高压直流输电系统中直流谐波产生原因分析

2022-09-16

一、引言

直流谐波保护的基本原理就是检测阀干扰、交流系统干扰或控制系统故障引起直流电流中的异常谐波。通过检测直流电流中的50Hz分量, 检测逆变侧的换相失败故障。通过检测直流电流中的100Hz分量, 检测交流系统的故障。

通常来讲, 谐波保护检测直流线路电流IDL中的50Hz分量和100Hz分量, 超过预定参考值, 保护动作。换流器的点火脉冲故障时, 直流电流和直流电压上将会产生50Hz分量。交流系统故障时, 直流电流和直流电压上将会产生100Hz分量【1】。

本文将通过一次直流谐波保护动作的案例, 来着重分析直流输电系统中直流谐波 (50Hz) 的产生原因。

二、直流谐波保护动作分析

1、保护动作情况

2016年05月24日, 按照国调安排进行葛南直流系统调试试验。

葛洲坝站为主控站, 极2控制方式为单极功率控制。葛南直流极2以100MW/min速率, 60MW功率解锁。12:03:32, 极2解锁。12:03:33, 南桥站极2保护主机PPRA/B发“直流谐波保护动作, 50HZ电流154A”, 同时发出ESOF命令, 极2闭锁。

故障发生后极2 TM柜内显示“A系统B相L7阀晶闸管3 7 8 9 1216 BOD动作”, “A系统B相R8阀晶闸管7 8 1516 17 18 19 20 21 2223 25 26 28 29 30 BOD动作”等。

2、故障过程分析

检查故障录波, 故障录波图如下所示:

从录波上来看, 故障时IVY_L1电流基本上为零, IVY_L2只有周期性的负电流, IVY_L3只有周期性的正电流。从阀导通情况来看, 在极2 Y6阀导通期间由于存在直流电流, 而Y桥换流变阀侧无流, 说明Y桥存在旁通可能, 旁通阀可能为Y3和Y6;另外, 当Y2阀导通时, Y6阀截止, 换流变阀侧B、C相有流, 电流流向为Y2阀流入、Y3阀流出, 说明在Y2阀导通期间Y3阀处于导通状态, 正常情况下, 此刻并不在Y3阀导通的时间段, 说明Y3阀已经提前导通。

从故障录波图中可以看出, 直流线路电流出现了规律性的锯齿波, 显现出了典型的50Hz特征, 这就是交流系统通过换流阀换相过程对直流线路电流的影响, 我们可以从直流的50Hz分量电流可以得到验证, 如下图IDDC_50Hz电流值。

根据故障录波显示, 发现IDDC_50Hz最大值达到283.76A, 远远超过了直流谐波保护的定值。

这也说明, 由于阀触发故障导致了50Hz谐波进入了直流系统, 在直流线路电流中体现的尤其明显。

分析直流谐波保护的动作逻辑如下图:

从软件逻辑来看, 当IDDC的峰值 (HAP_ID_FUND_PEAK) 大于定值DCH_TRIP_REF2_FUND时直流谐波保护动作, 即HAP_FD_PTR值为1, 动作延时为HAP_50Hz_TR_TM (700ms) 。

查看直流谐波保护定值设置并计算知, DCH_TRIP_REF2_FUND=0.05*HAP_ID_NOM=0.05*1200A=60A。

因此当IDDC的峰值 (HAP_ID_FUND_PEAK) 超过60A时, 经过500ms延时后进行切换系统, 700ms延时后跳闸。显然, 通过故障录波查看, IDDC_50Hz远远超过了60A, 因此保护动作正确。

三、故障原因分析

5月27日南桥站进行了低压加压试验, 发现极2阀控系统Y3阀对应的两块光发射板输出信号不同步, 并列运行时输出的触发脉冲异常, 现场立即更换了两块光发射板, 更换后极2OLT试验正常, 解锁后设备运行正常。

经过高温环境下 (温度设置为50℃) 检测发现, 相应LE板输出脉冲异常, 两块LE板脉冲输出有差异, 导致出现了将单脉冲组合为双脉冲的情况, 被触发板 (TE板) 识别为了触发脉冲, 造成了Y3阀误触发。

因此, 由于触发脉冲异常导致了交流50HZ分量进入了直流系统, 从而使得直流谐波保护动作。

另外在换流阀发生换相失败时, 相应的50Hz和100Hz分量也是比较高的, 如下图所示。

从录波上来看, 当发生换相失败时, 直流电流中的谐波分量, 尤其是50Hz和100Hz分量增大十分明显, 这说明, 换流阀换相过程中交流系统对直流设备的谐波影响尤其明显。

50Hz保护主要就是作为换相失败、触发系统或阀体故障等故障的后备保护, 因此该保护考虑了几种故障主保护的配合。

另外, 交流系统不对称故障会导致直流系统中产生基频分量和2次谐波等, 同样与直流输电线路平行架设的交流线路也会在直流线路中感应出基频电压和基频电流, 本文不再赘述。

四、结论

本文通过一个实例揭示了直流谐波产生的过程, 使读者对50Hz直流谐波的产生有较为清楚的认识, 同时也简单介绍了直流谐波保护的动作原理以及谐波产生的几种原因。50Hz直流谐波本身对设备的影响较小, 但是给直流控制带来了困难, 希望通过此文能让大家对直流谐波保护动作原因的判断有所帮助, 尤其是对换流阀触发控制故障的排除有借鉴作用。

摘要：直流谐波保护作为直流输电系统中的一种后备保护, 是一种交直流系统互相配合的保护功能, 在直流输电系统的实际运维现场发生的几率很低, 本文通过一次直流换流站直流谐波保护的动作的原因剖析, 着重介绍直流谐波保护的动作原理、直流50Hz谐波的产生原因以及对直流输电系统的影响, 同时证明了保护动作的正确性。本文的分析过程和结论对于直流换流站的现场分析和设备运维也有一定的借鉴和指导作用。

关键词：直流输电,换流阀,阀控,谐波,50Hz,保护动作