特高壓直流輸電系統金屬旁通支路運行工況問題與對策

文/韓俊秀

1 金屬旁通支路運行情況介紹

對于單個12脈動閥組，其金屬旁通支路則包括2種情況，分別如圖1中的支路1和2所示，可將閥組的金屬旁通狀態定義為：AI，CI，BPS同為合位或BPI為合位。

典型的金屬旁通支路運行工況如圖1所示。在圖1中，極1在兩站的所有閥組均為金屬旁通狀態，極2為大地回線運行，極2直流電流為ID。ID經過極2中性母線后即由接地極回路與極1金屬旁通支路分流為ID1和ID2，其大小由接地極回路與極1旁通支路的阻抗比決定。

2 金屬旁通支路的形成與種類

直流系統的金屬旁通支路運行是基于單個閥組的金屬旁通狀態而發生的，當某極兩站四閥組或故障下某一站的若干閥組進入金屬旁通狀態，系統才有可能轉入金屬旁通支路運行。

在雙12脈動閥組串聯的直流系統中，能夠導致單個閥組進入金屬旁通狀態的動作類型包括3項：開關、刀閘設備的手/自動控制，閉鎖極。

2.1 開關、刀閘的手/自動控制

通常閥組在開展檢修工作前，需先進入閥組隔離狀態再轉入閥組接地狀態。在當前已投運的特高壓直流工程中，往往具備閥組隔離自動控制功能。在閥組隔離狀態中，由于操作BPI至合位，閥組將進入金屬旁通狀態。另外，通過閥組閉鎖情況下的旁通區開關、刀閘手動操作，顯然也可令閥組進入金屬旁通狀態。

若兩站極連接且對極已在運行，則通過開關、刀閘的手/自動控制令閥組進入金屬旁通狀態，進而極有可能導致系統進入金屬旁通支路運行。

2.2 極閉鎖

極閉鎖策略中的投入BPS命令一般在閥組投入旁通對之后發出，其作用在于縮短旁通對運行時間，同時隔離換流閥，對閥組形成保護。通常在BPS投入后即閉鎖換流閥觸發脈沖。

2.2.1 正常極閉鎖

在滇西北直流工程中，正常極閉鎖時，當電流下降至最小電流后，由整流側先執行移相閉鎖命令，逆變側則執行觸發角移相90°命令（ALPHA_90），后續延時閉鎖極，閉鎖過程中整流、逆變側閥組均不投入旁通對與BPS。

考察國內其他特高壓直流工程，正常極閉鎖過程中均在逆變側執行觸發角移相90°/降低直流電壓命令，其目的是為泄放直流線路中殘余的能量。而在逆變側閉鎖之前，則在現有特高壓工程中存在2種做法：投入旁通對與BPS后，再閉鎖極；與滇西北工程相同，不投旁通對和BPS，經延時后閉鎖極。

考察現有各特高壓直流工程實施情況，由于正常閉鎖過程中整流側均不投入旁通對和BPS，因此最多只有逆變側閥組進入金屬旁通狀態，而不存在系統直接轉入金屬旁通支路運行的可能。

2.2.2 極層保護性閉鎖

主要考慮直流雙極運行時一極發生永久性故障的情況。對于該情況下的金屬旁通支路運行工況，須考慮以下影響：

（1）極層保護性閉鎖策略中的合BPS或隔離閥組動作是否導致金屬旁通支路運行工況。

（2）接地故障中故障點的分流作用是否導致金屬旁通支路運行工況。

（3）故障側的極隔離動作能否對已形成的金屬旁通支路進行有效隔離。

3 對策與建議

通過斷開NBS來隔離金屬旁通支路時，由于回路結構的變化以及NBS開關的振蕩作用，運行極工況將受開關分斷過程影響而發生波動。為參照滇西北工程實際接地極線路、直流線路以及NBS開關參數，通過實時數字仿真儀（RTDS）仿真系統模擬金屬旁通支路運行時斷開NBS的波形。

