[科普中国]-电压应力保护

电压应力保护是指通过连锁换流变压器分接开关，避免交流电压对换流设备产生过高的电气应力。

基于一起跳闸事故的换流阀电压应力保护分析事故过程特高压换流站发生极2低端阀组（Y/Y接）A相换流变分接开关控制回路继电器故障，导致换流变档位不一致，现场按照规程就地调节同步分接开关位置时，电压应力限制功能启动分接开关降档，造成极2低端换流变档位相差过大，换流变饱和保护动作。故障前，双极三阀组运行输送功率5000MW，故障后双极高端阀组3950MW大地方式运行，安控装置正确动作，切除电厂机组两组。

事故的直接原因为A相换流变分接头档位故障且停留在了高档位上，换流阀的电压应力保护动作，降低分接头档位时导致分接头失步，进而产生偏磁电流。故障录波显示，电压应力保护动作时理想空载电压 达到239kV，超过 定值。现场手动切分接头操作回路电源时，极2低端A相换流变档位26档，其余5相均为15档，导致换流变中性点偏磁电流达到换流变饱和保护II段定值0.098A，延时280s动作出口。故障录波及事件显示保护动作行为正确。

电压应力保护简介（1）电压应力保护功能配置

ABB路线单独配置电压应力保护（Voltage StressProtection），防止稳态运行时换流变网侧电压过高导致晶闸管承受过电压或避雷器动作。电压应力动作结果包括禁止升分接头（ > ，延时2s），强制降分接头（ > ），系统切换（ >VSP_trip，延时155s），跳交流断路器（ >VSP_trip，延时185s），出口限制优先级高于正常的分接头控制。

南瑞继保出口功能与ABB相同，禁止升、强制降分接头延时100ms出口，系统切换延时165s，跳闸延时195s。

许继将电压应力保护放在换流器控制的分接头控制当中，动作结果包括禁止升（无延时）、强制降、 高告警，典型应用于溪浙工程。禁止升动作出口无延时取消升分接头准备允许位（包括手动和自动模式），强制降出口具有最高优先级不需要分接头同步信号。

（2）保护的定值整定

在换流变压器参数设计中，需要确定的主要参数包括额定空载直流电压、换流变额定容量、理想空载直流电压限制和设计电压、有载调压分接头档位数。工程应用时，首先根据换流变设计参数计算出正常运行中出现的最大值，然后整流侧以作为，增加一定裕度后作为和一次设备的设计值（一般向上取整）；逆变侧以作为，考虑裕度后作为电压应力保护的动作值。

以特高压晋南工程为例，表1列出计算用到的控制参数，表2列出设计时考虑的测量误差。

①晋北站保护定值计算

②南京站动作定值计算

③分层接入工程的定值计算方法差异

锡泰工程逆变站高低阀组分接头步长分别为1.25%和0.65%，计算整流侧最大值时考虑高低阀组换流变同时调节一档，直流电压增大0.95% ，直流电流下降0.95%保持功率不变。因此相比常规特高压直流，分层接入的整流侧一次设备设计电压值更高。

功能改进锦屏换流站电压应力保护动作的直接原因是，Y/Y接A相换流变分接头操作回路继电器故障，故障相分接头档位停留在了高档位上。控制保护系统根据分接头档位计算出的超过了，发出强制降分接头指令。正常的5相正常执行降分接头操作，故障的A相由于分接头操作回路故障档位一直无法降低。控制保护系统根据A相分接头档位计算出的值一直大于，导致运行人员手动断开操作回路电源前，其他5相一直在执行降分接头动作。各相分接头档位相差过大以后，保护动作出口。

理想空载电压由换流变阀侧电压决定，理想运行状态下每个桥臂承受的电压为导通相阀侧线电压的一半，实际由于触发角和换相角以及晶闸管正常导通时不需要承受反向电压，换流阀上承受的电压明显小于理想空载电压值。而且一次设备的设计电压值为增加1%测量误差裕度。因此从保护一次设备的角度考虑，一相换流变档位计算出的理想空载电压值高于强制降分接头动作值不会在换流阀上形成超出设备承受范围的过电压，不应造成阀组闭锁。为防止此类跳闸事故发生，需要对电压应力保护做出优化改进。

（1）优化方案

采用6相换流变档位平均值计算时，一方面分接头失步时不能反映一次设备上实际承受的电压，另一方面如发生仅2相或3相空载电压超过跳闸值，可能由于计算的偏小导致电压应力保护拒动。直接选取Y/Y接A相换流变分接头档位则具有盲目性，仿真系统模拟锦屏站相同故障，电压应力保护动作强制降分接头使得非故障相分接头一直降到最低。

方案一。强制降低分接头出口增加分接头同步作为条件，当非故障相分接头动作后，由于故障相分接头未动作导致分接头失步，保护不能继续出口，防止分接头档位相差过大引起偏磁电流。

方案二。考虑泰州站，利用分接头动作的监视信号作为计算时选择换流变档位的判据。当发出分接头操作命令后监视时间内未检测到A相换流变档位变化，则认为该相换流变分接头故障，切换到B相进行计算。经过仿真试验，分接头失步两档后切换到B相，空载电压低于定值停止分接头动作。

方案三。控制保护系统中已有12脉动各相换流变的分接头的档位，因此可以优化为每相单独计算U di0，分别与强制降分接开关电压定值比较，当3台及以上值超过时，则延时5s向本阀组所有换流变发出降分接开关信号，3台以下超过定值时，不发出降分接开关信号；禁止升分接开关、系统切换和跳闸则采用同一阀组6台换流变中档位最高值计算得到，再与定值进行比较。保护所有出口逻辑与是否同步及手动/自动信号无关。

方案一的弊端在于未以保护一次设备为首要考虑条件，可能出现各相分接头空载电压超过动作定值，而保护因分接头失步不能出口。

比较方案二和三，空载电压过高而某一相分接头操作故障时，两个方案都动作其他相下降至正常范围停止（如果故障相为A相则方案二超调2档）。当两相分接头故障时，方案三动作其他四相降低至正常范围停止；方案二如果故障的不是A和B相则其他四相降低至正常范围停止；如果故障在A和B相则其他四相一直下降直至跳闸。不考虑三相分接头故障。

综合考虑方案三为推荐方案，但是从一次设备电压考虑，如果两相分接头故障且发生在同一个六脉动阀组，考虑测量误差换流阀桥臂上承受的电压可能超过设备设计值，保护不会动作。如改为两相空载电压越限动作降分接头则会导致分接头档位差过大。

（2）监控告警事件配置

采用每相分接头单独计算空载电压后，应该从每个阀组报电压应力保护动作告警改为每一相单独设置禁止升、强制降、切换跳闸告警。保证分接开关异常停止在高档位时，提醒运检人员故障相以及实际的电压水平，为就地操作提供依据。

基于特高压换流站换流阀电压应力保护动作引起的跳闸事故，分析了ABB与西门子两种主要控制保护设备路线的电压应力保护定值和逻辑设置。

单相换流变分接开关故障导致理想空载电压过高时，控制保护系统电压应力保护启动其他相分接头动作至正常范围后停止，不引起阀组闭锁。

晋北和南京站一次设备设计的绝对最大空载直流电压分别为240kV和232kV。分层接入的整流站一次设备设计值高于常规直流。

12脉动各相换流变单独计算并分别与强制降分接开关功能定值比较，当3台及以上值超过时，则延时5s向本阀组所有换流变发出降分接开关信号。禁止升分接开关、系统切换和跳闸则采用同一阀组6台换流变中档位最高值计算得到，再与定值进行比较。1

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学