高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议.pdf

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高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议1 高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议2 高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议3 高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议4 高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议5 高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议6 高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议7 高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议8
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第43卷第11期2015年6月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVb1.43NO.11Jun.1.2015高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议李泰,荆雪记,孔令凯,李少华,彭忠,吴庆范,吴彦维(许继电气股份有限公司,河南许昌461000)摘要:开路试验是高压直流输电工程投运前必做的一项基本试验。该实验中触发角与直流电压的关系具有特殊性。从换流阀电路模型入手,详细分析了在不带线路工况下换流阀的导通情况,推导出理想情况下直流电压与触发角的关系,并给出了理想电压公式的适用条件。使用三沪I回直流输电工程一次模型,在EMTDC中进行了不带线路和带线路工况下的开路试验,并对试验结果进行了详细的分析。分析和实验结果表明:带线路工况下,直流电压在触发角小于60。后到达额定值是正常的。开路试验保护中设置电压判据是不合理的,可只采用电流原理判据作为试验是否成功的依据。关键词:高压直流输电;开路试验:换流阀;触发角;电压判据AnalysesontheprincipleofopenlinetestinHVDCandsomesuggestionforitspracticeLITai,JINGXueji,KONGLingkai,LIShaohua,PENGZhong,WUQingfan,wUYanwei(XJElectricCo.,Ltd.,Xuchang461000,China)Abstract:TheopenlinetestmustbedonebeforeHVDCtransmissionprojectisputintooperation.TherelationshipbetweenfiringangleandDCvoltageatopenlinetestisnotsameasnormaloperation.Basedonthecircuitmodelofthevalveandcircuitprinciple,adetailedanalysisabouttheturningon/offofthevalvewithoutconnectingtheDClineisgiven.ArelationshipbetweenfiringangleandDCvoltageisobtained.Andthescopeforapplyingthisrelationshipisgiven.AsimulationinEMTDCsoftwareisemployedtoverifytheanalyzingresults.Analysisandexperimentalresultsshowthat:withoutDCline,DCvoltagewillreachitsratedvaluewhenfiringangleislessthan60degrees;theprotectionbasedonthevoltagecriterioninopenlinetestisnotreasonable.Onlythecurrentcriterioninprotectionisneededfordetectingwhethertheopenlinetestissuccessfulornot.Keywords:HVDC;openlinetest;convenervalve;firingangle;voltagecriterion中图分类号:TM72文献标识码:A—文章编号:16743415(2015)11-0134-080引言开路试验是高压直流输电工程投运之前必做的一项基本试验,是检验直流控制保护系统功能是否正常,相关直流设备以及直流线路的绝缘性能是否完好的重要手段uJ。