单极接地故障下融冰装置的运行风险评估及对策研究

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0 引 言

目前，直流电流融冰法和过电流融冰方法是最为成熟可行的两种融冰手段。其中直流电流融冰法由于不受线路交流电抗的影响，所需电源容量能够大大降低[1-3]。该方法将覆冰线路作为负载，施加直流电源，用较低电压提供短路电流加热导线使覆冰融化，一般采用发电机电源整流和采用系统电源的可控硅整流两种方案[4-6]。前者虽可减少投资但却受发电机组容量与融冰所需容量的限制，大多情况都不满足需求；因此采用系统电源的可控硅整流融冰是直流融冰方法中的热点，其适用性更强，可根据不同情况调节直流融冰电压，使之满足不同应用环境的需要，是现有融冰方法中最理想的一种[7-10]。

下面对不同融冰方式下单极接地故障下直流融冰装置的运行风险进行评估，揭示PT饱和及熔丝熔断的机理，结合现场实际运行情况提出改进现有融冰装置直流单极对地保护控制策略，并通过电磁暂态仿真建模验证所提对策的可行性。

1 直流融冰装置在直流单极接地故障下的运行风险

1.1 直流单极接地故障下融冰装置的运行风险

目前直流融冰装置主要有两种拓扑结构：一是通过整流变压器和整流装置带线路融冰，当直流单极接地故障时可通过整流变压器实现两侧系统的电气隔离；二是通过换相电抗器和6脉动整流装置带线路融冰，如图1所示，下面主要讨论这种拓扑结构融冰装置的运行风险。

图1 直流融冰装置接入电网示意图

目前，图1所示直流融冰装置的融冰工作模式主要有1-1和1-2型两种融冰模式。其中1-1型融冰模式的切换过程如图2所示，设单相线路融冰的周期时间为T，三相线路融冰时间约为1.5T。对于AC相融冰方式，WPQ11、WNQ11闭合，AC相融冰时间为T/2；对于BC相融冰方式，WPQ12、WNQ11闭合，BC相融冰时间为T/2；对于AB相融冰方式，WPQ11、WNQ12闭合，AB相融冰时间为T/2。

1-2型融冰模式的切换过程如图3所示，三相线路融冰时间约为2T。对于AB-C融冰方式，WPQ11、WPQ12、WNQ11闭合，AB并联及C相融冰时间为2T/3；对于BC-A融冰方式：WPQ11、WNQ11、WNQ12闭合，BC并联及A相融冰时间为2T/3。

由于在1-2型融冰工作模式下线路总的直流电阻较小，所要求的直流融冰电源的功率相对较小，与1-1型融冰工作模式相比较总容量减小约1/4。1-2融冰模式可选择作为较长线路的融冰工作模式。

当发生直流单极接地故障时，直流正负极电压不对称，该直流电压分量通过六脉动整流阀直接耦合注入交流电网，引发交流侧中性点电压大幅度偏移，存在较大的运行风险。

图2 1-1型融冰模式

图3 1-2型融冰模式

图4给出了采用1-1型融冰模式、融冰电流达到4 000 A时对340 km的500 kV线路进行融冰的仿真结果。在t=20 s时刻设置融冰线路B相近融冰装置接入变电站侧发生单相永久金属性接地故障。不难看出，当t<20 s时，融冰装置直流正负极对地电压上下对称，发生故障后直流正极对地平均电压UdcP升高至30 kV，直流负极对地平均电压UdcN约为0，导致中性点对地平均电压Udc0(Udc0=(UdcP+UdcN)/2)从0升高至18.06 kV，该直流分量通过整流阀、换相电抗器耦合至35 kV交流母线(UDCS)，导致电磁式母线电压互感器流过的直流电流达到1.26 A。直流电流流经母线PT一次绕组，一方面将引起PT不对称饱和，从而使得测量不准；另一方面，按照35 kV PT熔丝的熔断电流通常设定为0.5 A进行计算，该直流电流已足以导致PT熔丝熔断。

