直流输电系统换相失败分析与判断

直流输电系统换相失败分析与判断
摘要：直流输电系统发生换相失败时，直流电压、电流、功率等电气量都会发
生较大的变化，会对交流系统产生冲击，而连续换相失败还会引起直流闭锁[1]。

文献从换相失败发生机理出发，详细的分析直流输电系统换相失败过程的变化情况，及造成换相失败的原因，并对富宁换流站相失败保护（87CFP）进行简要介绍，分析运行人员是如何判断换相失败的。

关键词：换相失败、变化、富宁换流站、判断
1 直流输电系统换相失败简介
1.1两端直流输电系统的构成
直流输电系统通常由换流变压器、换流器、平波电抗器、交流滤波器、控制
保护系统、接地极线、接地极等主要设备组成。

1.2直流输电系统换相失败机理
当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕，这两
种情况在阀电压转变为正向时被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，
这称为换相失败[2]。

1.3直流输电换相失败原因分析
交流系统故障会导致换相失败。

主要是换流母线电压幅值下降和电压过零点
的漂移，交流低电压导致逆变侧换相电压的降低，从而致使本应导通的阀无法导通，最终导致换相失败。

不同类型的故障如三相短路故障、单相短路故障和相间
短路故障等对换相失败的影响不同。

此外，交流系统故障的发生地点和故障的严
重程度对换相失败的影响亦不同。

离故障点电气距离越近的逆变站发生换相失败
的情况越严重。

丢失触发脉冲会导致换相失败。

丢失触发脉冲时阀会发生不开通故障，导致
换相过程无法进行，原先导通的阀继续导通，从而导致换相失败。

逆变侧出现阀短路时也会导致换相失败。

当逆变侧某一个阀发生短路故障而
强行导通时，其他应该正常导通的阀由于失去换相电压从而无法导通，同样会导
致换相失败。

1.4换流站换相失败保护（87CFP）的简介
换流站相失败保护（87CFP）用于检测交流系统故障或其他异常换相条件引起的换相失败故障（仅逆变站投入）[3]；单桥换相失败认为多是控制系统、一次设
备故障，保护动作较快；任一桥换相失败还包括逆变侧交流系统故障引起的换相
失败，保护动作较慢，并且还根据换相失败的频率分为快速段和慢速段。

相失败
保护的保护判据为MAX（IdH、IdN）- IacY>Δ& k*MAX（IdH、IdN）> IacY和MAX （IdH、IdN）- IacD>Δ& k*MAX（IdH、IdN）> IacD；换相失败检测经过延时 2ms
和确认延时 10ms，当单桥换相失败低电压闭锁展宽时间为150ms，会在400ms
时切系统，650ms时闭锁直流。

系统发生交流低电压时闭锁单桥换相失败段
（Uac <0.7，Uac 取交流电压三相最大值）：当任一桥换相失败快速段展宽时间为500ms，在1800ms时切系统，在2600ms 闭锁直流；当任一桥换相失败慢速段展
宽时间为2500ms，在7000ms时切系统，在10000ms闭锁直流。

2.换相失败的判断及原因分析
在最近几年某换流站发生的100次换相失败中：有1次是EOC故障引起的换
相失败，最终导致双极ESOF；有99次是交流系统电压畸变或者波动引起的换相失败。

2.1运行人员如何判断换相失败
由换相失败故障录波可见，当发生换相失败（COMMF）时，换相失败持续时间约为104ms，SER上会看到换相失败变位的信号。

在换相失败瞬时间，直流侧电流上升，直流电压下降，熄弧角会将至零，直流功率下降至零甚至短时反向。

从换相失败的判定原理上说：某换流站在极保护系统中判定换相失败超过400ms时（不闭锁单桥换相失败展宽，切系统的时间更长），极控系统方执行系统切换的动作。

因此说明在控制系统的设计中，短时的、单次的换相失败是系统所允许的，并不会影响直流输电系统的正常功率传输。

2016年05月23日富宁换流站在开展极1及双极系统调试时：极1极控系统主A系统报“电流过零信号故障”、“换相失败”警告产生；极1极控系统切系统，由A系统切换至B系统；B系统也报“电流过零信号故障”警告产生；最终导致双极ESOF。

说明长时的、持续的换相失败是系统所不允许的，会终止直流输电系统的正常功率传输。

2.2运行人员确认换相失败后可根据以下3方面判断换相失败的原因
查看交流侧电流电压图，已看出在换相失败前，交流电压Uc二次有效值从正常时的58.65V降至37.03V，幅值明显下降，可判断是网内交流系统故障引起母线电压降低导致换相失败。

故障时刻富宁换流站极1触发脉冲波形，可见故障发生时富宁站极1的触发脉冲并未出现丢失异常，可排除触发脉冲丢失引起换相失败的可能。

故障发生时VBE并未发出富宁站极1换流阀相关的故障告警信号（脉冲点火信号FP_EN正常），可排除换流阀故障导致换相失败的可能。

3.结论
在高压直流输电系统中一次换相和连续换相失败特征不同，对系统的影响程度也不一样。

在换相失败过程中，各电气量均发生较为明显的变化，其中换流母线电压最低可降至零，直流电流一般会明显增大，直流有功功率可瞬时下降至零甚至短时反向。

富宁换流站发生换相失败的原因主要是广西侧系统故障，换流母线电压波动引起的，运行人员可以通过换流变、极控、极保护的外置故障录波和内置故障录波的波形进行分析判断。

如在交流系统故障及时清除的情况下，直流输电系统能快速恢复，交直流输电系统均能保持稳定运行。

如果系统故障持续时间较长且闭锁单桥换相失败展宽，650ms后会闭锁直流；未闭锁单桥换相失败展宽时，最快在2600ms后闭锁直流。

参考文献：
[1]何朝荣，李兴源，金小明，等．高压直流输电系统换相失败判断标准的仿真分析[J]．电网技术，2007，31（1）：20-24。

[2]李耀钟，蒙健明，王金雄，等。

高压直流输电现场实用技术问答。

中国电力，2008.3（2014.4重印）ISBN 978-7-5083-6495-7。

[3]张绍军李婧靓。

云南永仁至富宁±500kV直流输变电工程直流保护设计规范。

CSG/GYY/ED4.351.YF-0，2015.06。

作者简介：
刘寿光，男，1984.10.25，文山供电局富宁换流站技术负责人，工程师，云南省文山市和谐路1号文山供电局。

钱兵，男，1988.01.10，文山供电局富宁换流站站长，工程师，云南省文山市和谐路1号文山供电局。

肖克伟，男，1987.05.05，文山供电局富宁换流站副站长，工程师，云南省文山市和谐路1号文山供电局。

杨成会，女，1992.03.14，文山供电局富宁换流站值班长，助理工程师，云南省文山市和谐路1号文山供电局。

梁立洵，男，1991.03.29，文山供电局富宁换流站正值值班员，助理工程师，云南省文山市和谐路1号文山供电局。