特高壓柔性直流輸電閥區(qū)接地故障保護(hù)策略

楊建明 1，甘宗躍 ，董云龍 1，王海軍 ，黃劍湘 ，彭茂蘭

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

柔性直流輸電采用的是可關(guān)斷器件，沒(méi)有常規(guī)直流的換相失敗問(wèn)題，更不存在一個(gè)直流工程換相失敗導(dǎo)致多個(gè)直流工程同時(shí)換相失敗或交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致多個(gè)直流工程同時(shí)換相失敗問(wèn)題［1-2］，極大地提高了包含多個(gè)直流工程電網(wǎng)的穩(wěn)定性［3］。因此柔性直流在配電［4］和輸電領(lǐng)域取得跨越式發(fā)展，比如南澳柔直工程［5］、舟山多端柔性直流輸電工程［6］、廈門(mén)柔直工程［7］、渝鄂背靠背直流工程［8-9］、張北柔性工程［10］。

但是，傳統(tǒng)采用半橋子模塊的柔性直流在直流線路故障和閥區(qū)接地故障時(shí)需要閉鎖換流器并且跳開(kāi)交流斷路器才能實(shí)現(xiàn)故障隔離。如果將全部采用半橋子模塊的換流閥應(yīng)用于特高壓柔性直流，即使配置特高壓直流斷路器使得特高壓柔性直流具備穿越直流線路故障的能力［11-12］，但全部采用半橋子模塊的換流閥仍然無(wú)法產(chǎn)生零壓，不能實(shí)現(xiàn)在線投退換流閥。另外，在閥區(qū)發(fā)生非接地故障時(shí)也必須先跳進(jìn)線斷路器才能合旁通開(kāi)關(guān)BPS，否則合旁通開(kāi)關(guān)BPS會(huì)造成交流系統(tǒng)短路。因此全部采用半橋子模塊的換流閥應(yīng)用于特高壓領(lǐng)域時(shí)還存在一定的弊端。當(dāng)特高壓柔性直流換流閥采用全橋子模塊的數(shù)目達(dá)到一定比例時(shí)，比如70%［13］，則換流閥不僅具備穿越直流線路故障的能力，而且能控零壓實(shí)現(xiàn)在線投退換流閥。本文所做研究不做特別說(shuō)明都是針對(duì)含全橋子模塊的數(shù)目達(dá)到上述要求的特高壓柔性直流。

在特高壓直流輸電領(lǐng)域，雙換流閥串聯(lián)的結(jié)構(gòu)給柔性直流保護(hù)提出了新的要求，閥區(qū)保護(hù)策略尤其是接地故障保護(hù)策略成為特高壓柔性直流工程化必須面對(duì)的新課題。然而，相關(guān)的特高壓柔性直流控制保護(hù)策略研究較少，都集中在特高壓混合多端直流的線路保護(hù)［14］及混合多端的控制策略［15-16］，沒(méi)有涉及特高壓柔性直流閥區(qū)保護(hù)策略特別是閥區(qū)接地故障保護(hù)策略。本文立足于閥區(qū)接地故障，著眼于故障處理、測(cè)量設(shè)備配置、保護(hù)配置及原理，參考南方電網(wǎng)和國(guó)家電網(wǎng)特高壓常規(guī)直流閥區(qū)接地故障的兩種不同的處理路線，分別提出了兩種可工程化的特高壓柔性直流閥區(qū)接地故障保護(hù)策略。

1 閥區(qū)接地故障分區(qū)及處理策略

圖1給出了特高壓柔性直流閥區(qū)典型的接地故障。根據(jù)特高壓柔性直流換流閥的特征，本文將特高壓柔性直流閥區(qū)分為3個(gè)子區(qū)域：第一區(qū)域包括交流連接線和上、下橋臂之間的部分；第二區(qū)域包括換流閥與換流閥隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4之間的部分；第三區(qū)域包括換流閥隔離刀閘Q1、Q4與直流母線之間的部分和換流閥隔離刀閘Q2、Q3之間的部分。

1.1 第一區(qū)域接地故障

全橋子模塊在可關(guān)斷器件關(guān)斷后，因?yàn)槔m(xù)流二極管的單向?qū)щ娦?，電流都是從電容的正極性一側(cè)流入、負(fù)極性一側(cè)流出，所以關(guān)斷可關(guān)斷器件能使電容立即工作于充電狀態(tài)。直流故障發(fā)生時(shí)，工作于充電狀態(tài)的電容能使故障回路的電流很快熄滅。