图4 1-1型模式下直流融冰线路B相近融冰装置接入站侧发生单相接地时的仿真波形

类似地，图5给出了采用1-2型融冰模式、融冰电流达到4 000 A时在同一点发生单极接地故障时的仿真波形。发生故障后流过PT的电流达到1.1 A，直流侧中性点对地电压和交流电压的直流分量达到为15.78 kV。

目前，当直流线路接地故障引起直流单极接地电压超过其定值时，直流单极对地保护启动，但是直流单极对地保护仅触发故障告警，不触发阀闭锁和断路器跳闸，交流系统也缺乏针对直流电流的保护，存在较大的运行风险。

图5 1-2型模式下直流融冰线路B相近融冰装置接入站侧发生单相接地时的仿真波形

1.2 融冰线路不同位置发生单相接地故障时风险量化计算

由于直流融冰大多采用1-2型模式，因此以下分析均建立在1-2型融冰模式基础上。在直流融冰时，直流正极对地平均电压UdcP和负极对地平均电压UdcN主要与融冰线路的等效电阻有关，假设单相线路的电阻为R，图6分别考虑一去两回融冰模式下，在融冰线路不同点发生单相接地故障时直流侧等效示意图。以A-BC方式为例，当A相某点发生故障时，故障点与直流正极之间的线路电阻为X，如图6(a)所示；同理当B相某点发生故障时，故障点与直流负极间的线路电阻为X，如图6(b)所示。

图6 一去两回融冰方式下在融冰线路不同位置发生单相接地时的直流侧等效示意图

因此，当线路A相发生单相接地故障时，直流正极、负极对地平均电压UdcP和UdcN分别为

(1)

正负极对地电压平均值的绝对值之差为

|UdcP|-|UdcN|=(2X-1.5R)Idc,0≤X≤R

(2)

由此说明，正负极对地电压平均值的绝对值之差在[-1.5RIdc，0.5RIdc]之间变化。当线路B或C相发生接地故障时，UdcP和UdcN分别为

(3)

正负极对地电压平均值的绝对值之差为

|UdcP|-|UdcN|=(1.5R-X)Idc,0≤X≤R

(4)

可以看出，其值在[0.5RIdc，1.5RIdc]变化。

根据上述推导，图7给出了当融冰电流为4 000 A、融东天线时在线路不同位置发生故障时正负极对地电压平均值的绝对值之差的变化范围。可以看出，随着故障点位置的变化，对地电压绝对值之差分别在-31.54～10.51 kV、10.51～31.54 kV之间变化。

从式(2)、式(4)并结合图7看出，直流正负极对地电压平均值绝对值之差的最小值Umin和最大值Umax(不计正负)分别为0.5RIdc和1.5RIdc，最大值点出现在直流正极或负极处。

图7 当直流融冰电流为4 000 A时融东天线时正负极对地电压平均值绝对值之差随故障点变化的曲线

图8 直流正负极对地电压平均值绝对值之差最小值、最大值与融冰电流的关系曲线

图8则给出了融东天线时Umin和Umax随融冰电流变化的关系曲线。按照35 kV PT熔丝熔断电流为0.5 A，并考虑到一定的裕度，即根据35 kV PT一次侧电流达到0.2 A时的临界电压Ulim来确定发生直流单极接地闭锁时晶闸管阀触发脉冲的启动条件。当Umax>Ulim时即启动闭锁晶闸管阀触发脉冲，反之当Umax≤Ulim时，则继续融冰，也即是说只要在某融冰电流下Umax≤Ulim，则Umin≤Ulim肯定满足；若Umax>Ulim，则在该融冰电流下线路上某点发生单点故障则会引起PT一次侧电流超过0.2 A。

