高壓直流輸電系統(tǒng)的繼電保護(hù)策略研究

邵 增，孫穎慧，王怡雯，于 祥

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300000）

1 概述

高壓直流輸電系統(tǒng)由于其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的特殊優(yōu)越性，在中國遠(yuǎn)距離大容量輸電系統(tǒng)和大區(qū)網(wǎng)絡(luò)中的使用非常普遍，高壓直流輸電繼電保護(hù)系統(tǒng)是由高壓直流繼電保護(hù)技術(shù)和各種高壓直流繼電保護(hù)裝置組成，涵蓋高壓輸電直流繼電保護(hù)的設(shè)計、配置、整定、調(diào)試等相關(guān)技術(shù)，包含測量、通信、動作等具體的設(shè)備。直流輸電系統(tǒng)的故障和非正常操作會引起一系列的嚴(yán)重后果，最直接的影響就是對電氣設(shè)備產(chǎn)生了不可逆的傷害，甚至有可能造成了直流系統(tǒng)單極或雙極閉鎖事件，因此，繼電保護(hù)策略在直流輸電系統(tǒng)中起著重要的作用[1]。

2 高壓直流電系統(tǒng)繼電保護(hù)的作用和任務(wù)

在高壓直流輸電系統(tǒng)中運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動、快速地把故障的機(jī)械設(shè)備從控制系統(tǒng)中分離開來，從而最大限度地減少了對非故障機(jī)械設(shè)備的影響，減小了故障范圍，完成這一任務(wù)的裝置稱作繼電保護(hù)裝置。高壓直流輸電系統(tǒng)繼電保護(hù)的主要任務(wù)如下。

（1）及時、精確地檢查直流電力輸送控制系統(tǒng)的各種設(shè)備故障型，并自動、迅速、有選擇性地把所有設(shè)備故障部件從直流電力輸送控制系統(tǒng)中移除，使設(shè)備故障元件避免進(jìn)一步受到損害，并確保其無故障部分盡快恢復(fù)正常工作。

（2）反應(yīng)了直流輸電系統(tǒng)的不正常工作狀況。監(jiān)測到直流輸電系統(tǒng)不能正常工作后，按照運(yùn)行的保護(hù)要求而動作并發(fā)出信號、減負(fù)載或跳閘切斷電路等。繼電保護(hù)系統(tǒng)通常不需要馬上動作，而是按照對故障系統(tǒng)產(chǎn)生的危險程度規(guī)定了相應(yīng)的延時措施，以防止因短暫干擾而引起的誤動作。

3 高壓直流輸電系統(tǒng)的常見繼電保護(hù)策略

3.1 換流區(qū)的保護(hù)

換流器區(qū)在直流輸電系統(tǒng)工程中，具有由交流轉(zhuǎn)換直流、直流轉(zhuǎn)換交流的樞紐點功能，是直流系統(tǒng)電力輸送控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件。換流器區(qū)的主要出現(xiàn)故障問題原因有以下4 種。

（1）逆變器的換向設(shè)備故障問題。

（2）換流器的主線切換電源間短接設(shè)備故障問題，以及換流器的交換側(cè)與直流輸出側(cè)各個接地端子間短路設(shè)備故障問題、換流器的載流元件及接地端子間對地短接等。

（3）換流閥自然本體及系統(tǒng)的設(shè)備故障問題。

（4）由區(qū)內(nèi)、區(qū)外設(shè)備故障或不正常工作狀態(tài)所引起的換流器過電壓水平、過電流。

根據(jù)不同的故障使用了不同的原理，具體包括差動保護(hù)組、諧波電流傳動保護(hù)組、觸發(fā)保護(hù)組、電流保護(hù)組、電流保護(hù)組、換流閥及本體保護(hù)組等。一種保護(hù)類型一般可以保護(hù)多種故障，針對一種故障的保護(hù)也可以由多種保護(hù)類型來完成[2]。

3.2 直流母線區(qū)的保護(hù)

直流母線區(qū)由高壓直流母線與中性母線組成，是換流器與直流線路、換流器與接地極以及導(dǎo)線之間的重要銜接部分。直流母線區(qū)的主要故障種類包括：高壓直流母線區(qū)對地的短路、高壓直流母線對中性直流母線短路、中性直流母線對地短路等。在發(fā)生故障后，由于故障通道的引入，直流系統(tǒng)的等效電路以及相關(guān)電氣量的變化規(guī)律與正常運(yùn)行時有很大差異。如不及時采取有效措施，有可能造成相關(guān)設(shè)備的損壞，并導(dǎo)致事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。對直流母線區(qū)的各種類型進(jìn)行分析，明確各種故障的機(jī)理以及故障特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的保護(hù)、配置和參數(shù)整定，是直流輸電系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行的重要保障。常見的直流母線區(qū)保護(hù)措施包括以下3 種。