圖1中的F1、F2故障在高壓換流閥閉鎖、故障電流熄滅后，故障點(diǎn)與其它連接線、設(shè)備沒(méi)有回路，因此不影響低壓換流閥的運(yùn)行及換流閥隔離刀閘Q1、Q2的操作。只要故障電流被熄滅和旁路刀閘處于合位，即使Q1、Q2還未分開(kāi)，低壓換流閥就可以恢復(fù)送電。同理，低壓換流閥的F12、F13故障也能通過(guò)閉鎖低壓換流閥被隔離。

1.2 第二區(qū)域接地故障

根據(jù)圖1容易得出，分隔離刀閘Q1、Q2可以隔離第二區(qū)域的故障包括F3、F4、F5、F6、F7；分隔離刀閘Q3、Q4可以隔離第二區(qū)域的故障F10、F11、F14、F15、F16故障。

1.3 第三區(qū)域接地故障

第三區(qū)域的接地故障包括F8、F9、F17，這些故障既不能通過(guò)閉鎖換流閥被隔離，也不能通過(guò)分隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4被隔離，所以當(dāng)這些故障發(fā)生時(shí)，只能閉鎖極。

1.4 接地故障處理策略

特高壓常規(guī)直流閥區(qū)接地故障處理策略有兩種：

第一種是任何一個(gè)換流閥發(fā)生接地故障直接閉鎖極，這種策略只在極母線和極中性母線的換流閥側(cè)配置電流測(cè)量設(shè)備。

第二種當(dāng)閥廳套管及內(nèi)部發(fā)生接地故障時(shí)，故障閥閉鎖，非故障閥配合移相，并與極隔離、極連接配合［17］。當(dāng)故障閥的隔離刀閘拉開(kāi)以后（圖1中的Q1、Q2、Q3、Q4），非故障閥再恢復(fù)功率運(yùn)行。這種策略要求每個(gè)換流閥的出線端和進(jìn)線端都配置電流測(cè)量設(shè)備。

綜合上述分析，推薦以下兩種特高壓柔性直流閥區(qū)接地故障處理策略：

第一種：保護(hù)檢測(cè)到圖1中的F1、F2、F12、F13故障后閉鎖換流閥；檢測(cè)到其它任意接地故障閉鎖極。

第二種：保護(hù)檢測(cè)到圖1中隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4閥側(cè)F1、F2、F12、F13、F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11、F14、F15、F16任意一個(gè)故障后閉鎖換流閥，檢測(cè)到F8、F9、F17閉鎖極。

2 第一種處理策略的測(cè)量設(shè)備及保護(hù)

2.1 閥區(qū)測(cè)量設(shè)備配置

實(shí)現(xiàn)圖1中F1、F2、F12、F13故障時(shí)采取閉鎖換流閥策略的前提是配置相應(yīng)的電流測(cè)量設(shè)備精準(zhǔn)定位這些區(qū)域的故障，按照目前柔性直流工程標(biāo)準(zhǔn)只要配置橋臂電流測(cè)量設(shè)備和交流連接線測(cè)量設(shè)備就能滿足此要求。

F8、F9、F17故障只能采取閉鎖極的策略，在配置測(cè)量設(shè)備時(shí)，需要有閉鎖極的主保護(hù)覆蓋這些區(qū)域。

故障F3、F4、F5、F6、F7（F10、F11、F14、F15、F16）采取閉鎖極的策略時(shí)，可以借鑒高壓常規(guī)直流閥區(qū)接地故障的測(cè)量設(shè)備配置方法，在極母線和極中性母線的換流閥側(cè)配置電流測(cè)量設(shè)備；而在圖1故障F9的位置增加一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備作為高、低壓換流閥中壓側(cè)橋臂電抗器差動(dòng)保護(hù)的公用測(cè)量設(shè)備；另外為了檢測(cè)旁通開(kāi)關(guān)支路電流和計(jì)算換流閥的電流，需要在旁通開(kāi)關(guān)支路增加電流測(cè)量設(shè)備，南方電網(wǎng)的烏東德特高壓混合直流工程的柔直站就是采用了這種電流測(cè)量設(shè)備配置，具體如圖2所示。