该试验在换流器直流端开路情况下进行,换流阀仅在很短的导通时间内有充电电流,过流其余时间处于关断状态,直流电压与触发角的关系与正常运行时完全不同。在实际工程中,经常出现触发角下降到60。后直流电压仍未升到额定值,开路试验保护动作的情况,因此有必要对开路试验的原理进行深入分析。文献[5】在不带线路工况下,根据可控硅的导通条件推导了三种触发角范围内直流电压与触发角的关系。其导通依据是相电压是否大于0。对于带线路的工况,该文献结合葛上直流工程南桥站的现场试验数据进行了分析,指出试验结果与计算值的差异是由直流端存在电阻与电容导致的。文献[6】给出了不带线路工况下的理想电压公式,即ABB公司在三常直流工程中采用的开路试验电压理想计算公式。该文献对于阀的导通和关断过程未有详细分析,推导的前提是不考虑换流器的分压、阻尼电路,得出的结论与文献【5】截然不同。对于带线路的工况,该文献把分压、阻尼电路,平波电抗器,直流滤波器以及直流线路等效为一个电阻和电容的并联,给出了改进的电压计算公式。文献【7】介绍了ABB公司开路试验控制保护软件的实现细节。文献[2】介绍了龙政直流工程在带线李泰,等高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议.135.路工况下进行开路试验时开路试验保护(电压原理)动作的情况,指出保护动作原因是基于电压原理的保护以理想电压计算公式为参考,导致实际值与计算值的差值超过了设定值。同时文献[2]在文献[6】的基础上指出,根据实际直流工程系统绝缘要求和参数,计算出能够进行开路试验的临界时间常数,在满足灵敏度要求条件下,整定开路试验电压原理保护的门槛值,可提高开路试验电压原理保护的可靠性。另外该文献指出,可以使用曲线拟合法得出直流电压与触发角的关系,以代替理想电压公式。上述文献都未从换流阀电路模型入手分析开路试验过程直流电压与触发角的关系,对于阀关断后直流侧仍有直流电压的原因未作分析。本文从换流阀电路模型入手,给出了ABB理想电压公式的详细推导过程和适用条件。为了验证相关结论的正确性,在EMTDC中建立了三沪I回直流工程开路试验详细模型,进行了开路试验的仿真,结果表明不带线路情况下的推导过程是正确的。带线路情况下,仿真结果和公式计算的差异表明:不宜把直流滤波器、直流线路等简单地用RC回路代替;在实际工程试验中触发角小于60。后电压才达到额定值是正常的。因此,不考虑电压原理保护,只采用电流原理保护作为空载加压试验失败的判据是可行的。1换流阀结构及等效电路直流输电工程中广泛采用的换流器由l2个单阀构成,一个单阀由多个可控硅模块和阳极电抗器模块串联而成,单个可控硅模块由多个可控硅极串联而成,可控硅极是换流阀的最小单元。可控硅级主要包括4部分:阻尼回路、分压回路、可控硅控制单元TCU和可控硅。其电气结构如图1所示J。图1可控硅级电气结构Fig.1ElectricalstructureofSCR阻尼回路主要作用是:(1)当阀在熄灭过程中,阻尼电压的振荡;(2)给可控硅控制单元提供暂态充电,保证在阀触发前TCU能获得可靠的工作电源。分压回路的主要作用是:f1)测量可控硅两端电压,用于形成IP、PF和RP逻辑的输入电压;(2)给可控硅控制单元TCU提供稳态时的工作电源。C3和R3分别为暂态充电电容和电阻,可在可控硅刚承受正向电压时,加速可控硅控制单元的电源充电。可控硅控制单元主要作用是触发和监视可控硅。电抗器的作用是:在可控硅阀导通或出现电流突变时,限制电流的变化速率,使阀免于不均匀导通产生局部过热而引起的破坏。当阀导通稳定,流过电流很大时,电抗器饱和,呈现出低阻抗。单个阀由很多个可控硅极串联而成,为了便于分析,用图2所示的等效电路来集中表示。图2中用R。。fr代表可控硅的特性,在关断状态下等效电阻为。fr(oo),在开通状态下等效电阻为R。(R---)0),右侧的RC回路代表分压、阻尼电路。下文提到的缓冲电路即指图2中右侧的RC回路。缓冲电路对开路试验中直流电压的保持有着直接关系,忽略缓冲电路将得到完全不同的结果。一…图2换流阀的等效模型Fig.2Equivalentmodelofthyristor换流阀的特性为:(1)当其两端有正向压降Kfq极有触发脉冲时导通。(2)电流为0后才会关断。(3)处于导通状态时电阻很小,处于关断状态时电阻很大[7.8]。图2中的等效电路在EMTDC、RTDS模型中广泛使用,经过实践验证是准确的。2不带线路理想工况下开路试验以6脉动换流器为例,分析开路试验时直流电压与触发角的关系。为简化分析,忽略换相电抗、直流滤波器,使用图3所示电路。由于阀共阴极点N和阀共阳极点N2之间没有回路,直流电压1N只与共阴极的3个阀(V】、V3、V5)有关,2N只与共阳极的3个阀(V4、V6、V2)有关。