（1）高壓直流母線的差動機(jī)構(gòu)保護(hù)措施，主要用于保證高壓直流母線對地和對中性直流母線的短路故障。

（2）中性直流母線差動保護(hù)器，用于防護(hù)中性直流母線的對地短路故障。

（3）直流后備差動保護(hù)，同時對直流母線區(qū)的故障和換流器區(qū)接地故障進(jìn)行保護(hù)，一般作為兩個區(qū)域接地故障的總后備保護(hù)。

3.3 直流輸電線路的保護(hù)

直流輸電線路也是整個直流輸電體系功率傳遞的主要路徑。由于直流系統(tǒng)輸電線路距離較遠(yuǎn)，所跨區(qū)域的地形、天氣環(huán)境等復(fù)雜多變，因此出現(xiàn)故障問題的概率也較大。據(jù)實際運(yùn)營情況統(tǒng)計表明，直流系統(tǒng)輸電線路故障問題數(shù)量大約占全部直流輸出系統(tǒng)故障總數(shù)的50%以上，是整個直流輸出體系中最主要的故障問題類別。而直流系統(tǒng)輸電線路在實際運(yùn)營的過程中，可能出現(xiàn)的故障問題主要有極線開路（斷線）、極對地短路問題、極線間短路問題等。若直流輸出線路跨越交流線路，還可能發(fā)生交直流導(dǎo)線接觸碰線的故障問題。直流輸電線路防護(hù)體系主要有行波防護(hù)、微分欠壓防護(hù)（低電壓防護(hù)）、直流運(yùn)輸線路縱差防護(hù)和直流輸出運(yùn)輸線路橫差防護(hù)等。直流輸出運(yùn)輸線路行波防護(hù)作為直流輸電線路的主要保護(hù)措施，對直流輸出運(yùn)輸線路上的故障問題產(chǎn)生了最迅速反應(yīng)；而微分欠壓防護(hù)則是行波防護(hù)的主要后備保護(hù)措施，在行波防護(hù)推出并運(yùn)行時，將微分欠壓防護(hù)作為直流輸電線路的主要保護(hù)措施投入工作；直流輸出運(yùn)輸線路縱差防護(hù)則作為行波防護(hù)和微分欠壓防護(hù)的后備保護(hù)措施而設(shè)置，主要用來檢查出現(xiàn)在輸電纜保護(hù)路上的高阻或接地故障，在行波防護(hù)和微分欠壓防護(hù)拒動時，縱差防護(hù)動作可以有效消除該線故障問題，避免故障范圍擴(kuò)大。

3.4 接地極線路區(qū)的保護(hù)

接地極線路主要作用是：①直流提供回路通道。②直流系統(tǒng)提供參考電位。接地極線路區(qū)與直流母線區(qū)以及電流互感器為界，主要設(shè)備包括接地極、接地極引線、接地極母線、站內(nèi)接地網(wǎng)及單極金屬回線運(yùn)行方式下的金屬回線，以及各種連接開關(guān)等。主要的故障種類分為接地極母線區(qū)故障、接地極引線短路電流故障、金屬回線短接故障、以及接地極線區(qū)內(nèi)的過電壓問題等，在接地極線區(qū)內(nèi)維護(hù)方式主要分為接地極母線差流維護(hù)、接地極輸出電壓不均衡維護(hù)、接地極過電壓維護(hù)、站內(nèi)接地網(wǎng)過電壓維護(hù)、接地系統(tǒng)維護(hù)、金屬回線縱線差保護(hù)、金屬回線接地保護(hù)、接地阻抗監(jiān)視等。

3.5 換流變壓器的保護(hù)

換流變壓器是直流輸電項目工程中的重要核心部件，連接于交流母線與換流器之間，為換流器的正常工作提供交流電源，與換流器合作實現(xiàn)電能由交流到直流的轉(zhuǎn)換。我國現(xiàn)有的高壓直流輸電系統(tǒng)中采用的換流變壓器屬大型電力變壓器，一般為單相三繞組或者單相雙繞組的自耦變壓器結(jié)構(gòu)。主要故障問題有以下6 種。

