直流系统可快速恢复正常。换流变阀侧及阀区接地故障均导致牛从直流牛寨侧接地极流过强电流,短路故障均导致交流侧发展为三相短路。指出当前牛从直流50 Hz保护存在的弊端,并提出改进措施。根据阀短路特性提出一种新型阀短路保护判据,可与当前保护原理构成双重化保护,为今后直流工程保护系统设计提供理论参考依据。

关键词： 牛从直流 ; 典型故障 ; PSCAD/EMTDC仿真 ; 50 Hz保护 ; 阀短路保护

Abstract

In order to study the development mechanism of faults and the action characteristics of current protection system in Niu-cong HVDC Niuzhai station theoretical basis for HVDC control protection logic optimization is provided. The typical faults of Niuzhai station in the simulation model of Niu-cong HVDC PSCAD/EMTDC is set up. It is found that the HVDC system can return to normal quickly after eliminating the faults on the grid side of converter transformer of Niuzhai station. The grounding fault of valve side of converter transformer and valve area will results in strong current flowing through the grounding electrode of DC Niuzhai side, short circuit faults will leads to the development of three-phase short circuit in AC side. It points out the disadvantage of the current 50 Hz protection and puts forward the improvement measures. According to the characteristics of valve short-circuit, a new criterion of valve short-circuit protection is proposed, which can form dual protection with the current protection principle, and provide theoretical reference for the design of HVDC engineering protection system in the future.

Keywords： Niu-cong HVDC ; typical faults ; simulation of PSCAD/EMTDC ; 50 Hz protection ; valve short circuit protection

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本文引用格式

代书龙, 张锐. 牛从直流牛寨站典型故障仿真分析及保护改进建议. 电气工程学报[J], 2021, 16(2): 174-180 doi:10.11985/2021.02.022

DAI Shulong, ZHANG Rui. Typical Faults Simulation Analysis and Protection Improvement Suggestions of Niu-cong HVDC Niuzhai Station. Journal of Electrical Engineering[J], 2021, 16(2): 174-180 doi:10.11985/2021.02.022

1 引言

由于高压直流输电系统在超高压、远距离、大容量输电时其稳定性及经济性均优于交流系统^[1,2],因此近年来我国相继建设了多回直流输电工程。牛从直流作为世界上首个同塔双回直流输电工程,额定输送容量高达6 400 MW,由于送端牛寨换流站处于地震带,且交流系统薄弱,各种故障时有发生,因而系统分析牛寨站发生各种典型故障时的故障发展机理,并找出当前保护系统存在的薄弱点成为亟需解决的问题。

当前国内外学者对高压直流输电系统的研究大量倾向于逆变站换相失败的抑制措施方面,并且取得了丰硕成果^[3,4,5,6]。其余研究主要为交流系统故障对直流输电系统控制保护的影响以及由此引发的换相失败问题^[7,8,9],交直流混合系统中交流故障对直流系统的影响以及改进措施方面^[10,11,12]。对深入研究整流站阀区发生故障时直流控制保护系统出口逻辑以及50 Hz保护的课题较少,因此当前整流站部分保护原理仍然存在薄弱点,部分保护逻辑有较大的完善空间。本文对牛从直流牛寨站典型故障进行仿真研究,提出50 Hz保护改进措施以及一种新型阀短路保护判据。

本文在介绍牛从直流输电系统后,在牛从直流PSCAD/EMTDC仿真模型中设置牛寨站换流变网侧、阀侧以及阀区故障,各故障点如图1所示,对每种故障的发展机理以及保护动作原因进行分析,针对当前保护存在的弊端提出改进建议并提出一种新型阀短路保护判据。

