基于录波识别的直流阀区故障快速定位方法研究

贺红资，赵建明，王金玉，何相成

（中国南方电网超高压输电公司大理局，云南大理671000）

0 前言

随着国内能源结构的升级，特高压直流工程的数量逐年提升[1-2]，由此也带来了直流阀区发生故障可能性的增加，例如滇西北直流工程“12·5”极1 高端400 kV 穿墙套管末屏闪络事件。现场故障发生后，若故障点有明显损坏现象自然能快速找到故障点，而若故障点无明显损坏现象则从故障暂态录波上着手分析故障点位置将会更为明智。

众所周知，阀区故障是直流系统中最难分析的故障，因为其涉及到具体的换相过程。目前传统的阀组故障分析方法是基于故障前后详细的换相过程[3-4]，且无人对分析方法和流程进行提炼总结，现场故障分析因人而异，一步出错将导致错误的结论，且分析过程耗时较长。因此，作者借助RTDS实时数字仿真平台，结合直流系统特性[5-9]，对阀区故障引起的电力系统动态行为[10-11]进行了大量的仿真分析，最终提炼出了一套基于录波识别的故障快速定位方法，为人工智能故障定位等新技术提供了理论支撑。同时结合阀区采样互感器配置，详细分析了当前某些特高压直流保护设计的缺点，即一定情况下不能区分出故障发生在哪个阀组，给现场故障点查找带来困难，由此提出互感器配置与保护优化策略。

1 特高压直流工程阀区典型设计

以整流侧一极为例，特高压直流工程阀区典型设计[10-11]如图1所示，每极有高低端两个阀组，每个阀组由一个可独立运行的12脉动基本换流单元组成，阀区电流互感器主要包括换流变交流阀侧测点YY桥IVY_L1、IVY_L2、IVY_L3，YD桥IVD_L1、IVD_L2、IVD_L3，及阀厅直流场侧测点IDCH、IDCN，为发挥特高压输电优势，正常情况下双阀组均会投入，典型运行回路图如图2所示，目前最常见的特高压直流其高压侧对地电压可达800 kV。

图1特高压直流阀区典型设计

图2特高压直流典型运行方式

2 特高压直流阀区故障快速定位方法

2.1 传统阀区故障定位分析的不足

传统的阀组故障分析方法基于故障前后详细的换相过程，无规范的分析方法和流程，这要求现场运维人员对换相原理十分熟悉，一步出错将导致错误的结论，且分析过程耗时较长，这些不足将延长故障处理时间，极有可能造成事件升级。

2.2 阀区故障快速定位方法

为了寻找故障快速定位方法，作者借助RTDS实时数字仿真平台，对当前电流互感器配置下的阀区故障及进行了大量的仿真，分析总结了各项故障录波特征，仿真故障点设置如图3框内所示，得出方法如下：

图3阀区故障仿真试验故障设置位置

1）判断阀区是否接地。IDCH 与IDCN 间若出现显著差流则认为阀区发生了接地故障，若差流值在测量误差范围内则说明阀区内未发生接地。

2）阀区未接地时，进行故障区域定位及故障类型识别。有三种故障类型，分别为换流变交流阀侧相间短路、换流阀阀臂短路、换流桥（单六脉动桥或多六脉动桥）短路。当换流器处于整流（逆变）模式时，此三种故障都将造成故障范围内的六脉动桥交流阀侧电流剧增（逆变剧减），据此特征可迅速将故障范围锁定到某一个或多个六脉动桥上。接下来识别故障类型，可按此方法：相间短路时交流阀侧电流将呈现典型的相间短路特征，两相短路时故障的两相电流交替变换，且大小近似相等，不存在换相过程；换流阀短路时故障相有典型的反向导通特征，同时若处于非换相期间理应关断的相别突然产生电流即可确定该相别故障，逆变侧可出现故障相在正变负或由负变正时与横轴交点处连续以及换相失败的现象，再简单通过换相过程分析即可确定是哪一个换流阀；换流桥短路时，若为整流，交流阀侧电流剧增，各阀保持单向导通特性，且能换相成功，若为逆变，交流阀侧电流剧减，非故障桥及直流侧电流增大且相等。