2.2 接地故障保護(hù)配置

根據(jù)柔性直流相關(guān)規(guī)范［18-19］和圖2所示的測(cè)量設(shè)備配置，特高壓柔性直流閥區(qū)接地故障保護(hù)第一種配置方法如下：

圖2 特高壓柔性直流閥區(qū)測(cè)量設(shè)備配置1Fig.2 First valve area measurement configuration method of UHV flexible DC transmission

1）交流連接母線差動(dòng)保護(hù)：分相差動(dòng)，檢測(cè)換流器與換流變壓器之間的故障，保護(hù)動(dòng)作后閉鎖換流閥。判據(jù)如式（1）所示，其中X代表交流A、B、C三相，Iset1代表定值。

2）橋臂差動(dòng)保護(hù)：分相差動(dòng)，檢測(cè)換流閥橋臂的接地故障，保護(hù)動(dòng)作后閉鎖換流閥。判據(jù)如式（2）所示，其中Iset2代表定值。

3）橋臂電抗器差動(dòng)保護(hù)：檢測(cè)橋臂電抗器及相連母線的接地故障，保護(hù)動(dòng)作后閉鎖極。判據(jù)如式（3）所示。

4）直流差動(dòng)保護(hù)：檢測(cè)高、低換流閥區(qū)域所有的接地故障，保護(hù)動(dòng)作后閉鎖極，判據(jù)如下。

3 第二種處理策略的測(cè)量設(shè)備及保護(hù)

3.1 閥區(qū)測(cè)量設(shè)備配置

國(guó)網(wǎng)特高壓常規(guī)直流工程只能對(duì)圖1中F1、F2、F3、F12、F13、F14接地故障執(zhí)行閉鎖換流閥的策略，而對(duì)于F4、F5、F6、F7（F10、F11、F15、F16）仍然采取閉鎖極的策略，這是因?yàn)樽R(shí)別換流閥接地故障的電流測(cè)量設(shè)備配置在閥廳的出線端和進(jìn)線端。這樣的配置不能最大范圍地避免極閉鎖。因此，推薦將特高壓柔性直流識(shí)別換流閥接地故障的電流測(cè)量設(shè)備配置在隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4換流閥側(cè)，另外增加旁通開(kāi)關(guān)支路的電流測(cè)量設(shè)備，取消特高壓常規(guī)直流的IdN測(cè)量設(shè)備。綜上所述，本文提出的特高壓柔性直流閥區(qū)第二種電流測(cè)量設(shè)備配置如圖3所示。

圖3 特高壓柔性直流閥區(qū)測(cè)量設(shè)備配置2Fig.3 Second valve area measurement configuration method of UHV flexible DC transmission

3.2 接地故障保護(hù)配置

根據(jù)柔性直流相關(guān)規(guī)范［18-19］和圖3所示的測(cè)量設(shè)備配置，特高壓柔性直流閥區(qū)接地故障保護(hù)第二種配置方法如下：

1）交流連接母線差動(dòng)保護(hù)：與第一種配置方法相同。

2）橋臂差動(dòng)保護(hù)：與第一種配置方法相同。

3）橋臂電抗器差動(dòng)保護(hù)：檢測(cè)橋臂電抗器及相連母線的接地故障，保護(hù)動(dòng)作后閉鎖換流閥，判據(jù)如式（5）所示。

4）高、低閥連接線差動(dòng)保護(hù)：檢測(cè)圖1所示的F9接地故障，僅雙閥運(yùn)行時(shí)投入，保護(hù)動(dòng)作后閉鎖極，判據(jù)如下。

5）極母線差動(dòng)保護(hù)：檢測(cè)圖1所示F8接地故障，保護(hù)動(dòng)作后閉鎖極，判據(jù)如下。

6）極中性母線差動(dòng)保護(hù)：檢測(cè)圖1所示F17接地故障，保護(hù)動(dòng)作后閉鎖極，判據(jù)如下。

4 保護(hù)的靈敏度分析

故障點(diǎn)的位置決定了保護(hù)的靈敏度，下文分別對(duì)第1節(jié)所述的3個(gè)子區(qū)域的故障點(diǎn)進(jìn)行分析。

4.1 第一區(qū)域接地故障保護(hù)的靈敏度分析

特高壓柔性直流高壓換流閥換流變閥側(cè)在正常運(yùn)行時(shí)對(duì)地電壓是600 kV的直流電壓和閥側(cè)交流電壓的組合，而低壓換流閥對(duì)地電壓是200 kV的直流電壓和閥側(cè)交流電壓的組合，所以圖1中F1、F2、F12、F13故障能產(chǎn)生很大故障電流，保護(hù)的靈敏性很高。