图1

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图1 牛寨站故障位置示意图

2 牛从直流输电系统介绍

牛从直流输电系统是我国第一个双回直流线路同塔架设、换流阀组同址建设的直流输电工程,送端为位于云南省昭通市的牛寨换流站,受端为位于广东省从化市的从西换流站。牛寨换流站共4条交流进线,3条与溪洛渡右岸电站相连,1条与昭通电网相连,站内换流阀组相邻布置。共设置4大组20小组交流滤波器,两回直流共用交流场、交流滤波器场。两回直流引线共用1个接地极。整流站及逆变站均为双回双极单12脉动阀组结构,输送容量为2×3 200 MW,额定电压±500 kV,额定电流3 200 A,牛寨站换流器额定触发角为15°,从西站换流器额定熄弧角为17°,每极平波电抗器电感均为 300 mH,直流线路电阻为9.07~12.43 Ω,高压直流输电线路长约1 254 km^[13]。

3 换流变网侧故障

3.1 单相接地

以下仿真中,故障持续时间均为0.1 s,过渡电阻0.001 Ω。在牛从直流PSCAD/EMTDC仿真模型中,设置牛寨站换流变网侧A相接地故障,即图1中的1位置,仿真结果如图2所示。换流变网侧A相发生单相接地故障时,直流电压及直流电流中含有大量谐波分量。对直流电压及电流中的谐波分量进行快速傅里叶变换可得各次谐波含量,由谐波分析结果可知故障发生和结束时刻谐波电压及谐波电流中50 Hz、150 Hz谐波含量快速增加,故障期间谐波含量衰减较快。故障期间100 Hz谐波含量较高,且整个故障期间均存在,故障消失后,100 Hz谐波含量迅速减小。

图2

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图2 换流变网侧A相接地故障仿真结果

当前50 Hz和100 Hz保护判据如式(1)、式(2)所示,判断标准为50 Hz或100 Hz分量达到保护定值及延时后保护出口,出口方式根据谐波电流含量大小以及延时长短分为报警、切换段、功率回降段和动作段。采用该保护原理时,故障消除后由于50 Hz分量快速增加,且衰减速率比故障发生时的衰减速率慢,导致50 Hz保护重新计时,存在误动风险。牛从直流曾发生多起由于牛寨站换流变充电或溪洛渡电厂主变充电导致从西站50 Hz保护动作的情况,部分动作情况如表1所示。

(1)${{I}_{\text{dcN50}}} \text{ }{{I}_{\text{set}}}\text{ + }{{k}_{\text{set}}}\text{ }\times \text{ }{{I}_{\text{dcN}}}$

(2)${{I}_{\text{dcN100}}}\text{ }{{I}_{\text{set}}}\text{ + }{{k}_{\text{set}}}\text{ }\times \text{ }{{I}_{\text{dcN}}}$

式中,${{I}_{\text{dcN}}}$为阀厅中性母线区域电流;${{I}_{\text{dcN50}}}$为${{I}_{\text{dcN}}}$的50 Hz分量值;${{I}_{\text{dcN100}}}$为${{I}_{\text{dcN}}}$的100 Hz分量值;I_set为电流整定值;k_set为比例系数整定值。

表1 牛从直流50 Hz保护动作情况

时间	原因	50 Hz保护动作情况
2014年04月14日19:42	牛从乙直流极1换流变充电	从西站牛从甲双极切换控制系统,牛从甲直流功率由1 550 MW降至960 MW
2014年05月19日23:39	溪洛渡电厂17号主变充电	从西站牛从甲切换控制系统,牛从甲直流极2的50 Hz保护动作,该极转为备用状态,牛从甲直流极1功率回降
2014年06月02日00:43 2014年06月02日21:04	牛从乙直流极2换流变充电	从西站牛从甲双极切换控制系统,功率回降目标值为960 MW(充电前功率已调整为960 MW)
2014年06月02日20:45 2014年06月02日22:35 2014年06月02日22:51	牛从乙直流极2换流变充电	从西站牛从甲双极切换控制系统

