逆变侧失交流电源故障分析及排除

16.3.2.1　仿真计算条件

高压直流输电的逆变侧采用有源逆变方式，如果逆变站失去交流电源，就会导致逆变过程不能进行。如果此时直流线路又将有功功率通过直流线路继续输送到逆变站，就会造成逆变站中换流变压器与交流滤波器组发生振荡，导致逆变站交流侧母线出现很高的过电压，使交流母线避雷器A中通过较大电流和能量，这对于直流输电系统换流器和交流场设备是一个严峻的考验。该故障的简化示意图如图16-4所示。

图16-4　逆变侧失交流电源故障示意图

仿真中直流系统设定为双极额定功率运行，将逆变侧交流电源切除，但保留母线上的滤波器组。根据直流工程调试经验及实际控制保护配置情况，当逆变侧最后一台断路器跳开时，直流系统可以实现在最后一台断路器分断时立即由逆变侧投入旁通对闭锁，从而阻止能量继续流入交流侧。该过电压工况是交流母线避雷器A的最严酷工况之一。

此外，也有研究考虑采用直流输电工程最大允许输送功率，如向家坝—上海±800kV特高压直流工程的最大允许输送功率为其额定功率的1.2倍，但实际运行中系统大功率运行时逆变侧很难发生失交流电源故障，因此本节选择额定功率运行情况作为最严重的过电压计算条件。

本节采用的控制保护方式为逆变侧投旁通对后闭锁。根据控制保护系统动作时间的不同，考虑以下情况：

1）最后一台交流断路器跳开同时逆变侧投旁通对及闭锁；

2）最后一台交流断路器跳开10ms后，逆变侧投旁通对及闭锁；

3）最后一台交流断路器跳开20ms后，逆变侧投旁通对及闭锁；

4）最后一台交流断路器跳开30ms后，逆变侧投旁通对及闭锁。

该过电压严重情况与交流开关跳闸发生时刻有关，仿真中分别对应上述四种控制保护投入时间的情况进行计算分析。

仿真中，通过在一个工频周期内选取不同的故障发生时刻，并考虑避雷器A的伏安特性偏差（分别采用最大保护特性和最小保护特性进行计算），找出交流母线避雷器上过电压最严重情况。

16.3.2.2　仿真计算结果

以向家坝—上海±800kV特高压直流工程中受端奉贤换流站该故障下过电压计算为例，相应计算结果如表16-3所示。计算结果表明：奉贤换流站交流母线额定电压为515kV，该故障下交流母线上最大过电压为763kV，避雷器A通过的最大能量2.41MJ。由于该故障为对称性故障，当故障在一个工频周期内不同时刻发生时，其中某一相避雷器A通过能量可能会达到最大，图16-5中波形为采用最后一台交流断路器跳开10ms后，逆变侧投旁通对及闭锁控制保护方式时下，避雷器A中通过能量最大时避雷器两端的过电压、流过的电流和能量波形。

表16-3　逆变侧失交流电源时奉贤换流站交流母线避雷器A上过电压仿真结果(https://www.xing528.com)

图16-5　逆变侧失交流电源时奉贤换流站交流母线避雷器A上过电压及能量波形图

16.3.2.3　过电压机理分析

根据上述计算结果及过电压波形，对过电压机理分析如下：

1）在逆变侧失去交流电源后，直流线路继续向换流变压器及交流滤波器组输入能量，使交流母线上电压上升，引起交流滤波器与换流变压器绕组之间的电磁振荡，从而产生较高的过电压。因此，产生该过电压的能量由直流线路通过换流器提供，造成该振荡过电压的原因主要是换流变交流侧线圈与交流滤波器组振荡。

2）当该故障发生后，直流系统控制保护动作，逆变站换流器投旁通对后，直流线路上能量不再通过换流器传到换流变及交流滤波器组中，交流母线上存在的振荡过电压迅速衰减消失。

可以看出，该过电压能量大小与故障发生时直流系统输送容量和投入旁通对保护动作时间直接相关。故障时直流系统输送容量越大，该过电压就越严重；另外，控制保护系统动作速度越快，输入到交流母线侧的能量就越少，交流母线避雷器A上通过的过电压能量也就越低。

此外，如果该特高压直流输电系统处于功率反送状态运行方式下，复龙换流站发生失交流电源故障，同样会在复龙换流站交流侧引起过电压，但由于向家坝—上海±800kV特高压直流工程最大反送功率只有额定正送功率的62.5%，故该故障发生在复龙换流站引起的过电压将小于发生在奉贤换流站。

在实际运行中，对于直流系统输送功率较大的情况，逆变站一般会有多条交流线路接入，此时很难出现多条线路同时跳闸造成逆变站失交流电源的情况。而对于直流系统输送功率较小，且逆变站只有一至两条交流线路接入的情况下，是有可能出现逆变站失交流电源故障的，但此时由于直流系统输送功率较小，投入运行的交流滤波器也少，该过电压往往不会很严重。因此，某些特高压直流操作过电压研究中有时不重点考虑该种过电压情形。

16.3.2.4　过电压控制保护措施

根据上述过电压机理分析，该过电压主要从以下两方面考虑保护措施：

1）快速切断过电压能量来源，即保护系统要尽可能快地判断出故障发生，并及时发出投旁通对及闭锁信号。

2）快速切除交流滤波器。交流滤波器是该过电压产生的主要振荡源之一，尽可能快地断开交流滤波器与交流母线的连接，可以使该过电压尽可能快降低。

考虑到切除交流滤波器受限于开关的机械响应速度，限制该过电压应重点考虑采取快速投入旁通对的方法。