淺談?chuàng)Q流站直流保護(hù)配置及動作策略

曹俊龍

（中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071）

淺談?chuàng)Q流站直流保護(hù)配置及動作策略

曹俊龍

（中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071）

高壓直流輸電應(yīng)用越來越廣泛，直流保護(hù)是保障直流輸電系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行的重要手段。本文介紹了高壓直流系統(tǒng)保護(hù)的分區(qū)原則，并詳細(xì)說明了各保護(hù)分區(qū)的保護(hù)及測點配置；直流輸電系統(tǒng)的運行方式靈活多樣，為了盡快清除故障、降低對設(shè)備、電網(wǎng)的不利影響，不同分區(qū)的保護(hù)策略不盡相同，本文介紹了閉鎖、隔離、跳閘、與控制系統(tǒng)配合等保護(hù)動作策略。

直流保護(hù)；保護(hù)分區(qū)；保護(hù)測點；配置動作策略

0 引言

隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，特高壓直流輸電廣泛應(yīng)用于更大功率、跨地區(qū)遠(yuǎn)距離的輸電，實現(xiàn)了能源大范圍的轉(zhuǎn)移，有效地解決了我國能源資源與用電需求逆向分布的問題。《大氣污染防治行動計劃》明確了調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)清潔發(fā)展的方向。因此在清潔能源大規(guī)模集約開發(fā)的同時，發(fā)展特高壓電網(wǎng)用于清潔能源的消納，是應(yīng)對霧霾的有效舉措。2020年前后，我國電網(wǎng)將規(guī)劃建設(shè)近40個包含跨省區(qū)、跨國的不同電壓等級直流系統(tǒng)，屆時我國將是世界上直流輸電技術(shù)應(yīng)用最廣泛的國家。直流控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電的“大腦”，是直流輸電系統(tǒng)的核心；其中直流保護(hù)系統(tǒng)的主要任務(wù)是在高壓直流系統(tǒng)出現(xiàn)各種不同類型故障時，快速、可靠地切除故障，將故障和異常運行方式對電網(wǎng)的影響限制到最小范圍。

隨著高壓直流保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)出如下特點：

（1）微機(jī)化。采用微處理機(jī)技術(shù)的直流保護(hù)具有集成度高、判斷準(zhǔn)確、便于定值修改、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點。

（2）與直流控制系統(tǒng)的關(guān)系更加密切。特高壓直流保護(hù)動作的主要措施，包括換流器緊急移相、投旁通對、閉鎖觸發(fā)脈沖、系統(tǒng)重啟動、故障換流器切除等，均需要通過直流控制系統(tǒng)改變換流器的觸發(fā)角或閉鎖觸發(fā)脈沖完成，兩者關(guān)系密切。直流保護(hù)和控制的良好配合，既能快速抑制故障的發(fā)展，迅速切除故障，又能在故障消除后迅速恢復(fù)直流系統(tǒng)正常運行。

（3）冗余配置。為了提高直流輸電系統(tǒng)運行的可靠性，保護(hù)裝置均采用冗余配置。根據(jù)技術(shù)路線的不同，有些工程中保護(hù)出口采用“三取二”邏輯，能較好的提高保護(hù)動作的可靠性，有些工程則采用較為簡單的雙重化冗余方式，有一套保護(hù)出口即可，能降低保護(hù)拒動的風(fēng)險，但不利于防止保護(hù)誤動的發(fā)生。冗余配置有利于提高保護(hù)系統(tǒng)的可用性，盡量避免因保護(hù)系統(tǒng)故障而引發(fā)系統(tǒng)停運。