3）阀区接地时，先确定故障桥，通过四个六脉动桥电流衰减、增大的不同特征可将故障锁定在两个相邻的桥内，以整流侧为例，故障后若高阀YY桥最大相电流衰减，高阀YD、低阀YY、YD最大相电流增大，则故障必然发生在高阀YY、YD内，再如高阀YY、YD最大相电流衰减，低阀YY、YD最大相电流增大，则故障必然发生在高阀YD、低阀YY 内。再确定故障点位置，分两种情况，在非换相期间若关断相突然产生电流即可确定为该相别故障，对逆变侧若出现某一相在正变负或由负变正时与横轴交点处连续时该相即为故障相，否则基于故障前后的换相过程，灵活运用假设排除法来进行定位，此时定位出的故障范围必然较大，范围将涉及两个相邻的六脉动桥及它们之间的公共部分。

2.3 阀区故障快速定位方法运用实例

实例1：仿真交流阀侧两相短路，其故障录波如图4所示，故障后极1 IDCH与IDCN 测点之间无差流，说明阀区内未发生接地，由于仅有极1高阀YY 桥电流剧增，因此可迅速锁定故障发生在极1高阀YY 桥，同时，YY 桥A、B两相有典型的相间短路特征，因此可快速确定故障位置和类型为极1高端YY 桥交流阀侧A、B相相间短路，故障范围如图5所示。

实例2：一次实际发生的直流阀区故障，其故障录波如图6所示，故障后极1 IDCH与IDCN 测点之间差流十分明显，因此可确定极1 IDCH 与IDCN测点之间发生了接地，由于故障后极1高阀YY、YD桥电流均衰减，而极1低阀YY、YD桥电流均增加，因此可将故障锁定在极1低阀YY 桥、极1高阀YD桥之间（含两桥连接部分），为进一步确定故障范围，对换相过程进行分析：故障时刻极1高阀YY桥1、3、2阀导通，1阀正向3阀换相，极1高阀YD桥3、2阀导通，极1低阀相同，故障后极1高阀阀侧电流均衰减，可排除IDCH 测点与极1高阀YD桥IVD C相测点之间发生接地故障，由于故障后极1低阀YY 桥和YD桥阀侧电流均增大，因此可排除极1低阀YY桥IVY A 相和B相测点与IDCN 之间发生接地故障，假设故障点发生在极1低阀YY 桥A 相，则故障消失前极1 低阀YY 桥A 相能持续流过故障电流，这不满足现场录波特征，故排除故障发生在极1低阀YY 桥A 相。

通过以上分析，可最终确定故障发生在极1低端阀组YY桥IVY B相测点至极1高端阀组YD桥IVD C相测点之间的电气连接部分，如图4所示。

图4实例1阀区故障录波图

图5运用实例故障范围

3 特高压直流阀区保护优化思路

目前南方电网在运的特高压直流工程阀区均采用图1配置，由例2故障分析可知，若此时故障点发生在极1高阀YD桥内，依据当前的保护配置，将只有极1低阀阀短路保护动作，极1高阀自己的阀短路保护将不会动作，另一方面此区域范围过大，且设备众多（涉及交直流侧套管、避雷器、电压互感器、换流阀臂等），当无明显放电点时检查起来耗时耗力。上述问题究其根源还是在于互感器的配置不完善，因此可对互感器配置作如下优化：在低端阀组高压侧套管出口处及高端阀组低压侧套管入口处各增加一个电流测点，分别命名为IDML与IDMH，优化后的电流互感器配置图如图7 所示。

图6实例2阀区故障录波图

图7优化后的阀区电流互感器配置

增加这两处测点后，可根据IDML 与IDMH的特征将各种故障形式下的定位范围缩小至单阀组内。同时，可在此基础上对阀区保护进行优化，一种思路是新增3个差动保护，分别为高端阀组直流差动保护、低端阀组直流差动保护、阀组公共直流差动保护，判据分别如下，其中，Imk为动作门槛值：高端阀组直流差动保护：|IDCH-IDMH|＞Imk低端阀组直流差动保护：|IDCN-IDML|＞Imk阀组公共直流差动保护：|IDMH-IDML|＞Imk由判据可知，其保护对象分别为高端阀组、低端阀组、阀组公共部分的接地故障。

4 结束语

本文借助RTDS实时数字仿真平台，对当前电流互感器配置下的阀区故障及其录波特征进行了大量的仿真分析，提炼出了一套流程可固化的故障分析方法，实例表明利用该方法可准确快速的定位出故障范围，为故障处理及功率恢复赢得了宝贵的时间，同时，该方法体现的思想可用于人工智能故障定位等新技术中。此外，通过大量试验数据证明，当直流工程采用图1所示阀区电流互感器配置时，在一定情况下，尤其是发生图3中5H、21、4L类型的故障时，依据录波分析出的范围将涵盖高低端阀组及其公共部分这一大区域，因此针对该不足提出了一种电流互感器配置与保护优化思路，为后续的特高压直流工程提供参考。