基于故障波形特征的换流阀短路故障定位分析.pdf

宁夏电力 年第 期基于故障波形特征的换流阀短路故障定位分析郑维高阮海健郭涛莫豪陈月(国网江苏省电力有限公司超高压分公司江苏 南京)摘 要:基于实际在运特高压直流工程模型的实时数字系统仿真()模拟整流侧和逆变侧换流阀不同区域故障点分析阀区不同典型故障点产生故障波形特征并给出 种快速判据同时重点分析单阀短路故障时三种故障时刻下故障波形特征最后提出一种基于故障波形特征的换流阀短路故障点快速定位方法在工程现场故障分析时能够快速分析定位故障阀具有重要工程实际应用价值关键词:阀短路故障特征分析故障定位中图分类号:.文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.(.):()().:./.引 言随着国内经济快速发展以及日益增长的新能源消纳需求近十年特高压直流输电技术快速发展特高压直流输电对于远距离大容量能源输送、区域电网互联等具有重要作用 逐渐成为新型电力系统重要组成部分换流阀是直流输电系统的核心设备通过整流和逆变实现交直流电能的转换 换流阀短路故障特征、保护配置和原理均与常规交流系统设备短路不同 研究换流阀短路故障特征和快速定位换流阀故障点具有重要意义郑维高等:基于故障波形特征的换流阀短路故障定位分析近年来对于换流阀短路保护原理、保护优化、换流变压器短路分析 等研究分析较多对于换流阀短路故障定位研究分析相对较少而且研究提出的故障定位方法对于实际换流阀短路故障分析工程实用性不高 文献根据两类不同换流阀保护动作判据故障动作情况和故障时段划分给出了一种换流器故障定位方法 文献对换流器接地故障进行了理论分析提出了以电气特征与延时相结合的换流器接地故障定位判别思路本文主要依托在运特高压直流工程模型进行系统换流阀短路故障仿真模拟换流阀区典型故障分析不同故障点产生故障波形特征并给出 种典型故障定位快速判据最后提出一种基于故障波形特征的换流阀短路故障点快速定位方法 换流阀区故障点分析目前特高压直流换流站每极配置高低端串联结构的双 脉动换流器直流典型运行方式包括双极大地回线、单极大地回线和单极金属回线在典型运行方式下换流阀故障特征基本相同实时数字系统仿真()分析均以双极四阀组大地回线典型运行方式为例进行研究 换流阀区短路故障主要包括换流阀交流侧短路、换流阀短路、换流阀直流侧短路整流侧阀区典型故障点如图 所示 图 中、表示 桥六脉动换流阀、表示 桥六脉动换流阀图 整流侧阀短路典型故障点换流阀交流侧短路主要包括换流变压器阀侧相间短路、和换流变压器阀侧单相接地短路、换流阀直流侧短路主要包括换流阀高压侧接地短路、换流阀低压侧接地短路、换流阀中点接地 换流阀短路主要包括单阀短路、单桥短路、双桥短路 阀短路保护原理阀短路保护用于检测阀短路故障和换流变压器阀侧相间故障避免发生短路时换流阀遭受过应力保护整个换流阀 该保护主要通过采集换流变压器阀侧 绕组和 绕组三相电流()和直流极母线电流()和中性线电流()计算出最大相换流变压器阀侧电流和最大直流侧电流的差值并与定值进行比较 正常运行工况下两侧电流平衡 当交流侧与直流侧差流高于保护定值保护动作表明换流阀发生短路 其保护动作判据为()()()式中:的段定值为.无延时 段定值为.延时 表示换流阀高压侧电流表示换流阀低压侧电流表示星接换流变阀侧最大交流电流表示角接换流变压器阀侧最大交流电流 表示换流阀直流侧最大电流 保护动作结果为段整流侧 闭锁、跳交流断路器逆变侧 闭锁、跳交流断路器 段逆变侧 闭锁、跳交流断路器 典型故障波形特征分析.