通信系統(tǒng)故障對(duì)直流保護(hù)功能的影響

朱韜析，王 超

（1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州市，510405；2.浙江電力調(diào)度通信中心，杭州市，310007）

0 引言

通信系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，通信設(shè)備運(yùn)行是否穩(wěn)定、通信通道組織是否合理可靠等，直接關(guān)系到直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。直流保護(hù)系統(tǒng)需要依靠通信系統(tǒng)傳輸對(duì)側(cè)的數(shù)據(jù)和信息，以保證快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)到故障，同時(shí)應(yīng)將通信系統(tǒng)故障的影響降至最低，一方面必須避免通信系統(tǒng)故障引起保護(hù)誤動(dòng)，另一方面應(yīng)合理設(shè)置后備保護(hù)，確保在故障情況下能夠可靠隔離故障點(diǎn)，同時(shí)避免保護(hù)誤動(dòng)。

1 通信系統(tǒng)運(yùn)行狀況對(duì)直流保護(hù)的影響

1.1 線路縱差保護(hù)

直流縱差保護(hù)是切除線路高阻故障的重要手段[2-4]，其工作原理為

式中：Id為直流線路電流；I'd為對(duì)側(cè)站直流線路電流；Δ1為設(shè)定定值。顯然，出現(xiàn)通信故障時(shí)，I'd將無法送至本側(cè)，因此，閉鎖線路差動(dòng)保護(hù)將閉鎖。

1.2 金屬回線縱差保護(hù)

直流輸電系統(tǒng)在單極金屬回線運(yùn)行方式下，可通過金屬回線縱差保護(hù)快速檢測(cè)金屬回線上發(fā)生的接地故障[5]，從而通過線路重啟動(dòng)功能[6]，提高直流輸電系統(tǒng)的可靠性，其原理與線路縱差保護(hù)類似[7-13]。顯然，通信系統(tǒng)故障時(shí)，金屬回線縱差保護(hù)也將閉鎖。

1.3 遠(yuǎn)程站故障保護(hù)

在通信系統(tǒng)不可用的情況下，若逆變側(cè)出現(xiàn)了故障（如逆變器旁通對(duì)投入失敗、直流電流不為0），整流側(cè)遠(yuǎn)程站故障保護(hù)能夠可靠閉鎖整流器。顯然，通信系統(tǒng)正常投入時(shí)，遠(yuǎn)程站故障保護(hù)將被閉鎖。

1.4 線路低電壓保護(hù)

線路低電壓保護(hù)功能通過監(jiān)測(cè)直流線路電壓實(shí)現(xiàn)。通信系統(tǒng)正常時(shí)，可根據(jù)對(duì)側(cè)站是否有交流系統(tǒng)故障和換相失敗的信號(hào)來閉鎖該保護(hù)。當(dāng)通訊中斷時(shí)，如果是雙極運(yùn)行方式，則根據(jù)另一極直流電壓判斷對(duì)側(cè)站是否發(fā)生交流系統(tǒng)故障，以確保只有在直流線路故障時(shí)，該保護(hù)才動(dòng)作；如果是單極運(yùn)行方式，則加長(zhǎng)保護(hù)動(dòng)作延時(shí)，與對(duì)側(cè)站交流故障切除時(shí)間相配合。

2 通信系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流保護(hù)誤動(dòng)

2.1 故障實(shí)例

在某些直流輸電工程中，部分直流保護(hù)的開放/閉鎖條件采用了對(duì)側(cè)設(shè)備的位置信號(hào)，一旦通信系統(tǒng)故障，這必然將影響到這些保護(hù)的功能，甚至可能造成保護(hù)的誤動(dòng)。圖1所示直流輸電系統(tǒng)中，在通信中斷狀態(tài)下將直流系統(tǒng)接線方式由單極金屬回線方式下轉(zhuǎn)為單極大地回線方式，依次閉合逆變側(cè)接地極線路刀閘、斷開逆變側(cè)站內(nèi)接地開關(guān)，在閉合整流側(cè)金屬回線開關(guān)后，逆變側(cè)金屬回線接地保護(hù)、線路橫差保護(hù)動(dòng)作，故障錄波如圖2所示。

2.2 直流保護(hù)原理及其閉鎖判據(jù)