进一步地，在PSCAD直流融冰模型的基础上搭建35 kV PT模型，设置不同的融冰电流，在东天线路B相东坡站出口处设置单相接地故障(因为该点对应的直流正负极对地电压平均值绝对值之差最大)，检测35 kV PT一次侧电流，仿真结果如表1所示。相应地，图9给出了正负极对地电压平均值绝对值之差与PT一次侧电流的关系曲线，通过曲线拟合结果得知，当绝对值之差为6.22 kV时，PT一次侧电流为0.2 A，对应的直流融冰电流为788 A。

从上述分析看出，当直流正负极对地电压平均值的绝对值之差小于6.22 kV，PT一次侧电流都不会大于0.2 A(PT饱和电流为0.5 A，考虑一定的裕度)，因此设置直流单极接地保护定值为6.22 kV，为保证交流侧PT的安全运行，将保护动作修改为闭锁晶闸管阀，停止融冰。

表1 不同融冰电流下在东天线路B相东坡站出口处发生单相接地故障时PT电流

图9 直流正负极对地电压平均值绝对值之差与PT一次侧电流的对应关系及拟合曲线

2 防止直流融冰启动过程误动作对策

考虑到直流融冰装置启动过程中可能出现一定的冲击电流和直流电压调整过程，需要确保直流单极接地保护在融冰装置启动阶段不会误动作，因此对直流融冰启动阶段进行仿真核实。

表2 采用不同融冰电流目标值的启动过程相关参数结果

表2给出了设定不同融冰启动电流目标值、融冰线路无任何单相接地的正常启动过程中直流正负极对地平均值的绝对值之差最大值和PT一次侧电流最大值。图10和11分别给出了设置目标融冰电流为788 A和2 750 A时融冰装置在融冰线路无单相接地故障时的启动过程仿真结果。

图10 直流融冰装置在融冰线路无单相接地时的正常启动过程(设置目标融冰电流为788 A)

图11 直流融冰装置在融冰线路无单相接地时的正常启动过程(设置目标融冰电流为2 750 A)

结果表明，当设定融冰电流目标值大于等于2 750 A时，在启动过程中直流正负极对地电压平均值绝对值之差的最大值超过6.22 kV，尽管PT一次侧电流并未超过0.2 A，但已满足融冰电流大于788 A且直流正负极对地电压平均值的绝对值之差大于6.22 kV的条件，从而导致直流融冰装置单极接地保护动作。因此，为了避开直流融冰启动过程单极接地保护的误动作，融冰装置的启动电流应远小于2 750 A，待装置启动流程完成后再增加融冰电流设定值，确保融冰装置的正常启动。

另一方面，在启动过程中若融冰线路已发生单极接地，只要达到单极接地保护的条件也应正确动作，图12给出了融冰电流目标值为788 A时东天线路B相东坡站出口处发生单相接地时的启动过程仿真波形，这个过程已达到直流融冰装置单极接地保护动作条件，单极接地保护正确动作。

图12 直流融冰装置在融冰线路发生单相接地时的启动过程(设置目标融冰电流为788 A)

综上所述，按照35 kV PT熔丝的熔断电流为0.5 A，并考虑到一定的裕度，建议PT一次电流达到0.2 A时即启动单极接地保护。经过公式推导和仿真校验，建议东坡站直流融冰装置单极接地保护修改方案为：当直流电流大于788 A且直流正负极对地电压平均值的绝对值之差大于6.22 kV时，直流单极接地保护动作，动作逻辑修改为闭锁晶闸管触发脉冲；同时为了防止融冰装置启动阶段的误动作，融冰装置在启动过程中的融冰电流设定值应远小于2 750 A，建议启动融冰电流设定值小于1 000 A，确保融冰装置能够正常启动。

3 结 语

上面评估和量化了不同融冰方式下单极接地故障时直流融冰装置的运行风险，揭示了PT饱和及熔丝熔断的机理，并结合现场实际运行情况提出了现有融冰装置直流单极对地保护改进措施，并通过

电磁暂态仿真建模验证了该对策的可行性。结果表明，所提出的方法能够有效地降低直流单极接地故障下直流融冰装置的运行风险，对于指导现场融冰、防范直流融冰装置单极接地故障下的运行风险具有较好的实用性。

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