在没有触发脉冲到来时,在三相平衡相电压的作用下UN1N=0,UN2N=0,阀端电压为交流电源相电压。触发系统点火角的起始点(:60。)为相应换相电压的过零点。以阀V1为例,点火角起始点为线电.136.电力系统保护与控制压UAc的正向过零点。相电压UAN正向过零点超前线电压30。,因此触发角大于150。之后,阀无法导通。N^^/Av1VV5、B,二/厂二、C,二二、V416v+./4,1图36脉动换流器接线图Fig.3Connectiondiagramofsixpulseconvener以下分析阀Vt导通过程中电流和电压的变化。假设阀v为第一个要触发导通的阀,在阀V1导通前瞬间阀V】、V3、V5两端的电压为IUv1=UAN=Um・sin(a+30。){Uv3=UBN=Vm・sin(a一90。)(1)l5=UcN=己,m・sin(a+150。)在阀V导通期问,阀V1缓冲电路被短路,阀V3缓冲电路端电压由UAN变为A,阀V5缓冲电路端电压由N变为A。在此期间缓冲电路中电容进行充/放电,阀可等效为短路。设阀缓冲电路的电阻为尺s,电容为,以阀v导通瞬间为计时零点,依据正弦激励下一阶电路的全响应可得,在阀V1导通过程中,阀V1、V3、V缓冲电路中的电流分别为Is。1=二!:生e一志一,=[]ct‘√1+Cs阀V3、阀V5中的电流为lth_5=UCA(t)(3)阀V1中的电流为=一(。1+3+。5+3+)(4)将式(1)~式(3)代入(4)可得‘Ith1=3UmcoCs・sin(cot+十120。)+I警-3・ ̄sin(a+120 ̄)(5)式中,以阀V1导通时刻为计时零点。从式(5)可以看出:在阀V1导通瞬间,阀V1中流过的电流最大,最大值为3Um・sin(a+30。)/ns。随后,阀V1中电流逐渐衰减,在电流变为0后,阀△v关断。设阀V1导通的角度为,则阀V1关断瞬间阀V1、V3、V5缓冲电路中电容电压为。一-(0+)03√△(0+)=BA-kl-UBA=5・sin(a一120。+)。5√△(0+)=UcA-kl圭A=;・sin(c:+180。+)(6)阀Vl关断后,阀V3、阀V缓冲电路电容中储存的能量使1N基本保持不变。以阀V关断时刻为计时零点,由运算电路的分析可得N为()=一1丽Rofr×I(0+)+,(0+)+(0+)I。(7)e枷Icos(a一60。+A0)eR在阀v触发脉冲的120。内有e+UBA()・k2(2)。一=[一c。+,・]。:e+UcA()・k2式中,0表示在阀V1导通瞬间,—毛=dl+of一R2C ̄2arctan(一Rsc)圭loo.‘AN=Umcos(a ̄+一60。),0cot<A0△『COS( ̄--60。+)let一一一一IA0oJr<120。式中,以阀v导通时刻为计时零点。式(8)中A0与阀的导通时间有关,而导通时间与阀导通时缓冲电路的充电电流大小和缓冲电路时间常数有关。充电电流最大值与导通过程中UN1N的变化量成正比,与缓冲电路的电阻成反比。假定足----)0,则阀V1导通过程中的电流为李泰,等高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议.137.Ith13Um・玫・sin(ca++120。)(9)由式(9)可知:当60。时,阀V1导通很短时间后就因电流为0而关断;当<60。时,阀V1不会立即关断,在相电压达到峰值(oy=60。)且电流过0后才会关断。在阀v触发脉冲到来之前,由于缓冲电路中电容的放电,1N会有所下降。当60。时,在触发脉冲到来时刻,由于端电压必然大于0,阀V3将按时导通。导通过程中,阀V3电流和1N的变化情况与阀V1类似,只不过是导通过程中流过晶闸管的电流小了很多,导通时间变短了。由于1N的变化量很小,充电/放电电流大大减小。当<60。时,触发脉冲到来时刻,阀V3可能会因为端电压小于0,而被延迟到导通,导通的角度范围为0。~(60。一)。导通期间UN1N为相电压。阀V3将在60。后关断,关断后1N从相电压峰值开始衰减。后续阀与阀V3的情况类似。在R0,Ro。条件下有以下结论:圭600)o…r_>60 ̄直流电压平均值为【,d=2UN1N=+詈)+r(1-e-【)]5对于12脉动换流器,直流电压为6脉动换流器的2倍。因此,在理想条件(Cs0,Roo。)下,不带线路的12脉动换流器理想电压公式为圭。。三在非理想条件下不带线路的12脉动换流器理想电压(平均值)公式为=m"/"COS(一60。)(1一e_)60/-。Ⅱ26UrnL[1・c。s(妒+詈)+(・一e~+)]<6。。(17)充电过程中充电电流的暂态最大值为chg一=3U・sin(a+30。)/Rs(18)(1o)3带线路工况下开路试验UNZN的情况与UNIN类似。只不过UN2N<0且最大值点滞后1N60。。综上,可得到6脉动换流器开路试验端电压理想公式为=2-N圭‘{lmc。一6。。三三c,实际上R。ff为有限值(通常为几兆欧),兄取值通常为O.1S数量级,不能忽略。下面在0的条件下,计算直流电压在一个工频周期内的平均值。≥60。时,阀开通角度A0较小。