4.2 第二區(qū)域接地故障保護(hù)的靈敏度分析

在單極運(yùn)行時(shí)，極中性母線處的電壓會(huì)因?yàn)槿氲仉娏骱徒拥貥O線路電阻而抬高至幾十千伏，圖1所示的F14、F15、F16故障會(huì)產(chǎn)生較大的直流電流，能滿足保護(hù)靈敏性的要求。F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11故障點(diǎn)的正常運(yùn)行電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于極中性母線處的電壓，因此保護(hù)也沒(méi)有靈敏性問(wèn)題。

在雙極都雙換流閥運(yùn)行時(shí)，極母線電壓是800 kV、而高、低換流閥連接線區(qū)電壓是400 kV，因此故障點(diǎn)F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11產(chǎn)生的故障電流足以保證保護(hù)的靈敏性。極中性母線處電壓等于地電位，橋臂電抗器外側(cè)的F15、F16接地故障點(diǎn)電壓與地電位的電壓差等于極中性母線電抗器的電壓，流過(guò)橋臂電抗器和極中性母線電抗器的直流電流在電抗器兩端不能產(chǎn)生電壓差，所以故障點(diǎn)幾乎沒(méi)有直流分量的電流，而且三相橋臂電抗器對(duì)稱，故障點(diǎn)也沒(méi)有交流分量。故障點(diǎn)沒(méi)有故障電流導(dǎo)致保護(hù)失去靈敏性，但是對(duì)設(shè)備沒(méi)有危害，直流系統(tǒng)仍然繼續(xù)運(yùn)行，可以不用考慮保護(hù)靈敏性問(wèn)題。同理，在雙極都高換流閥運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)5、F7也不用考慮保護(hù)靈敏性問(wèn)題。極中性母線側(cè)橋臂電抗器與換流閥之間的接地故障點(diǎn)F14與地電位的電壓差等于橋臂電抗器和極中性母線電抗器的電壓之和，雖然流過(guò)橋臂電抗器和極中性母線電抗器的直流分量在故障點(diǎn)產(chǎn)生不了直流電流，但是三相橋臂電抗器不對(duì)稱會(huì)產(chǎn)生交流分量［20］，如圖4所示。

圖4 雙極平衡運(yùn)行時(shí)F14故障波形Fig.4 Waves of fault F14 under bipolar balance mode

圖4顯示在直流電流2 000 A運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)14故障導(dǎo)致IdH、IdN之間出現(xiàn)峰值150 A左右的電流差值。表1給出了按照現(xiàn)有保護(hù)整定標(biāo)準(zhǔn)整定的某工程直流差動(dòng)保護(hù)定值，在直流電流2 000 A的工況下，直流差動(dòng)保護(hù)I段的定值將大于1 000 A、II段定值大于400 A，因此直流差動(dòng)保護(hù)檢測(cè)不了F14故障。而F14包含了橋臂電抗器安裝在戶外的特高壓柔性直流輸電系統(tǒng)閥廳穿墻套管接地故障，所以必須解決直流差動(dòng)保護(hù)靈敏性不夠的問(wèn)題。另外，雙極都只有高閥運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)3與上述的F14類似。

表1 直流差動(dòng)保護(hù)定值Table 1 DC differential protection settings

表1中p.u.表示標(biāo)幺值。

4.3 第三區(qū)域接地故障保護(hù)的靈敏度分析

第三區(qū)域F8的電壓始終接近于直流極母線的電壓，在故障發(fā)生后能產(chǎn)生很大的故障電流，相關(guān)的保護(hù)靈敏度很高。而F9的故障特征與第二區(qū)域的F5、F7相同，F(xiàn)17的故障特征與第二區(qū)域的F15、F16相同。

5 諧波差動(dòng)保護(hù)