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根据文献[14]可知,直流线路沿线电压、电流的50 Hz分量及幅值分别如式(3)、(4)所示。可以看出,直流线路沿线电压和电流50 Hz分量近似呈正弦变化趋势。沿线电压的50 Hz分量幅值$\left| U(x) \right|$先增大至最大值后再逐渐减小,沿线电流的50 Hz 分量幅值$\left| I(x) \right|$先减小至零后再逐渐增大。由此可知,牛从直流牛寨站侧发生故障时从西站50 Hz保护动作的原因为直流线路对50 Hz分量电流放大作用导致。该分析结果仿真情况基本相同。

(3)$\left\{ \begin{align} & U(x)=\frac{{{X}_{hi}}\cos ax+{{Z}_{c}}\sin ax}{{{X}_{hi}}\cos al+{{Z}_{c}}\sin al}{{U}_{dhr}} \\ & I(x)=\frac{j({{X}_{hi}}\sin ax-{{Z}_{c}}\cos ax)}{{{Z}_{c}}({{X}_{hi}}\cos al+{{Z}_{c}}\sin al)}{{U}_{dhr}} \\ \end{align} \right.$

(4)$\left\{ \begin{align} & \left| U(x) \right|=\frac{\sqrt{X_{hi}^{2}+Z_{c}^{2}}\left| \sin \left( ax+\arctan \frac{{{X}_{hi}}}{{{Z}_{c}}} \right) \right|}{{{X}_{hi}}\cos al+{{Z}_{c}}\sin al}\left| {{U}_{dhr}} \right| \\ & \left| I(x) \right|=\frac{\sqrt{X_{hi}^{2}+Z_{c}^{2}}\left| \cos \left( ax+\arctan \frac{{{X}_{hi}}}{{{Z}_{c}}} \right) \right|}{{{Z}_{c}}({{X}_{hi}}\cos al+{{Z}_{c}}\sin al)}\left| {{U}_{dhr}} \right| \\ \end{align} \right.$

式中,U(x)、I(x)分别为距离线路末端x处沿线电压、电流的50 Hz分量;X_hi为直流线路另一侧等值阻抗的50 Hz电抗分量;j为虚数单位;Z_c为波阻抗,其近似表达式如式(5)所示;U_dhr为线路首端电压的50 Hz分量;x为距离线路末端的距离;l为线路长度;a与线路传播常数$\gamma $存在式(6)所示关系;L₀、C₀分别为线路单位长度等值电感、对地电容。

(5)${{Z}_{c}}=\sqrt{{{{L}_{0}}}/{{{C}_{0}}}\;}$

(6)$\gamma \text{=}j\omega \sqrt{{{L}_{0}}{{C}_{0}}}=ja$

针对当前牛从直流存在50 Hz保护误动的情况,有部分文献提出延长保护出口时间的措施^[15,16],但该方法以牺牲直流系统的安全稳定运行为代价。也有文献提出采用波形识别的50 Hz保护优化改进策略^[17],但验证该措施的有效性时只是选取了部分参数进行验证。

为解决这一弊端,根据谐波含量特性曲线提出一种50 Hz保护的约束条件：只有保护检测到50 Hz谐波分量大于定值且100 Hz谐波变化率大于0时,保护才启动,如式(7)所示。采用该保护原理时,交流系统故障恢复期间能可靠闭锁50 Hz保护。

(7)$\left\{ \begin{align} & {{I}_{\text{dcN50}}}\text{ }{{I}_{\text{set}}}\text{ + }{{k}_{\text{set}}}\text{ }\times \text{ }{{I}_{\text{dcN}}} \\ & \Delta {{I}_{\text{dcN100}}}>0 \\ \end{align} \right.$

式中,$\Delta {{I}_{\text{dcN100}}}$为${{I}_{\text{dcN}}}$的100 Hz分量变化率。

3.2 相间短路

设置牛寨站换流变网侧AB相间短路,即图1中的2位置,仿真结果如图3所示。此时的谐波成分以及谐波变化规律与单相接地故障基本一致,但相间短路时的谐波成分含量更高,因而故障恢复期间50 Hz保护误动的概率更大。