1 直流保護(hù)分區(qū)及測點配置

（1）直流保護(hù)分區(qū)。直流保護(hù)系統(tǒng)的范圍和換流站的特點密切相關(guān)，主要覆蓋換流器及閥廳設(shè)備、直流場設(shè)備、直流濾波器、直流線路、換流變壓器、交流濾波器、接地極引線等。直流系統(tǒng)保護(hù)采取分區(qū)配置，通常將直流側(cè)保護(hù)、交流側(cè)保護(hù)和直流線路保護(hù)三大類，分為6個保護(hù)分區(qū)。根據(jù)以往直流運行及工程設(shè)計經(jīng)驗，不同的保護(hù)區(qū)域相互重疊，不允許出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)。典型的高壓直流保護(hù)分區(qū)如圖1所示。在圖1中，區(qū)域1為換流器保護(hù)區(qū)，區(qū)域2為直流極母線保護(hù)區(qū)，區(qū)域3為中性母線保護(hù)區(qū)，區(qū)域4為直流線路保護(hù)區(qū)，區(qū)域5為雙極中性線和接地極線路保護(hù)區(qū)，區(qū)域6為直流濾波器保護(hù)區(qū)。

（2）直流保護(hù)測點配置。高壓直流保護(hù)系統(tǒng)中的測點用于向保護(hù)系統(tǒng)提供必要的電氣量或其他物理量信息。合理配置保護(hù)測點直接決定了保護(hù)系統(tǒng)能否有效檢測出直流系統(tǒng)的故障狀況和其他異常狀況以及能否實現(xiàn)對整個直流系統(tǒng)的有效保護(hù)。在圖1中給出了±500kV高壓直流輸電工程中直流保護(hù)系統(tǒng)測點的典型配置。相關(guān)電流、電壓量的縮寫對照見表1。

2 直流保護(hù)配置

（1）換流器保護(hù)。換流器保護(hù)主要覆蓋12脈動換流器、換流變閥側(cè)繞組和閥側(cè)交流連線等區(qū)域，換流器區(qū)主要故障有：換流閥短路、換流器接地短路、丟失觸發(fā)脈沖、換相失敗、閥過電壓等。因此，換流器區(qū)域主要保護(hù)配置如表2所示。

圖1 高壓直流保護(hù)典型分區(qū)

表1 直流測點電流、電壓量縮寫對照

表2 換流器保護(hù)配置

圖2 換流器區(qū)保護(hù)測點

表3 極保護(hù)配置

換流器區(qū)保護(hù)的測點示意見圖2。

（2）極保護(hù)。極保護(hù)主要覆蓋極母線、極中性母線和中性線開關(guān)等區(qū)域。極區(qū)主要故障有：直流極短路、接地故障以及直流回路開路等。直流極母線區(qū)配置的主要保護(hù)見表3。

（3）直流線路保護(hù)。直流線路區(qū)域的主要故障有：金屬性接地、高阻接地短路、與交流系統(tǒng)碰線等。直流線路區(qū)配置的主要保護(hù)見表4。

直流極母線區(qū)保護(hù)的測點示意見圖3。

圖3 直流極母線區(qū)保護(hù)測點

表4 直流線路區(qū)保護(hù)配置

直流線路保護(hù)區(qū)的測點見圖4。

圖 4 直流線路區(qū)保護(hù)測點

（4）雙極中性線和接地極線路保護(hù)。雙極中性線保護(hù)主要覆蓋雙極公用連接區(qū)域以及其中的開關(guān)設(shè)備。雙極區(qū)的主要故障類型有：接地短路、斷線等。雙極中性線和接地極線路區(qū)配置的主要保護(hù)見表5。

表5 雙 極中性線和接地極線路區(qū)保護(hù)配置

雙極中性線和接地極線路保護(hù)區(qū)測點見圖5。

另外，雙極區(qū)裝設(shè)有金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)、金屬回線開關(guān)和快速接地開關(guān)，針對這些開關(guān)可能出現(xiàn)無法斷弧的故障，配置金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)保護(hù)（82_ MRTB）、金屬回線開關(guān)保護(hù)（82_MRS）和高速接地開關(guān)保護(hù)（82_HSGS）。這些開關(guān)保護(hù)的測點示意見圖6。