根據(jù)以上的分析，雙極平衡運(yùn)行工況下，只有高換流閥運(yùn)行時(shí)的接地故障F3和有低閥運(yùn)行時(shí)的接地故障F14產(chǎn)生的接地故障電流非常小，直流差動(dòng)保護(hù)（第一種配置）和橋臂電抗器差動(dòng)保護(hù)（第二種配置）存在靈敏度不足的問(wèn)題。下文提出諧波差動(dòng)保護(hù)解決此問(wèn)題。

5.1 故障電流特性

當(dāng)F3或F14故障發(fā)生時(shí)，三相對(duì)稱的MMC拓?fù)淇傻刃闊o(wú)故障的橋臂電抗器參數(shù)不對(duì)稱的MMC拓?fù)?，其故障點(diǎn)的電流等于橋臂電抗器參數(shù)不對(duì)稱的MMC拓?fù)淙嘀g的交流環(huán)流，如圖5所示。

圖5 F3或F14故障時(shí)的等效電路Fig.5 Equivalent circuit while fault F3 or F14 happens

其中，A相上橋臂電抗、B相上橋臂電抗、C相上橋臂電抗與故障前一致，分別為L(zhǎng)pa、Lpb、Lpc，A相下橋臂電抗等于0，而B(niǎo)相下橋臂電抗、C相下橋臂電抗可按式（11）計(jì)算。

文獻(xiàn)［20］指出橋臂參數(shù)不對(duì)稱的MMC拓?fù)湓诓捎脤?duì)稱MMC拓?fù)涞目刂撇呗詴r(shí)交流環(huán)流中會(huì)出現(xiàn)與交流連接線的電流成比例的基頻分量并給出了相關(guān)的計(jì)算公式。忽略換流閥的損耗并根據(jù)交流側(cè)和直流側(cè)功率相等的條件不難得出在交流電壓和直流電壓都不變的前提下，環(huán)流中的基頻分量與直流側(cè)電壓也成比例關(guān)系。

本文按照表2所示的參數(shù)構(gòu)建額定電壓800 kV、額定電流3 150 A特高壓柔性直流RTDS仿真系統(tǒng)，分別在直流電流500 A、1 000 A、2 000 A、3 000 A的工況下模擬了極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障F14（只有高換流閥運(yùn)行時(shí)的故障F3與此類似），其故障電流如表3所示。

表2 仿真系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)Table 2 The key device parameters of simulation system

表3 接地故障F14電流特性Table 3 The current characteristic of ground fault F14

表3中換流器高端電流和換流器低端電流以DC結(jié)尾的數(shù)值表示直流分量、以AC結(jié)尾的數(shù)值表示交流分量有效值，接地故障點(diǎn)的電流以有效值給出。其中數(shù)據(jù)驗(yàn)證了極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障電流特性如下：

1）換流器高端電流和換流器低端電流都包含直流分量和交流分量，兩者差流直流分量占比很小、交流分量占絕對(duì)主導(dǎo)地位。

2）接地故障點(diǎn)電流有效值與運(yùn)行的直流電流大約成正比關(guān)系，每500 A的直流運(yùn)行電流能產(chǎn)生有效值約25 A的接地故障電流。

5.2 諧波差動(dòng)保護(hù)原理

1）直流諧波差動(dòng)保護(hù)

根據(jù)圖4所示的故障波形和5.1節(jié)的表3仿真數(shù)據(jù)，在第一種保護(hù)配置中增加直流諧波差動(dòng)保護(hù)。為了提高保護(hù)的靈敏性，計(jì)算差流時(shí)考慮了直流分量及其他次諧波分量，即計(jì)算差流的綜合有效值。

式（12）中，Idifn表示Idif的第n次諧波分量；Rms表示綜合有效值計(jì)算；Icdqd表示差動(dòng)啟動(dòng)電流；Kres表示比率系數(shù)；Max表示取最大值。

2）橋臂電抗器諧波差動(dòng)保護(hù)

在第二種保護(hù)配置中，增加橋臂電抗器諧波差動(dòng)保護(hù)，判據(jù)如式（13）所示：

式（13）中，Idifn表示Idif的第n次諧波分量；Rms表示綜合有效值計(jì)算；Icdqd表示差動(dòng)啟動(dòng)電流；Kres表示比率系數(shù)；Max表示取最大值。