金屬回線接地保護(hù)和線路橫差保護(hù)均為直流輸電系統(tǒng)在單極金屬回線運(yùn)行方式下、線路接地故障時(shí)的后備保護(hù)。單極金屬回線運(yùn)行方式下，發(fā)生運(yùn)行極線路和金屬回線線路接地故障時(shí)的電流回路分別如圖3、4所示（假設(shè)故障點(diǎn)分別為圖中的A、B點(diǎn)），顯然，此時(shí)不僅逆變側(cè)雙極直流線路電流出現(xiàn)較大差值，同時(shí)金屬回線的接地點(diǎn)也將流過較大電流。

2.2.1 保護(hù)原理

金屬回線接地保護(hù)的判據(jù)為

式中：Id4、Id1、Id2分別為站接地電流和2條接地極線路的電流；Δ2為設(shè)定定值。由于逆變側(cè)既可采用站內(nèi)高速接地開關(guān)，也可采用接地極作為金屬回線的接地點(diǎn)，因此，該保護(hù)對(duì)站接地電流與接地極電流之和進(jìn)行監(jiān)視。

線路橫差保護(hù)的判據(jù)為

式中：Id和IdOP分別為本極和另一極的直流線路電流；Δ3為設(shè)定定值。

2.2.2 直流保護(hù)閉鎖/開放邏輯

圖1所示直流系統(tǒng)中，整流側(cè)和逆變側(cè)均根據(jù)整流站金屬轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置，投入/退出金屬回線接地保護(hù)和線路橫差保護(hù)：整流站金屬轉(zhuǎn)換開關(guān)合上后，兩側(cè)均退出金屬回線接地保護(hù)和線路橫差保護(hù)；整流站金屬轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開后，經(jīng)延時(shí)兩側(cè)均退出金屬回線接地保護(hù)和線路橫差保護(hù)。

2.3 事故過程分析

在圖1、2所述的事故中，隨著逆變側(cè)接地極線路刀閘閉合、站內(nèi)接地開關(guān)斷開和整流側(cè)金屬回線開關(guān)的閉合，極I已轉(zhuǎn)為單極大地回線方式，極II直流線路雖然處于連接狀態(tài)，但相當(dāng)于被兩側(cè)的接地極以及大地構(gòu)成的回路所短路，直流電流通過兩側(cè)的接地極形成回路。圖2所示曲線表明，在保護(hù)動(dòng)作、投入旁通對(duì)前的電流波形也證明了此時(shí)的運(yùn)行狀況無異常。

正常情況下，隨著單極大地回線形成，單極金屬方式下特有的金屬回線接地保護(hù)和線路橫差保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作；但由于該試驗(yàn)?zāi)M通信系統(tǒng)故障，整流側(cè)金屬回線開關(guān)閉合的信號(hào)無法送至逆變側(cè)直流站控，逆變側(cè)直流站控未能判斷出單極大地回線已形成，所以無法送信號(hào)至直流保護(hù)系統(tǒng)閉鎖金屬回線接地保護(hù)和線路橫差保護(hù)，造成了這些保護(hù)的誤動(dòng)。

2.4 改進(jìn)措施

金屬回線接地保護(hù)和線路橫差保護(hù)誤動(dòng)的根本原因是逆變側(cè)這兩個(gè)保護(hù)的閉鎖/開放條件采用了整流側(cè)金屬回線開關(guān)的位置信號(hào)，而在通信系統(tǒng)故障情況下，逆變側(cè)將無法可靠閉鎖這兩個(gè)保護(hù)。

因此，逆變側(cè)金屬回線接地保護(hù)和線路橫差保護(hù)的閉鎖邏輯為：在通信系統(tǒng)異常時(shí)，逆變側(cè)根據(jù)本站接地極線路刀閘閉合的信號(hào)閉鎖金屬回線接地保護(hù)和線路橫差保護(hù)，判別本站本側(cè)接地極線路刀閘分位且本站站內(nèi)高速接地開關(guān)合位置，經(jīng)延時(shí)后投入線路橫差保護(hù)和金屬回線接地保護(hù)。