假定A00,在阀导通后的120。区间内有广_1一三1NJCOS(Q'一60。)Je(12)式中,=Rofr。直流电压平均值为一一一—2—n=2UN1N=二Um2"COS( ̄一60。)(1一e)(13)<60。时,在阀导通后的120。区间内有UN】N圭Umsin(cot+ ̄+(14)一(f一+)Ume(60。一)一120。在这种工况下,由于直流滤波器、平波电抗和线路的加入,阀导通和关断的情况与不带线路时有所不同。由于电路阶数增加,不易采用解析的方式计算。文献『6]将换流阀中存在的分压、阻尼电路,平波电抗器,直流滤波器以及直流线路等因素等效为对地电容和对地电阻。但等值电路中的电容C和电阻R系数不易确定,且阀的导通状况和不带线路时不同,难以得到一个明确的公式。下文将通过实验方法进行分析。4EMTDC仿真实验为验证上文对不带线路工况下的分析结果,使用三沪I回直流输电工程参数,在EMTDC搭建了相关试验模型。参数如下:换流变副边线电压:210.4kV(相电压峰值171.79kv);换流阀关断电阻:1MQ;阀缓冲电路:Rs=l056Q,us=O.104。平波电抗:290mH;直流线路:1059km,塔高27.18m,分裂间距0.45m,双极导线水平距离15m,4分裂,导线半径0.01812m,导线电阻率0.04002Q/l(1n,弧垂15m。4.1不带线路开路试验在这种情况下,不考虑直流滤波器的影响。为.140一电力系统保护与控制一AO—\;一~—~0~一÷一一--Ud--UdY一delta—mY:1一YlhY:2 ̄hY:3 ̄O.hY:4~珊:5 ̄DhY:6~:1 ̄F'thD:2一}恤D3-_/hahD:4 ̄lhD:5 ̄I,lhD:68嚣一。一/thY:lm/thY:2--hhY:3一胁Y4一曲Y:5w/thY:6_,胁D:1 ̄RhD:2 ̄/thD:3一/thD:4一/thD.5一址D:6图8带线路工况下直流电压随确的变化Fig.8DCvoltagewithDClinewheno:varies的。文献[6】提出可以使用改进的电压计算公式来修正原有电压判据。但改进的电压计算公式需要确定一个与线路有关的等效的电阻和电容C的值。尺和C的值不易确定。对于不同的直流工程,其直流线路长度、线路工况都是不同的,尺和C的确定需经大量的试验验证。且直流线路一般比较长,沿线气候变化、电晕放电等都会影响等值电阻和等值电容的值,也就是说在不同的触发角和工况下,和C的值是变量。这就导致在使用时需不断修正尺和c的取值。如果和C的取值不当,其计算值更易偏离真实值[41。可见,使用电压计算公式具有很大的局限性。不考虑电压原理保护,只采用电流原理保护作为空载加压试验失败的判据是可行的。5结论本文基于阀的电路模型,运用电路原理,详细分析了不带线路情况下开路试验中阀的导通过程和电压能保持在直流侧的原因,得出了直流电压与触发角的关系。使用三沪I回详细模型,在EMTDC中进行了不带线路和带线路情况下的开路试验。理论推导与试验果表明:缓冲电路对开路试验中直流电压的保持有着直接关系;在不带线路情况下,直流电压最大值出现在触发角等于60。附近;在带线路工况下,在触发角小于60。后才达到额定值。ABB理想电压公式只适用于不带线路情况下,触发角大于60。的工况。因此,开路试验可以不设置电压判据,只采用电流判据作为试验是否成功的依据。参考文献[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M】.北京:中国电力出版社,2004.[2]田庆.龙政直流开路试验分析[J].高压电器,2009,45(6):45-47.TIANQing.AnalysisofLongzhengHVDCopenlinetest[J].HighVoltageApparatus,2009,45(6):45-47.[3]江一.贵广直流输电工程线路开路试验研究[J].南方电网技术研究,2006,2(6):34.53.JIANGYi.StudyonopenlinetestsofGui-GuangHDVCtransmissionproject[J].SouthernPowerSystem—TechnologyResearch,2006,2(6):3453.[4]刘宣宣.云广直流输电工程空载加压试验分析[J].电力建设,2011,32(8):16.19.LIUXuanxuan.AnalysisofopenlinetestinYunnan-GuangdongUHVDCtransmissionproject[J].—ElectricPowerConstruction,2011,32(8):1619.[5]陶瑜.葛洲坝.上海直流输电线路空载加压试验fJ1.电网技术,1990,5(2):15-19.TAOYu.OpenlinetestofDCtransmissionlinebetweenShanghaiandGezhouba[J].PowerSystemTechnology,1990,5(2):15-19.[6]王明新.