换流阀区故障保护动作情况依托在运实际特高压直流模型的 仿真系统对 故障分别进行典型短路仿真(金属性短路)仿真结果显示换流阀交流侧单相接地短路(、故障)、换流阀直流侧短路(、故障)时阀差保护动作阀短路保护不动作表 为阀差保护动作典型电流故障特征量变化情况宁夏电力 年第 期表 阀差动作典型故障特征量分析故障类型保护动作情况故障增大减至 增大减至 阀差动作阀短路不动作故障增大减至 微增后降为 增大阀差动作阀短路不动作故障增大减至 减至 减至 阀差动作阀短路不动作故障增大减小增大增大阀差动作阀短路不动作故障增大减至 微增后减为 减至 阀差动作阀短路不动作 注:换流阀高压侧直流电流换流阀低压侧直流电流换流阀 桥阀侧电流换流阀 桥阀侧电流 仿真分析发现换流阀短路(、故障)和换流交流侧相间短路(、故障)时整流侧故障阀短路保护动作而逆变侧故障时换相失败保护或阀短路保护段会动作 考虑单阀短路故障时刻整流侧阀短路会产生三种典型特征波形因此整流侧有 种典型特征波形 故障波形特征分析原则为流过正常阀的短路电流由正变负时阀会关断但是由于阀短路电流幅值较大过零点时间会受两相和电压、回路阻抗影响相比原换相时刻推迟 图 为整流侧 脉动换流阀图 整流侧 脉动换流阀.整流侧典型阀短路波形特征分析.单阀短路故障特征和判断方法整流侧和逆变侧换流阀短路存在差异性不同故障时刻整流侧单阀短路的故障特征波形不同 通过 系统仿真验证单阀短路故障特征可划分为三种不同故障时刻故障时刻 为导通阀发生阀短路故障时刻 为关断阀发生阀短路且短路阀与下一时刻换相阀非同半桥臂故障时刻 为关断阀发生阀短路且短路阀与下一时刻换相导通阀同半桥臂)故障时刻:导通阀发生阀短路(以 桥阀为例)当阀处于导通或刚导通时刻发生短路不影响其正常导通直到阀换相时由于故障阀短路无法正常关断在其电压过零并反向后出现电流波形畸变 如图 所示波形畸变时刻为阀导通、阀向 阀换相 此时 阀和 阀同时导通发生 相间短路阀侧 相电流中会流过 阀由负变正且迅速增大的反向短路电流 相电流中会流过 阀中迅速增大的短路电流而 阀中的流向逆变侧的电流减小为 直到 阀导通 相也流过 阀的大短路电流发生三相短路快速判据:当某一相电流波形在其关断时刻迅速过零并往另一电流方向迅速增大时可判断其为故障阀电流波形()换流阀网侧电压()星变阀侧套管电流图 故障时刻 整流侧 桥 阀短路故障波形)故障时刻:关断阀发生阀短路且短路阀与下一时刻换相阀非同半桥臂(以 桥 阀为例)如图 所示在 阀已导通阀刚导通时郑维高等:基于故障波形特征的换流阀短路故障定位分析刻发生 阀短路此时相当于 阀、阀发生 相间短路造成阀侧 相电流流过激增的 阀短路电流阀侧 相电流流过激增的 阀短路电流由于 阀和 阀电流未反向故排除其短路可能性 当 阀向 阀换相时因为故障环流在下半桥臂对于上桥臂的换相影响较小所以后续 阀导通后 相不会发生电流激增 直到 阀向 阀换相时故障电流反相阀关断不再流过故障电流 相短路电流变为 阀流过正常直流电流快速判据:若故障电流波形向另一方向无反向增大现象可判断当前正关断阀发生短路通过激增电流确定故障相换流阀四个阀排除正导通的阀剩下两个未导通阀下一时刻导通且电流未激增的阀若在上半桥臂或下半桥臂则判断故障阀为另一半桥臂的关断阀()换流阀网侧电压()角变阀侧套管电流图 故障时刻 整流侧 桥 阀短路故障波形)故障时刻:关断阀发生阀短路且短路阀与下一时刻换相导通阀同半桥臂(以 桥 阀为例)如图 所示故障时刻为 阀向 阀换相阀导通时阀发生短路相当于 阀和 阀发生 相间短路导致阀侧 相电流流过激增的 阀短路电流阀侧 相电流流过激增的阀短路电流若 阀和 阀电流未反向则排除其短路可能性 下一时刻当 阀向 阀换相时因故障环流在上半桥臂阀与 阀、阀间同时导通相当于交流侧 三相短路阀导通后 相电流迅速增大阀的电流幅值受其剩余导通时间限制导通较久难以关断当 阀向 阀换相时故障电流反向阀关断不再流过故障电流 相仍流过 阀的反向短路电流 当到 阀中的 相电流过零时阀关断 相将不再流过短路电流仅有直流电流快速判据:若无往另一方向电流增大现象则判断当前正关断的阀发生短路通过激增电流判断为哪两相的阀存在故障四个阀排除正导通的阀剩下两个未导通阀下一时刻导通且电流发生激增的阀若在上半桥臂或下半桥臂则可判断为故障阀为该半桥臂内的关断阀图 故障时刻 整流侧 桥 阀短路故障波形.