特高压直流输电系统直流分压器故障特征及稳定性研究

特高压直流输电系统直流分压器故障特征及稳定性研究

吴桐

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局

Research on Fault Characteristics and Stability of DC Voltage pider for EHV DC Transmission System

摘要：直流电压是特高压直流输电系统控制保护策略中的核心参数，由直流分压器经过阻容分压采集得到。直流电压的正确测量是保证直流控制保护系统正确控制保护行为的关键，对于整个特高压直流系统的稳定运行意义重大。本文以特高压直流输电系统直流电压测量系统的结构分析入手，通过仿真模拟梳理出直流分压器各类型元件故障对系统的影响程度，为后面的特高压直流输电系统直流分压器的设计及选型提供理论支持。

关键词:

直流分压器；故障特征；稳定性

1.前言

直流电压是特高压直流输电系统控制保护策略中的核心参数，由直流分压器经过阻容分压采集得到。特高压直流输电工程中的直流分压器是极母线、中性母线电压的核心测量设备，对于整个特高压直流系统的正常稳定运行意义重大,由于直流分压器的闪络等外在原因导致的特高压直流系统故障近几年在中国已多次出现[1]，但由于电压波动导致直流分压器分压比参数变化导致的故障却较少见，因此，很有必要针对特高压直流输电系统直流分压器的故障特征及其稳定性开展研究，以得出结论，为后面的特高压直流输电系统直流分压器的设计及选型提供理论支持，也为现有系统故障出现时的快速分析和处理方案的制定提供依据。

2.直流分压器的典型构架

各电压等级的直流分压器原理一致，下面以国内某800kV换流站直流分压器为例，分析其结构，在正常运行状态下，当直流分压器一次侧为额定电压 800kV 时，二次分压板的输入端直流电压为100V，Sensor（远端模块）的输入端直流电压为5V，远端模块通过光电转换将光信号送至直流测量屏,直流测量屏再将采样数据打包通过 TDM 总线送至各控制保护装置。

3.定电圧控制策略原理

HVDC系统的基本控制策略是：整流侧、逆变侧极控系统通过采集到的各直流测量数据后，分别经过计算得到参考值Id,ref、Ud,ref、γref的标幺值，通过总线将该值送给本极高低端阀组控制系统。整流站组控系统选择△=min(Id,ref－Id,act，Ud,ref－Ud,act)、逆变侧组控系统选择△=max(Id,ref－Id,act，Ud ,ref－Ud,act，γref－γact)作为调节量，经比例积分(proportional integral，PI)控制器处理后，得到触发角α，送入阀基电子设备(VBE)，转化为触发时刻并同步触发同一阀内各可控硅[2]。

以电压调节量为例，对于高端阀组，其电压控制量为Ud = UdH-UdM，对于低端阀组，其电压控制量为Ud = UdM-UdN。

正常运行时，整流侧采用定电流控制策略，逆变侧采用定电压控制策略。在逆变侧，直流电压控制器是以维持整流侧直流电压为正常控制方式。为避免站间通信故障影响整流侧实际直流电压量站间的传输，造成逆变侧定电压功能失效，在极控程序中逆变侧是依据本站电流电压量实时计算出整流侧实际直流电压，从而进行电压控制。

在极控程序中，有如下计算公式：

UdRec= UdH-UdN+UREarth+Rdc x IdL（1）

△Ud,ref=UdRec,ref-UdRec（2）

Rdc=（UdHos-UdH）/IdL（3）

在双极平衡运行（正常运行工况）下，UdRec,ref被设定为800kV, UREarth几乎为零，则:

△Ud,ref= UdN +800 - UdH- Rdc x IdL（4）

其中UdRec为逆变计算整流侧直流电压，UdH为逆变侧实测直流线路电压，UdN为逆变站中性母线电压，UREarth为实时计算接地极线路损耗压降，△Ud,ref为逆变侧直流线路电压参考变化值，UdRec,ref本极整流侧直流电压设定值,UdHos为整流站送到逆变站的直流电压，IdL为本极直流线路电流。

利用PSACD仿真可以模拟直流输电工程一次设备的运行情况，计算得到电压、电流等运行参数通过 IO 板卡与二次控制保护屏柜实现数据交换，构成闭环的实时仿真系统。通过延时开关控制来模拟故障，并利用PSCAD自带录波监视高压母线、低压臂母线电压以及二次分压板输出电压（按照测量系统程序已转化为一次电压值）的变化情况，以此分析直流分压器各类型故障对测量电压的影响。