高压直流输电开路试验原理的探讨[J].电网技术,2004,28(22):11-14.WANGMingxin.InvestigationonopenlinetestprincipleofHVDC[J].PowerSystemTechnology,2004,28(22):11.14.[7]胡宇洋.葛洲坝换流站直流开路试验故障原因分析【J].电力系统自动化,2010,34(18):30.32.HUYuyang.FaultanalysisofopenlinetestonDCsideofGezhoubaconverterstation[J].AutomationofElectricPowerSystems,2010,34(18):30-32.[8]中国南方电网超高压输电公司.高压直流输电现场实用技术问答【M】.北京:中国电力出版社,2008.[9]浙江大学直流输电编写组.直流输电[M】.北京:中国电力出版社,1982.[1O]陈仕龙,束洪春,万春红,等.一种特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理[J】.电力系统保护与控制,—2013,41(3):2631.CHENShilong,SHUHongchun,WANChunhong,eta1.—TheprincipleofsingleendedtransientbasedvoltageprotectionforUHVDCtransmissionline[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,41(3):26-31.[11]杨敏,孙志军,李楠,等.直流输电换流阀点火脉冲的研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(14):126-129.YANGMin,SUNZhijun,LINan,eta1.DesignoffiringpulseusedforvalvescontrolinHVDCsystem[J].PowerSystemProtectiona—ndControl,2013,41(14):126129.一。>>世李泰,等高压直流输电系统开路试验原理分析与工程建议[12]肖俊,李兴源.高压直流输电系统触发滞后角与换相时间关系的分析[J].电力系统保护与控制,2012,40(181:30-34.XIAOJun,LIXingyuan.Analysisoftherelationshipbetweentrigger-delayedangleandcommutationtimeinHVDC[J].PowerSystemProtectionandCongol,2012,41(14):30-34.[13]束洪春,田鑫萃,董俊,等.±800kV直流输电线路边界保护的模型匹配时域算法[J].电工技术学报,2013,28(1O):320-327.SHUHongchun,TIANXincui,DONGJun,eta1.±800kVDCtransmissionlineboundaryprotectionusing—modelmatchingalgorithmsintimedomain[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2013,28(101:320-327.[14]王峰,徐政,黄莹,等.高压直流输电主回路稳态参数—计算【J】.电工技术学报,2009,24(5):320327.WANGFeng,XUZheng,HUANGYing,eta1.CalculationofmaincircuitparametersforHVDCtransmission[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2009,24(5):320-327.[i5]袁海燕,傅正财.基于有限元法的±800kV特高压直流输电线路离子流场计算[J].电工技术学报,2010,25(2):139-146.YUANHaiyan.FUZhengcai.Coronaionizedfieldanalysisof ̄800kVHVDCtransmissionlines[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2010,—25(2):139146.收稿日期:2014-07-24;修回日期:2014-1O-13作者简介:李泰(1980-),男,硕士研究生,工程师,从事高压直流输电控制保护系统仿真研究工作;E-mail:taidouli@163.com荆雪记(1979一),男,硕士研究生,工程师,从事高压直流输电控制保护系统仿真研究工作;孔令凯(1982-),男,硕士研究生,工程师,从事高压直流输电控制保护系统软件设计工作。(编辑葛艳娜)
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