单桥短路故障特征和判断方法 脉动单桥短路故障波形与故障时刻 的单阀短路的波形相似只是短路电流的通路不再流经故障阀而是通过阴极和阳极之间的旁路形成回路 如图 所示阀和 阀导通时发生桥臂短路流过 阀和 阀的、相电流剧增下一时刻阀向 阀换相时阀电流激增由于 阀正在导通时桥短路可等效为 短路区别在于要分析 阀向 阀换相的过程当 阀向 阀换相结束后阀和 阀发生 相间短路电流阀和 阀导通流过直流回路电流 下一时刻阀向 阀换相时若为 阀短路阀能关断但是 相仍会流过阀的反向大电流 相电流不能正常关断当 相电流由正变负阀关断 相将不再产生大宁夏电力 年第 期短路电流 若为桥臂短路阀虽然关断当 阀导通后 相短路电流流过 阀形成 相间短路电流阀不会关断快速判据:若往另一方向没有电流增大现象可判断当前正关断的阀发生短路通过激增电流判断为哪两相的阀存在故障四个阀排除正导通的阀剩下两个未导通阀下一时刻导通且电流发生激增的阀如果在上半桥臂或下半桥臂则判断故障阀为该半桥臂内的关断阀 确定桥短路依据:其后若最早过零点短路电流不能关断则为单桥短路否则为单阀短路()换流阀网侧电压()星变阀侧套管电流图 整流侧 桥单桥短路故障波形.双桥短路故障特征和判断方法双桥短路时 桥和 桥同时发生阀短路现象故障波形如图 所示同样双阀组短路则是该极内高端、低端阀组(桥和 桥)四个桥同时发生阀短路现象()换流阀网侧电压()星变阀侧套管电流()角变阀侧套管电流图 整流侧双桥短路故障波形快速判据:依据快速判据 判断桥短路若发现 桥、桥均有桥短路特征判别为双桥短路.换流阀交流侧两相短路故障特征和判断方法如图 所示阀和 阀存在较大短路电流交流侧 相之间发生短路故障波形类似于单阀或桥短路波形不同之处在于当单阀短路或桥短路时通过控制系统移相能够使短路电流关断由于换流阀开通关断各相短路电流均会存在先后关系若换流阀交流侧两相短路由于故障电流不流经换流阀所有阀的关断不会影响短路电流短路电流过零时刻不会提前关断直到交流侧开关跳开才消失()换流阀网侧电压()星变阀侧套管电流图 整流侧换流阀交流侧相间短路故障波形郑维高等:基于故障波形特征的换流阀短路故障定位分析快速判据:若仅有两相短路电流且控制系统 角移相到 时短路电流仍持续存在直到几个周期后(交流侧开关跳开)才关断可通过畸变的大短路电流判断故障相.逆变侧典型阀短路波形特征分析相比整流侧逆变侧发生阀短路时短路电流较小 逆变侧单阀短路存在交替的投旁通现象桥短路、双桥短路、双阀短路时对应桥均存在永久投旁通现象此时相当于交流侧开路直流侧短路 由于逆变侧的触发角较大上述情况不产生激增的短路电流因此逆变侧换相失败保护动作在极端 段时换流阀短路保护段将会动作 对于换流阀交流侧两相短路故障波形与整流站相同.单阀短路故障特征和判断方法由于逆变侧直流侧短路短路电流无法流过换流变压器阀侧电流互感器因此故障波形类似于周期投旁通对交替发生三相电流为 在多次投旁通后换相失败保护会动作 如图 所示逆变侧 桥单阀 短路为例当 阀关断、阀导通时三相阀侧电流均为 说明发生了投旁通即与 阀同桥臂的 阀为短路故障阀()换流阀阀侧电压()星变阀侧套管电流()角变阀侧套管电流图 逆变侧单阀短路故障波形快速判据:若交流三相电压没有发生畸变某一正常导通的阀在关断后发生三相电流为 则判断下一导通阀的同相桥臂另一阀为短路故障阀.单桥、双桥短路故障特征和判断方法单桥短路可以看成换流阀直接投旁通三相电流为零 双桥短路与双阀短路可通过发生投旁通现象的桥数量来确定图 为逆变侧单桥短路故障波形判断依据:当发生换相失败保护动作同时单桥出现投旁通、网侧三相交流电流变为零的现象时可判断为逆变侧桥短路故障()换流阀网侧电压()星变阀侧套管电流图 逆变侧单桥短路故障波形.