3 通信系統(tǒng)故障對(duì)系統(tǒng)停運(yùn)的影響

3.1 逆變側(cè)后備保護(hù)動(dòng)作并投入旁通對(duì)的影響

通信系統(tǒng)故障、直流輸電工程啟動(dòng)停運(yùn)時(shí)，設(shè)置另一側(cè)依靠直流低電壓保護(hù)的動(dòng)作來停運(yùn)。最初，直流低電壓保護(hù)動(dòng)作后果設(shè)置為閉鎖換流閥，逆變側(cè)需投入旁通對(duì)。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，直流低電壓保護(hù)動(dòng)作后果設(shè)置不當(dāng)，啟動(dòng)逆變側(cè)閉鎖且投入旁通對(duì)，將引起換流變閥側(cè)過壓。在通訊中斷時(shí)的手動(dòng)停運(yùn)試驗(yàn)中，直流輸電工程的錄波圖如5所示。整流側(cè)手動(dòng)停運(yùn)極I后，逆變側(cè)經(jīng)延時(shí)后直流低電壓保護(hù)動(dòng)作并投入了旁通對(duì)。隨著旁通對(duì)的投入，換流變壓器閥側(cè)相當(dāng)于不接地系統(tǒng)出現(xiàn)了一點(diǎn)接地，另外兩相電壓隨即升高，最后依靠其他保護(hù)動(dòng)作斷開換流變交流側(cè)斷路器后，才恢復(fù)了正常。

考慮到直流低電壓保護(hù)僅在通信故障的情況下起作用，保護(hù)動(dòng)作時(shí)直流電流實(shí)際已降低，是否投入旁通對(duì)對(duì)閉鎖換流器并無影響，決定逆變側(cè)直流低電壓保護(hù)動(dòng)作中取消投入旁通對(duì)的功能。

3.2 整流側(cè)保護(hù)未檢測(cè)到故障、逆變側(cè)保護(hù)動(dòng)作并投入旁通對(duì)的影響

假如在通信系統(tǒng)故障、逆變側(cè)保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)停運(yùn)、同時(shí)整流側(cè)保護(hù)未檢測(cè)到故障的情況下，整流側(cè)只能依靠后備保護(hù)動(dòng)作來停運(yùn)。由于后備保護(hù)的延時(shí)往往比較長(zhǎng)，所以，如果此時(shí)逆變側(cè)保護(hù)動(dòng)作投入旁通對(duì)，將造成逆變側(cè)直流短路并維持較長(zhǎng)時(shí)間，甚至造成其他保護(hù)動(dòng)作。

[2]所述的調(diào)試過程中，在單極金屬回線方式下和通信故障的情況下，逆變側(cè)線路故障后備保護(hù)動(dòng)作后，投入了旁通對(duì)，接著又造成了逆變側(cè)閥組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，故障錄波如圖8所示。

由圖8可得，逆變側(cè)金屬回線的相關(guān)保護(hù)動(dòng)作后，由于投入了旁通對(duì)，不僅造成瞬間的過流，而且高壓直流母線和中性母線通過旁通對(duì)始終導(dǎo)通；同時(shí)由于通信系統(tǒng)故障，逆變側(cè)發(fā)出的閉鎖命令無法送至整流側(cè)，直流輸電系統(tǒng)仍維持一定的電流，最終引起了逆變側(cè)閥組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

4 結(jié)語

雖然直接受通信系統(tǒng)故障影響的直流保護(hù)功能并不多，但某些保護(hù)可能采用了對(duì)側(cè)站的斷路器、刀閘位置信號(hào)作為開放/閉鎖判據(jù)，可能會(huì)造成這些保護(hù)無法可靠開放/閉鎖，甚至導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)。對(duì)此，建議在設(shè)計(jì)直流保護(hù)功能邏輯時(shí)，應(yīng)盡可能避免采用對(duì)側(cè)設(shè)備信息作為開放/閉鎖判據(jù)，以降低通信系統(tǒng)故障的不良影響。

通信系統(tǒng)故障將對(duì)直流輸電系統(tǒng)的停運(yùn)順序造成一定的不良影響，此時(shí)往往需要后備保護(hù)動(dòng)作來停運(yùn)直流系統(tǒng)，這種情況下，應(yīng)確保后備保護(hù)及其動(dòng)作策略的及時(shí)、準(zhǔn)確，防止直流系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在不正常的狀態(tài)下。

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