5.3 諧波差動(dòng)保護(hù)整定

1）Kres

考慮躲過(guò)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，兩測(cè)量回路產(chǎn)生的最大不平衡電流，假設(shè)測(cè)量精度IdH、IdN按1%計(jì)算，則測(cè)量回路產(chǎn)生的最大不平衡比率電流為0.02，Kres應(yīng)大于0.02；同時(shí)應(yīng)小于故障電流有效值與運(yùn)行直流電流的比值，即25 A/500 A=0.05。

2）Icdqd

起動(dòng)電流應(yīng)小于最小電流運(yùn)行工況下的故障電流減去比率部分的定值，以表2中的500 A電流運(yùn)行工況為例：

假設(shè)Kres取0.03，則Icdqd應(yīng)小于10.5 A；另外，Icdqd應(yīng)大于最小電流運(yùn)行工況下IdH、IdN差值的穩(wěn)態(tài)不平衡電流。

3）動(dòng)作時(shí)間

因?yàn)闃O中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障電流較小，在故障不繼續(xù)發(fā)展的前提下，直流系統(tǒng)仍然能維持正常運(yùn)行，所以按大于整個(gè)特高壓多端直流輸電系統(tǒng)所有保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間整定，作為后備保護(hù)。

5.4 仿真波形

本文按Kres=0.03、Icdqd=5 A、最小運(yùn)行電流500 A給出了按第5.3節(jié)所述的整定原則整定的諧波差動(dòng)保護(hù)定值與運(yùn)行直流電流的關(guān)系如圖6所示。

圖6 直流諧波保護(hù)定值Fig.6 Settings of DC harmonic differential protection

圖7、圖8分別給出了在雙極額定電流3 125 A、最小運(yùn)行電流500 A的工況下模擬極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障時(shí)諧波差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作波形。在額定運(yùn)行電流和最小運(yùn)行電流工況下，所提出的諧波差動(dòng)保護(hù)都能準(zhǔn)確地檢測(cè)故障，證明了所提出諧波差動(dòng)保護(hù)原理和定值整定原則的正確性。諧波差動(dòng)保護(hù)的提出彌補(bǔ)了雙極平衡運(yùn)行方式下極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障原有保護(hù)靈敏性不足的缺陷。

圖7 額定電流時(shí)直流諧波差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作波形Fig.7 Trip waves of DC harmonic differential protection under rated condition

圖8 最小運(yùn)行電流時(shí)直流諧波差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作波形Fig.8 Trip waves of DC harmonic differential protection under minimum current condition

6 兩種處理策略的分析及對(duì)比

第一種處理策略和保護(hù)配置方案有以下幾個(gè)特征：首先，交流連接線差動(dòng)保護(hù)和橋臂差動(dòng)保護(hù)檢測(cè)第一區(qū)域的接地故障，動(dòng)作后只閉鎖換流閥；直流差動(dòng)保護(hù)檢測(cè)第二區(qū)域和第三區(qū)域的接地故障，動(dòng)作后閉鎖極。直流差動(dòng)保護(hù)不僅檢測(cè)第二、三區(qū)域的接地故障，而且還能檢測(cè)第一區(qū)域的接地故障，因此實(shí)現(xiàn)第一區(qū)域接地故障只閉鎖換流閥的前提是交流連接線差動(dòng)保護(hù)和橋臂差動(dòng)保護(hù)的靈敏性比直流差動(dòng)保護(hù)的靈敏性高，動(dòng)作時(shí)間比直流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間短。其次，第二區(qū)域的接地故障閉鎖極，永久損失整個(gè)極的功率。第三，電流測(cè)量設(shè)備數(shù)量比第二種處理策略少一個(gè)。第四，極區(qū)的極母線差動(dòng)保護(hù)和極中性母線差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

第二種處理策略和保護(hù)配置方案的特征有：首先，交流連接線差動(dòng)保護(hù)和橋臂差動(dòng)保護(hù)檢測(cè)第一區(qū)域的接地故障，橋臂電抗器差動(dòng)保護(hù)檢測(cè)第二區(qū)域的故障，極母線差動(dòng)保護(hù)、換流閥連接線差動(dòng)保護(hù)、極中性母線差動(dòng)保護(hù)檢測(cè)第三區(qū)域的故障，保護(hù)區(qū)域相互之間沒(méi)有重疊，不需要考慮相互之間的配合。其次，第二區(qū)域的接地故障只閉鎖換流閥，永久損失的功率只有第一種配置策略的一半，但是分換流閥隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4需要幾十秒的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)非故障換流閥處于解鎖但是移相的狀態(tài)，不傳輸功率，因此需要考慮電網(wǎng)系統(tǒng)的承受能力和安穩(wěn)的配合。第三，電流測(cè)量設(shè)備比第一種方案多一個(gè)。第四，極母線差動(dòng)保護(hù)和極中性母線差動(dòng)保護(hù)需要根據(jù)運(yùn)行換流閥的數(shù)量等情況進(jìn)行電流測(cè)量設(shè)備的切換。