换流阀交流侧两相短路故障特征和判断方法逆变侧换流阀相间短路故障点在两相换流变压器阀侧电流互感器与换流阀之间(典型故障点、)无论是整流侧还是逆变侧流过的故障电流大部分都是交流侧两相短路电流而交流过流峰值是直流过流峰值的 倍以上且对非故障相的正常换相影响较大此时阀短路保护会动作如图 为角变阀侧交流两相短路波形判断依据与快速判据 相同()换流阀网侧电压宁夏电力 年第 期()星变阀侧套管电流()角变阀侧套管电流图 逆变侧换流阀交流侧两相短路故障波形 阀短路故障定位方法根据后台阀组保护动作事件首先确认整流侧、逆变侧阀组保护动作确认阀组差动保护、阀短路保护、换相失败保护动作其次确认是 桥故障还是 桥故障 接着调取故障录波并分析保护动作波形根据换流变压器接线方式和三相交流电压确定 脉动阀导通顺序进而确认各阀侧电流波形位置分析交流侧电流和直流侧电流变化特征依据典型故障特征量和 种典型快速判据快速定位故障位置 具体故障阀分析定位流程如图 所示 结 论基于实际在运特高压直流工程模型的 系统故障仿真模拟整流侧和逆变侧换流阀不同区域故障点分析不同阀区故障点产生故障波形特征并将换流阀短路故障保护动作结果划分为阀差保护动作、阀短路保护动作和换相失败保护动作三类并分别给出典型故障特征判据判别阀差保护动作的故障同时给出 种快速判据定位阀短路的故障阀最后提出一种基于故障波形特征的换流阀短路故障点快速定位方法对于工程现场换流阀出现阀短路故障快速分析定位具有重要工程应用价值图 阀短路故障定位分析流程参考文献 马为民樊纪超.特高压直流输电系统规划设计.高电压技术():.梁旭明张平常勇.高压直流输电技术现状及发展前景.电网技术():.刘云.巴西高压直流输电运行情况及启示.现代电力():.赵森林卢亚军吕鹏飞等.特高压直流保护动作策略优化.电力工程技术():.张颖邰能灵徐斌.高压直流输电系统阀短路保护动作特性分析.电力系统自动化():.刘源刘晓波许鸿飞等.特高压直流输电换流阀短路保护原理.湖南电力():.张晓宇郑超莫品豪等.换流变压器阀侧接地故障分析及保护优化.电力工程技术():.郑维高等:基于故障波形特征的换流阀短路故障定位分析 张艳霞张富贺卢静怡等.一种防止换流变压器阀侧单相接地时差动保护误闭锁的方案.电网技术():.高子杰刘超钱松林等.换流变网侧阀侧短路特征分析.电工技术():.李晓华刘洋蔡泽祥.直流输电换流变压器阀侧交流单相接地故障.电工技术学报():.郑涛祁欢欢范莹.基于阀短路保护的 换流器区内故障定位新方法.电力系统自动化():.刘洋李晓华蔡泽祥.直流输电系统换流器接地故障定位.电力系统自动化():.梅念李银红刘登峰等.高压直流输电中阀短路保护的动作方程研究.中国电机工程学报():.收稿日期:修回日期:作者简介:郑维高()男工程师主要从事特高压直流输电技术工作(:.)(上接第 页)表 集中器通信单元测试结果测试内容标准 终端上电指示灯指示正常正常正常正常正常正常组网测试获取从节点信息成功正常正常正常正常正常节点地址设置节点设置成功正常正常正常正常正常电表抄读读取模拟电表固定电度量正常正常正常正常正常静态功耗不大于 正常正常正常正常正常动态功耗不大于 正常正常正常正常正常模块 读取读取模块 成功正常正常正常正常正常测试结论正常正常正常正常正常参考文献 梁捷梁广明.宽带电力线载波通信资源优化调度方案分析.内蒙古电力技术():.何菲.电力线载波通信技术的实际应用效果观察.数字技术与应用():.中国电力科学研究院有限公司.用电信息采集系统技术规范 第 部分 非书资料:/.北京:中国电力出版社:.李蕊.基于 模型的智能电表操纵行为检测算法研究.电测与仪表():.王巳腾杨建郑文博等.拆回智能电能表自动分拣系统设计.微型电脑应用():.国家电网有限公司.用电信息采集系统通信协议第 部分:集中器本地通信模块接口:/./.:.:/./.中华人民共和国国家发展和改革委员会.多功能电能表通信协议 电力行业标准:/.北京:中国电力出版社有限公司:.杨丽张知李倩等.基于高速电力线载波通信的智能终端设计.河北电力技术():.董永乐.智能费控电能表光纤通信单元的研制及应用.内蒙古电力技术():.张彦月.高速电力载波通信网络的组建及协议研究.中国新通信():.收稿日期:修回日期:作者简介:丁海丽()女硕士工程师主要从事电力营销领域用电信息采集及电能计量相关工作(:.)