若金屬旁通支路運行工況是由極層保護性閉鎖引起，則剩余運行極可能在經過功率轉帶后進入過負荷運行，此時，金屬旁通支路中的電流可能超出NBS開關的分斷能力，而無法成功隔離。滇西北工程 RTDS仿真模型中模擬逆變站極高壓側母線接地故障導致單極閉鎖的試驗錄波，試驗系統中各主要運行參數與工程現場一致，圖中狀態量為逆變站故障極在閉鎖過程中的關鍵狀態量。故障極閉鎖后，剩余運行極立即進入短期過負荷運行（秒級），短期過負荷能力耗盡后再進入長期過負荷運行。由于逆變站故障后投入旁通對與BPS，形成故障點，對應金屬旁通支路運行工況，又因接地故障點位于逆變站內，因此金屬旁通支路電流ID2在BPS閉合后迅速升高至與ID接近。此后，由于金屬旁通支路電流始終超出NBS的分斷能力，而無法隔離金屬旁通支路。

3.1 聯鎖功能設計

在系統無接地故障的情況下，考查圖1所示金屬旁通支路運行工況，對極兩站全部閥組均為金屬旁通狀態且對級在系統無接地故障的情況下，考查圖1所示金屬旁通支路運行工況，系統應滿足以下條件：

（1）一極運行、一極閉鎖。

（2）非運行極兩站四閥組均為金屬旁通狀態。

（3）非運行極兩站均極連接（直流極同時接入極高壓線路、中性母線的狀態）。

考慮實際工程現場形成上述條件的先后順序并不固定，因此，針對金屬旁通支路聯鎖設計的原則為：禁止即將導致系統進入金屬旁通支路運行的最后一項操作。聯鎖內容應至少包含以下3點：

（1）對極兩站全部閥組均為金屬旁通狀態且對級兩站均極連接時，不允許解鎖本極。

（2）本極兩站均極連接、對極運行且本極兩站中的其余三閥組均為金屬旁通狀態時，不允許操作本閥組進入金屬旁通狀態。

（3）對站本極為極連接、對極運行且本極兩站全部閥組均為金屬旁通狀態，不允許操作本極進入極連接狀態。

3.2 極閉鎖

極閉鎖形成的金屬旁通支路運行均發生在雙極運行時單極保護性閉鎖過程中，通過前文梳理，可知其包括以下3種情況：

（1）整流站極高壓側接地故障（包括高壓直流線路接地故障）導致保護性閉鎖時，逆變側投入旁通對和BPS。

（2）整流站在極層保護性閉鎖后投入旁通對和BPS，同時逆變站配合閉鎖時也投入旁通對和BPS。

（3）逆變站直流高壓側或閥組連接線接地故障時，逆變站故障極投入旁通對和BPS。

考查以上3種情況下的金屬旁通支路特點，其必要的形成條件為：逆變側閥組在閉鎖過程中投入旁通對和BPS。因此，合理設計逆變側極層保護性閉鎖中的投旁通對與BPS策略，對于防止金屬旁通支路運行具有重要意義。針對該情況下的金屬旁通支路運行，可考慮采取以下措施進行預防：

（1）針對整流側高壓區接地保護動作，令逆變側在配合其閉鎖過程中不投入旁通對與BPS。

（2）逆變側極層保護性閉鎖發生時，針對特定保護，例如：直流差動保護、極母線差動保護、閥組連接線差動保護等，應禁止相應閥組投旁通對與BPS。通常情況下，逆變側保護性閉鎖極時投入旁通對和BPS能夠起到快速隔離交、直流系統的作用。另外，站間通信故障情況下，逆變側投入旁通對和BPS還可以拉低直流電壓，令逆變側保護動作閉鎖時，可通過直流低電壓特征引導整流側完成極閉鎖。

4 結語

圖1：典型的金屬旁通支路運行工況

文中分析和研究了雙12脈動閥組串聯結構的特高壓直流工程金屬旁通支路運行工況，研究發現，系統很容易在這幾種情況下進入金屬旁通支路運行工況：直流場開關、刀閘手/自動控制過程中、極層保護性閉鎖過程中等，本文分析了金屬旁通支路運行中出現的問題，并針對這些問題提出了有效的解決措施，要保證金屬旁通支路運行工況不出現問題，就進行有效的預防很重要，有效的預防方式是：

（1）改善金屬旁路支路操作的聯鎖。

（2）當逆變站的特高壓側接地保護或特定區域保護運行時，應避免在逆變側安裝旁路副和旁路開關。

（3）在高、低壓共測點閥門保護系統中，極點控制系統同時建立了雙閥保護回收的處理邏輯。