（1）換流變壓器內(nèi)繞組匝與層之間的短路保護(hù)故障問題。

（2）換流變壓器內(nèi)繞組溫度接地保護(hù)故障問題。

（3）換流變壓器外網(wǎng)側(cè)的接地保護(hù)短路問題。

（4）換流變壓器閥側(cè)的交流連線相接故障問題。

（5）換流變壓器引線相接故障問題。

（6）換流變壓器引線相間故障問題。

3.6 交、直流濾波器的保護(hù)

換流器在進(jìn)行交、直流變換的同時會在直流側(cè)和交流側(cè)產(chǎn)生大量諧波，既包括理想條件下由換流器固有屬性引起的特征諧波，也包括非理想條件下由濾波器參數(shù)不對稱、換流變壓器飽和等因素產(chǎn)生的非特征諧波。這種諧波信號，不僅會對整個電力系統(tǒng)的設(shè)備安全和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平穩(wěn)進(jìn)行造成危害，還可能對周圍的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。高壓直流電力輸送控制系統(tǒng)中，一般采用安裝在交換配電母線上的交換過濾器，和安裝在直流電壓配電母線上的直流濾波器，用來控制流入交、直流電壓控制系統(tǒng)中的諧波頻率電流，將其控制在允許范圍之內(nèi)。由電阻、電容、電感器件組成的傳統(tǒng)無濾波器是目前直流輸電系統(tǒng)主要采用的交流濾波器形式，極少數(shù)的直流輸電系統(tǒng)也部分采用了有源濾波器。濾波器一旦發(fā)生故障，如不及時進(jìn)行故障隔離，不但會威脅到組成器件本身的安全，甚至還可能進(jìn)一步造成故障擴(kuò)大，引發(fā)直流系統(tǒng)的故障停運(yùn)。因此，必須設(shè)計可靠、快速、靈敏且有選擇性的交、直流濾波器保護(hù)，以保證設(shè)備和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。直流濾波器故障會造成電容元件損壞、系統(tǒng)短路故障。交流濾波器發(fā)生故障后，若不及時進(jìn)行故障清除或隔離，除了會造成濾波器組成器件及換流站其他一次設(shè)備的損壞，造成直流系統(tǒng)不必要的停運(yùn)。

3.7 高速開關(guān)的保護(hù)

直流高速開關(guān)的作用是將直流電流快速地從一個電流通路轉(zhuǎn)換到另一個通路，以實現(xiàn)直流系統(tǒng)運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換，隔離故障電路，保護(hù)相關(guān)設(shè)備的安全，保證系統(tǒng)健全部分繼續(xù)運(yùn)行。在高壓直流系統(tǒng)中，最常見的高速直流系統(tǒng)控制開關(guān)主要有高速中性母線保護(hù)控制開關(guān)、高速接地保護(hù)控制開關(guān)、金屬回路切換控制開關(guān)、金屬回流控制開關(guān)等4 種型。其中，高速中性母線保護(hù)開關(guān)設(shè)置在直流中性母線保護(hù)的靠近接地保護(hù)線路一側(cè)，用于將停運(yùn)極的中性直流母線與運(yùn)行極相隔離，以保證正常運(yùn)行極能夠繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。一方面方便故障極的故障排除，另一方面盡量減少故障極對非故障極的干擾。金屬回路開關(guān)又叫大地回路轉(zhuǎn)換開關(guān)，設(shè)在極一和極二之間的公共中性線上，用于把電壓由單極金屬線電路轉(zhuǎn)移至單極大地電路。金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)置于極一和極二之間的公共接地極母線上，用于將電流由單極大地電路轉(zhuǎn)移至單極的金屬線電路。高速接地開關(guān)安裝于極一、極二的公共接地極母線和站內(nèi)接地網(wǎng)之間。針對高壓直流一次電流沒有自然過零點的特點，直流高速開關(guān)通過在傳統(tǒng)交流斷路器上加裝輔助回路，產(chǎn)生諧振過零時電流，使電壓過零時才能有效滅弧。直流系統(tǒng)中常用的直流高速開關(guān)有帶無源輔助回路和帶有源輔助回路兩種類型[3]。

4 結(jié)語

高壓直流輸電系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置的存在是必不可少的，繼電保護(hù)系統(tǒng)裝備的安全性與平穩(wěn)運(yùn)行將影響到整個輸電系統(tǒng)，乃至整個電力系統(tǒng)，每個環(huán)節(jié)的故障或者非正常運(yùn)行都會導(dǎo)致不可逆的損壞，因此，針對不同的環(huán)節(jié)和硬件應(yīng)采取不同的繼電保護(hù)策略，快速、有效地保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。