（1）高压臂内部阻容同时短路

模拟高压臂内部分电容和电阻并联元件（占总阻抗值33%）发生内部瞬时性短路，剩余部分正常工作。仿真电路中使用延时开关实现短路故障，持续1ms。由于部分阻容被短路，总电阻减少，二次分压电阻不变，导致分压比增大，二次分压板输出电压增大。同时由于低压臂及二次分压板存在电容元件，故障消失后波形存在明显的阻容衰减特性。

（2） 高压臂内部电阻虚接

仿真电路中使用延时开关模拟高压臂内部电阻中的一部分发生开路，持续1ms，即电阻存在接触不良的情况。由于高压臂内部电阻是由若干个电阻串联而成，故障后，整个直流分压回路均开路，测量电压将减小。若故障时间较长，则测量电压最终将减小至零。

（3）高压臂内部电容虚接

仿真电路中使用延时开关模拟高压臂内部电容中的一部分发生开路，即电容存在接触不良的情况，持续1ms。由于高压臂内部电容的隔直特性，不会改变直流电压的分压比，不会引起测量电压的变化。

（4）低压母线接入冲击源

仿真电路中模拟低压臂母线受到900V直流电压源的瞬时冲击激励，冲击源的接入通过延时开关控制，故障持续1ms。由于冲击激励的介入，低压臂母线电压增大，测量电压增大。

（5）低压部分整体开路

仿真电路中使用延时开关模拟低压部分整体发生瞬时开路故障，持续1ms。由于分压回路断路，低压臂母线电压将降低，测量电压降低。若故障持续时间足够厂，二次分压回路电容元件的电压衰减完后，测量电压将降至零。

（6）二次分压板开路

仿真模拟四个二次分压板及其负荷回路同时发生瞬时开路故障，持续1ms。由于二次分压板及其负荷被开路，根据电阻串并联特性可知，相当于二次分压电阻增大，则低压臂母线电压将升高，测量电压增大。发生开路故障的支路越多，电压增加越多。

（7）低压臂电阻开路

仿真模拟低压臂电阻虚接瞬时开路故障，持续1ms。同3.3.6节，根据电阻串并联特性可知，相当于二次分压电阻增大，则低压臂母线电压将升高，测量电压增大。

（8）低压臂电容开路

仿真模拟低压臂电容虚接瞬时开路故障，持续1ms。由于高压臂内部电容的隔直特性，不会改变直流电压的分压比，不会引起测量电压的变化。

（9）低压臂接地短路

根据现场低压臂照片，判断低压臂用于过压保护的元件为气体放电管。根据气体放电管的工作特性，其动作后特征类似于低压臂整体被短路接地。

（10）高频分量导致过压

仿真模拟高压母线受到短时高频率交流分量冲击，施加一个幅值600kV,频率500Hz的交流电压。根据叠加原理，测量电压将存在交流分量电压。

（11）接地不良

仿真模拟低压臂由于接地线接触不良，发生瞬时无效接地接地故障，持续1ms。接地无效，分压回路无通路，测量电压将降低，若故障持续时间足够，电压最终将降低至零。

（12）站内接地网电位变化

仿真模拟站内接地网电位发生瞬时变化。

1、对低压臂接地端施加一个+200V的直流电压源，持续1ms。此时，相当于高压臂母线与二次分压回路接地点的电压差减少，测量电压将降低。

2、对低压臂接地端施加一个-200V的直流电压源，持续1ms。此时，相当于高压臂母线与二次分压回路接地点的电压差增大，测量电压将升高。

（13）存在特征分量条件下回路阻抗发生变化

仿真模拟高压臂母线电压一直存在12次谐波分量(施加一个10kV,600Hz的正弦激励)，故障时刻低压臂电容虚接瞬时开路，持续1ms。

结论

高压臂内部阻容同时短路、低压臂接地短路等13项直流分压器常见故障均会导致UdH测量异常的结果。无论逆变侧还是整流侧发生UdH测量异常，均会引起对侧的电压发生变化。逆变侧和整流侧UdH测量异常会导致换流变分接头档位出现不同的调节后果。

参考文献：

[1] . 舒印彪, 刘泽洪, 高理迎. ±800kV 6400MW特高压直流输电工程设计[J]. 电网技术,2006(01):5-12.

[2] . 周长春, 徐政. 联于弱交流系统的HVDC故障恢复特性仿真分析[J]. 电网技术,2003(11):18-21.

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