天广直流输电系统换相失败的研究

天广直流输电系统换相失败的研究

荆勇1，任震2，欧开健1

　　(1．中国南方电网超高压输变电公司，广州510620；2．华南理工大学电力学院，广州510640；)

　　摘要：换相失败是逆变器最常见的故障之一，本文分析了天广直流输电系统中直流电流、越前触发角、直流系统降压运行、换流变压器短路阻抗、直流系统满载率以及换流变压器变比等因素对广州换流站换相失败的影响，所得的结果跟仿真研究中的结果相近。本文得到的天广直流输电系统换相失败一般规律对其运行有一定的借鉴意义。
　　关键词：直流输电；逆变器；换相失败

Research on commutation failure in Tian－Guang HVDCtransmission ystem

JINGYong1，RENZhen2，OUKaijian1

(1．EHVPower Transmission Filiale，China Southern Power Grid，Guangzhou 510620；2．South China University　of Technology ，Guangzhou 510640；)

    Abstract：Commutation failure is one ofthe most common faultsininverterstation．It would be affected by manyfactors，such as DCcur－rent，firing angle，load ratio，the reactance and ratio of convertertransformer，etc．This paper analyzesthe effectofthesefactors onthe com－mutation failure in theinverterin Tian－Guang HVDCtransmission system．The results arecloseto those ofsimulation study．The generalruleofcommutation failure in theinverterin Tian－Guang HVDCtransmission systemis also helpfulto its operation．
    Key words：HVDCtransmission；inverter；commutation failure

1　引言
　　天广直流工程直流额定容量为双极1800 MW，额定工作电压为±500 kV，额定工作电流为1800 A，线路长度965 km。该直流输电工程第一极于2000年12月投入运行，第二极于2001年6月投入运行，使我国南方电网成为第一个交直流输电混合运行的电网［1］。
　　换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，分析清楚换相失败与哪些因素有关以及各因素对换相失败的影响程度如何具有重要的理论和现实意义。本文根据天广直流工程的有关系统参数和运行参数，对影响广州换流站换相失败的有关因素进行了分析，得到了天广直流系统换相失败的一般规律，本文的分析结果与在天广直流输电系统仿真模型上进行的仿真研究结果相近，对其实际运行有一定的借鉴意义。

2　逆变器发生换相失败的最小电压降落
　　由文献［2］可得，直流输电系统发生换相失败的最小换相电压降落为

　　其中U为换相电压的线电压有效值，U′为使直流系统换相失败的换相电压，Id为直流电流，为当关断角γ达到临界值γmin时的直流电流，IdN为额定直流电流，XK％为换流变压器短路阻抗百分比。
　　越前触发角β与关断角γ的关系为［3］
　
　　式(2)中，换流变压器短路阻抗

　　把式(3)代入式(2)，考虑到逆变器正常运行时UN/U近似为1，可得

　　由于换流变压器变比调整的时间常数较大(通常要几秒时间)，因此故障暂态时可认为换流变压器变比k不变。设逆变侧换流母线的线电压有效值为E，则由式(5)可得发生换相失败的最小换流母线电压降落为

式中，E′为使直流系统换相失败的换流母线电压。满载时

　　电压降落是引起直流输电系统换相失败的主要原因，所以式(7)和式(8)给出的使直流输电系统发生换相失败的最小电压降落的大小可以作为衡量直流输电系统抵抗换相失败的指标。

3　导致广州换流站换相失败的因素分析
　　由式(7)和式(8)可见，使直流输电系统发生换相失败的最小换流母线电压降落ΔE与直流电流的上升/Id、直流系统的满载程度Id/IdN、换流变压器短路阻抗百分比XK％、临界关断角γmin和越前触发角β有关。
　　下面考察天广直流输电系统中上述各因素对广州换流站换相失败的影响。假设该系统在额定状况下运行，即整流侧直流电压UdZ为1．0p．u．(500kV)，直流电流Id为1．0p．u．(1．8 kA)，逆变侧换流母线电压E为1．0p．u．(230 kV)，换流变压器变比k为1．0p．u．(230/198．5)，则可算得运行点的触发越前角β0＝37．4°、运行点的关断角γ0＝19．2°。
　　晶闸管需要一定的时间完成载流子复合，恢复阻断能力，其去离子恢复时间在400μs(约7°电角度)左右，考虑到串联元件的误差，一个可控硅阀的恢复时间(γmin)约为10°，本文取γmin＝10°，即当计算出来的关断角小于或等于10°时就认为发生换相失败。
3．1　逆变器直流电流增大对换相失败的影响
　　对于天广直流输电系统，当它在额定状况下运行时，根据式(8)可得图1。

　　该图为当XK％和γmin为额定值时，在不同越前触发角β下I′d/Id与ΔE的关系曲线。由图可见，当触发越前角β0＝37．4°时，如果故障后逆变器直流电流Id保持不变(即I′d/Id为1．0)，则换流母线电压下降0．212p．u．(即ΔE为0．212)将导致逆变器发生换相失败；随着I′d/Id的增大，使逆变器发生换相失败所需的压降ΔE不断变小，如果当关断角达到临界关断角γmin时逆变器直流电流I′d达到额定电流Id的1．15倍，则只要换流母线电压下降0． 094p．u．，逆变器就会发生换相失败。由上图也可见，增大触发越前角β能显著增大ΔE，提高系统抵抗换相失败的能力。
3．2　越前触发角β及直流系统降压运行对换相失败的影响
　　图2为当XK％、γmin和都为额定值时β与ΔE的关系曲线。由图可见，当越前触发角β增大时，使逆变器发生换相失败所需的压降ΔE不断变大，即换相失败的机会变小。因为β的增大将使关断角也迅速增大，有利于避免换相失败的发生。　

　　当直流绝缘水平降低时，直流系统将降压运行。天广直流输电系统有80％降压运行和70％降压运行两种降压运行方式。根据天广直流输电系统调度管理规程，80％降压运行和70％降压运行时换流变压器二次侧(阀侧)电压都应为0．9 p．u．，而它们的整流侧直流电压分别为400 kV(0．8 p．u．)和350 kV(0．7 p．u．)，逆变侧直流电压分别为366 kV和316kV，故得80％降压运行和70％降压运行时的越前触发角β分别为47．5°和55．1°，由式(2)可得此时关断角γ分别为32．6°和42．4°，远大于全压运行时的19．2°。而由式(8)和图2可得，当β为47．5°和55．1°时，ΔE分别为0．514 p．u．和0．636 p．u．。可见，由于有较大的关断角裕度，降压运行时发生换相失败的机会较小。
3．3　换流变压器短路电抗百分比XK％对换相失败的影响
　　图3为当β、γmin和

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