图3

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图3 换流变网侧AB相间短路仿真结果

4 换流变阀侧故障

4.1 单相接地

牛寨站YY换流变阀侧A相接地故障,即图1中的3位置,仿真结果如图4所示。此时一部分直流电流由接地点经大地流至接地极,由接地极经接地极线路返回牛寨站,流过牛寨站正常导通的阀,该电流回路的电阻较正常回路小,因此接地极电流及阀桥电流迅速增加,但直流出线电流减小,满足阀短路保护及直流差动保护出口条件,直流闭锁。Y桥阀以及D桥阀短路保护判据分别如下

(8)${{I}_{\text{acY}}}-\text{min(}{{I}_{\text{dcH}}}\text{,}{{I}_{\text{dcN}}}\text{)}>\text{max(}{{I}_{\text{set}}}\text{, }{{k}_{\text{set}}}\times \text{min(}{{I}_{\text{dcH}}}\text{,}{{I}_{\text{dcN}}}\text{))}$

(9)${{I}_{\text{acD}}}-\text{min(}{{I}_{\text{dcH}}}\text{,}{{I}_{\text{dcN}}}\text{)max(}{{I}_{\text{set}}}\text{, }{{k}_{\text{set}}}\times \text{min(}{{I}_{\text{dcH}}}\text{,}{{I}_{\text{dcN}}}\text{))}$

直流差动保护判据如下

(10)$\text{ }\!\!|\!\!\text{ }{{I}_{\text{dcH}}}-{{I}_{\text{dcN}}}\text{ }\!\!|\!\!\text{ }>\text{max(}{{I}_{\text{set}}}\text{, }{{k}_{\text{set}}}\times \text{(}{{I}_{\text{dcH}}}\text{+}{{I}_{\text{dcN}}}\text{) / 2)}$

图4

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图4 换流变阀侧A相接地故障仿真结果

4.2 相间短路

牛寨站YY换流变阀侧AB相间短路,即图1中的4位置短路时,仿真结果如图5所示。由于发生相间短路,换流阀将失去换相电压,换相不能完成,后续交流系统将发展为三相短路,换流变阀侧流过高达38 kA的电流,Y阀短路及交直流过流保护动作闭锁换流器。

图5

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图5 换流变阀侧AB相间短路仿真结果

交直流过流保护判据为

(11)$\text{max(}{{I}_{\text{acY}}}\text{, }{{I}_{\text{acD}}}\text{, }{{I}_{\text{dcH}}}\text{, }{{I}_{\text{dcN}}}\text{)}{{I}_{\text{set}}}\text{ }$

式中各物理量的含义同式(8)、式(9)。

5 阀区故障

5.1 阀短路

Y桥阀V1发生短路时,即图1中的5位置故障,仿真结果如图6所示。由于阀V1发生短路后,该阀在正反向电压的作用下均能导通,阀V4向V6换相时,换相时刻A相电压小于B相电压,V4能换相至V6,由于V1发生短路,导通的阀为V5、V6、V1,V5流出的阀电流经V1返回A相,因此故障阀电流反向并且剧烈增加,后续将出现V1、V2、V3、V4同时导通的情况,此时发展为交流侧三相短路,直流侧出口短路。因此交流侧电流迅速增大,最终阀短路保护动作闭锁换流器。该故障情况下若阀短路保护拒动,故障只能通过后备保护切除,但后备保护动作延时较长,换流变将长期承受强大电流的冲击,因此当前普遍采用的阀短路保护仍然存在待完善之处。

图6

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图6 Y桥阀V1短路仿真结果

由于故障期间阀电流反向并剧烈增加,与故障阀在同一半桥的另一个阀电流正向剧烈增加。因此同一半桥中同时出现正反向电流并且都剧烈增加可作为检测阀短路的一个重要判据,但由于保护系统采集的电流为流过换流变阀侧的电流,正常运行期间换流变阀侧的电流有正也有负,换相期间电流变化率也有正负,因此可增加阀桥电流大于某个给定值作为约束条件,以便躲开正常运行期间反向电流以及换相期间电流变化率的干扰,其表达式如式(12)、(13)所示。此外,以该表达式作为阀短路保护的判据时,还可避免阀塔高、低压侧电流测量误差带来的影响。