圖5 雙極中性線和接地極線路區(qū)保護(hù)測點

圖6 開關(guān)保護(hù)測點

（5）直流濾波器保護(hù)。直流濾波器保護(hù)范圍包括直流濾波器高、低壓側(cè)之間的所有設(shè)備的保護(hù)，所配置的保護(hù)能保護(hù)所有元件免遭由于諧波電流超標(biāo)或者由于過電壓而產(chǎn)生的過應(yīng)力見表6。

表6 直流濾波器區(qū)保護(hù)配置

直流濾波器區(qū)保護(hù)測點配置見圖7。

圖7 直流濾波器區(qū)保護(hù)測點

3 直流保護(hù)動作策略

直流輸電系統(tǒng)運行方式靈活，故障時為了切除故障點或盡快恢復(fù)，把對設(shè)備、電網(wǎng)的影響降到最小，不同保護(hù)區(qū)域的保護(hù)動作策略是不盡相同的。如極區(qū)故障時主要影響是本極區(qū)域，相應(yīng)保護(hù)應(yīng)準(zhǔn)確動作并隔離故障點。極線或接地接線路故障大部分為短時故障，因此當(dāng)這些區(qū)域發(fā)生故障時相應(yīng)保護(hù)盡可能通過重啟功能清除故障。雙極區(qū)發(fā)生故障時可能對雙極運行產(chǎn)生不良影響，保護(hù)必須能準(zhǔn)確判斷故障類型，并盡可能將故障影響降至最低。

另外，直流保護(hù)動作的執(zhí)行與直流控制有著密切的關(guān)聯(lián)，在很多情況下會首先啟動控制功能，如進(jìn)行閉鎖、移相、雙極平衡、降電流等操作，達(dá)到保護(hù)設(shè)備和保證直流安全運行的目的。如通過控制系統(tǒng)切換清除控制系統(tǒng)本身的故障（控制系統(tǒng)故障引起的脈沖丟失等）。通過功率回降避免設(shè)備過負(fù)荷；通過調(diào)節(jié)分接頭防止控制系統(tǒng)失效引起設(shè)備過應(yīng)力；通過極間的電流平衡防止接地網(wǎng)過流；通過再起動邏輯使故障線路充分去游離，重新正常運行等。

不同程度的故障下，保護(hù)動作的執(zhí)行方式有所不同。對于嚴(yán)重的并需要快速閉鎖脈沖或無法正確選擇旁通對的故障，應(yīng)立即閉鎖點火脈沖,斷開交流斷路器（如整流側(cè)橋臂短路或丟失脈沖故障）；對于較為嚴(yán)重的故障,應(yīng)立即移相，以抑制故障電流的發(fā)展，之后閉鎖換流器、跳閘，這類故障包括連續(xù)的換相失敗、直流側(cè)接地故障以及其他原因引起的直流過流。對于輕微故障，例如單次換相失敗、直流諧波略高以及可控硅元件損壞、數(shù)量沒有超過冗余量，系統(tǒng)只給出報警。

4 結(jié)語

結(jié)合直流保護(hù)范圍分區(qū)，本文主要對常規(guī)高壓直流輸電工程中直流保護(hù)的配置及測點設(shè)置進(jìn)行了介紹。相鄰的保護(hù)區(qū)域相互重疊，并且每一保護(hù)區(qū)域配置了多種不同原理的保護(hù)。由于故障類型不同，嚴(yán)重程度不同，各區(qū)域直流保護(hù)的動作策略也不相同，本文介紹了直流保護(hù)閉鎖、隔離、重起等動作策略，有利于盡快清除故障，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行或?qū)υO(shè)備、電網(wǎng)的影響降至最低。

[1]張文亮，周孝信，郭劍波等.±1000kV特高壓直流在我國電網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007,27(28):1～5.

[2]陳錫磊，周浩.向家壩—上海±800kV特高壓直流保護(hù)功能研究[J].華東電力，2011,39(4):0601～0603.

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1671-0711（2016）11（下）-0055-04