綜合上述分析，給出兩種處理策略的性能對(duì)比如表4所示。

表4 兩種故障處理對(duì)比Table 4 Comparison of the two fault clear strategies

接地故障保護(hù)之間的配合可以在第一區(qū)域配置百微秒級(jí)別的超高速接地保護(hù)，而在第二、三區(qū)域配置毫秒級(jí)別的接地保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；測(cè)量設(shè)備的數(shù)量只相差一個(gè)，成本僅相差幾十萬(wàn)元；而第三區(qū)域保護(hù)測(cè)量設(shè)備的切換可以根據(jù)換流閥隔離刀閘的位置來(lái)選擇，這在目前的直流工程中應(yīng)用非常廣泛。上述3種情況對(duì)兩種處理策略的選擇影響較小，因此兩種處理策略都能應(yīng)用于工程實(shí)際。其中，第一種處理策略與南方電網(wǎng)特高壓常規(guī)直流閥區(qū)接地故障處理策略類似，烏東德特高壓多端混合直流工程柔直換流站就是采用了第一種處理策略；而第二種處理策略與國(guó)家電網(wǎng)特高壓常規(guī)直流閥區(qū)接地故障處理策略類似，即某一閥組接地故障發(fā)生后先閉鎖極，然后在極隔離之后會(huì)重新極連接并重啟非故障閥組，所以第二種處理策略可供國(guó)家電網(wǎng)后續(xù)的特高壓柔性直流工程建設(shè)參考。

7 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)換流閥接地故障處理策略的不同，將特高壓柔性直流輸電閥區(qū)分為3個(gè)區(qū)域。閉鎖換流閥可以隔離第一區(qū)域的接地故障，并且不影響另外一個(gè)換流閥的運(yùn)行，因此本文推薦特高壓柔性直流輸電在第一區(qū)域發(fā)生接地故障時(shí)只閉鎖故障換流閥。

當(dāng)?shù)诙?、三區(qū)域的接地故障都閉鎖極時(shí)，利用極母線和極中性母線閥側(cè)的電流測(cè)量設(shè)備配置直流差動(dòng)保護(hù)就能檢測(cè)所有閥區(qū)的接地故障。針對(duì)直流差動(dòng)保護(hù)在極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障時(shí)存在靈敏性不夠的問(wèn)題，增加直流諧波差動(dòng)保護(hù)。

當(dāng)?shù)诙^(qū)域的接地故障只閉鎖換流閥、第三區(qū)域的故障閉鎖極時(shí)，文中提出了在每一個(gè)換流閥隔離開(kāi)關(guān)的換流閥側(cè)配置電流測(cè)量單元的方法，并配置橋臂電抗器差動(dòng)保護(hù)、換流閥連接線保護(hù)、極中性母線差動(dòng)保護(hù)、極母線差動(dòng)保護(hù)識(shí)別不同區(qū)域的故障。針對(duì)橋臂電抗器差動(dòng)保護(hù)在極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障時(shí)存在靈敏性不夠的問(wèn)題，增加橋臂電抗器諧波差動(dòng)保護(hù)。

最后，仿真驗(yàn)證了所提出的直流諧波差動(dòng)保護(hù)和橋臂電抗器諧波差動(dòng)保護(hù)的靈敏性。這兩種諧波差動(dòng)能可靠檢測(cè)橋臂電抗器安裝在戶外的特高壓柔性直流輸電系統(tǒng)的閥廳穿墻套管接地故障，避免穿墻套管長(zhǎng)時(shí)間帶小接地電流運(yùn)行和接地故障的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)保證設(shè)備安全有著重要的意義。另外，比較了兩種處理策略的優(yōu)缺點(diǎn)及選擇處理策略時(shí)應(yīng)考慮的因素，為以后特高壓柔性直流工程的設(shè)計(jì)提供參考。