(12)$\left\{ \begin{align} & \text{ }\!\!|\!\!\text{ }{{I}_{\text{acY}}}\text{ }\!\!|\!\!\text{ }{{I}_{\text{set}}}\text{ } \\ & \Delta {{I}_{VYN}}\text{0} \\ & \Delta {{I}_{VYM}}\text{0} \\ \end{align} \right.$

(13)$\left\{ \begin{align} & \text{ }\!\!|\!\!\text{ }{{I}_{\text{acD}}}\text{ }\!\!|\!\!\text{ }{{I}_{\text{set}}}\text{ } \\ & \Delta {{I}_{VDN}}\text{0} \\ & \Delta {{I}_{VDM}}\text{0} \\ \end{align} \right.$

式中,$\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }$I_VYN为I_VY1、I_VY2、I_VY3中的任意一个变化率,$\Delta $I_VYM为I_VY1、I_VY2、I_VY3中的除I_VYN外任意一个变化率,$\Delta $I_VDN为|I_VD1-I_VD2|、|I_VD2-I_VD3|、|I_VD3-I_VD1|中的任意一个变化率,$\Delta $I_VDM为|I_VD1-I_VD2|、|I_VD2-I_VD3|、|I_VD3-I_VD1|中的除I_VDN外任意一个变化率。其余变量含义同前述表达式。

5.2 高压母线出口接地

高压母线出口接地时,即图1中的6位置故障,仿真结果如图7所示。此时直流电流由接地点流经直流接地极,并由接地极线路返回牛寨站,因此高压直流电流减小,中性母线电流快速增加,接地极短时存在强电流,该电流对接地极周围的天然气管道以及金属设施会产生腐蚀作用。由于此时直流电流失去电抗器及线路电阻的阻碍,阀桥电流快速增加,因此阀短路保护及直流差动保护动作闭锁换流器。

图7

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图7 高压母线出口接地仿真结果

5.3 两阀桥之间母线接地

两阀桥之间母线接地,即图1中的7位置接地时,仿真结果如图8所示。电流经接地点流至接地极,由接地极经接地极线路返回牛寨站D阀桥,因此接地极电流及D阀桥电流剧烈增大,Y阀桥电流减小,仍然会对接地极周围设备产生影响,该故障与高压母线出口接地的主要区别在于Y阀桥电流减小,而高压母线出口接地时Y阀桥电流增大。最终D桥阀短路保护及直流差动保护动作闭锁换流器。

图8

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图8 两阀桥之间母线接地仿真结果

5.4 阀桥短路

Y桥短路,即图1中的8位置短路时,仿真结果如图9所示。非换相期间形成Y桥交流侧两相短路,换相期间导致Y桥交流侧三相短路,因此Y桥阀电流增大,Y桥阀短路及交直流过流保护动作闭锁换流器。D桥短路以及直流出口短路与Y桥短路保护动作过程类似。

图9

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图9 Y桥短路仿真结果

6 结论

换流变网侧故障对直流系统的影响有限,故障消除后系统可自动恢复正常运行。当前针对换流变网侧故障的50 Hz保护存在误动风险,根据谐波含量特性提出防止误动的50 Hz保护判据。

换流变阀侧以及阀区发生故障时,当前保护可快速切除故障。接地故障均导致强直流电流流过接地极,短路故障均导致交流侧发展为三相短路。此外,根据阀短路特性提出一种新型阀短路保护判据,可与当前保护形成双重化保护,为今后直流工程保护系统设计提供参考。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李道豫, 王圣平, 冯文昕, 等.

高压直流输电均压电极结垢的解析与改进

[J]. 电气工程学报, 2019, 14(1):26-29.