胡勇，粟小華，李懷強，程逍，呂鵬飛，盧宇，張健康，霍超

（1．西北電網有限公司，陜西西安 710048；2.國家電力調度通信中心，北京 100031；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211100）

青海至西藏±400 kV直流聯網工程是目前世界上海拔最高的超高壓直流輸電項目，也是國家電網系統2011年重點工程之一。該工程于2011年10月30日投入試運行，目前運行情況良好。工程起于青海750 kV柴達木換流站變電站，止于西藏拉薩市郊的220 kV拉薩換流站，直流線路全長達1 038 km，導線截面為4×400 mm2，額定電流1 500 A。本期建設容量600 MW，遠期換流器并聯擴建，最終建設規(guī)模1200MW。本期無功補償按300 MW配置，柴達木站安裝8×20 MV·A交流濾波器，拉薩站安裝8×25 MV·A交流濾波器。同時，為提高西藏藏中電網可靠性，拉薩換流站安裝有2組SVC設備[1-2]。每套SVC裝設60 MV·A的相控電抗器（TCR）一組，三次和五次濾波器各一組，每組容量5 MV·A，每套SVC運行范圍-40～20 MV·A。工程的建成投產，結束了西藏電網孤網運行的歷史，有效地彌補了西藏電網迎峰渡冬期間的電力缺口，對于促進西藏地區(qū)經濟社會發(fā)展和民族和諧具有重要意義。

相較于常規(guī)直流工程，青藏工程具有弱系統、高可靠性、并聯擴建和高海拔等特點[3]，對繼電保護的配置和應用提出了更高的要求。本文較為全面地介紹了青藏直流輸電工程繼電保護的配置和應用情況，并對有關技術改進和系統調試情況進行了闡述。

1 青藏直流工程繼電保護配置情況

1.1 直流保護

根據有關規(guī)程要求[4-7]，結合后期閥組并聯擴建計劃，青藏直流系統按閥組配置雙重化繼電保護裝置，2套保護交直流回路、通信通道及加工設備等相互獨立，均包含閥區(qū)保護、極區(qū)保護、直流線路保護以及雙極區(qū)保護等全部功能。每套保護裝置設置有起動模塊和保護模塊，只有2個CPU模塊都動作時，保護才動作出口，有關邏輯見圖1。

圖1 雙重化保護配置示意圖Fig.1 Sketch map of protections double configured

不同于以往工控機模式，本工程直流保護為裝置化產品，且與控制系統相對獨立，不共用主機。同時，結合直流保護標準化進程的推進，電壓過應力保護、觸發(fā)異常保護、晶閘管監(jiān)視、開路試驗保護、直流線路再啟動等功能在控制主機中實現，繼電保護裝置中不再包含上述功能。根據西藏藏中電網安全穩(wěn)定和安穩(wěn)設備配合要求，雙極運行時，單極直流線路故障，在第一次原壓重啟動失敗、健全極轉帶功率成功的條件下，進行第二次原壓再啟動；單極運行情況下，按原壓再起動一次設置。

1.2 換流變壓器保護

換流變壓器是直流輸電系統中的重要設備，能夠提供相位差為30°的12脈動交流電壓，并提供換相電抗實現交直流系統的電器隔離。為了將換相過程中的短路電流限制在一定范圍內，換流變壓器的短路阻抗要大于一般變壓器；同時具有較大的電壓調節(jié)范圍，本工程檔位范圍為+25/-5，每檔可調1.25%。換流變壓器的上述特點、直流系統特殊運行工況、直流偏磁以及對CT傳變特性的影響[8]都需要繼電保護在配置和整定方面予以充分考慮[9-10]。

柴達木和拉薩站換流變壓器均按雙重化配置電氣量保護設備，裝置按主、后備保護一體化設計。主保護方面配置換流變差動保護、換流變引線差動保護、繞組差動保護和零序差動保護，并配置不需整定的故障分量差動保護。繞組差動保護與變壓器的磁平衡沒有直接關系，不受勵磁涌流判據的閉鎖，具有較高的靈敏度和動作速度。網側后備保護主要有開關過流、套管過流、零序過流、飽和保護等，以及兩段式過電壓保護和定時限、反時限過激磁保護；閥側后備保護主要為閥星過流保護和閥角過流保護。

1.3 直流濾波器保護

直流濾波器是換流站的重要設備，可與平波電抗器一起組成雙T型濾波系統，主要用于濾除直流系統中的12次諧波和其他各次倍頻特征諧波。青藏直流工程中，直流濾波器保護與極控制保護系統獨立，單獨配置雙重化繼電保護裝置，采用“啟動+動作”的配置方案,主要包括差動保護、過流保護、不平衡保護以及電阻過負荷、電抗過負荷功能[11]。

直流濾波器高壓電容器內部存在均壓電阻，不易發(fā)生雪崩擊穿，同時參考近幾年國產直流濾波器高壓電容器的實際運行情況，取消跳閘段，只保留一段報警段，具體見2.2分析。保護設備基于南瑞繼保先進的UAPC平臺研制，能夠適應常規(guī)互感器和電子式互感器的接入。

1.4 交流濾波器保護

柴達木環(huán)流變電站與拉薩換流站分別安裝有8組交流濾波器設備，分別接于兩站的330 kV系統和220 kV系統，交流濾波器保護[12]均按小組進行雙重化配置。交流濾波器中的高端電容器，承受了大部分的母線電壓，容易在電容器損壞后發(fā)生雪崩，造成爆炸。繼電保護采用帶有自動補償方式的穩(wěn)態(tài)不平衡元件和帶有浮動門檻的暫態(tài)不平衡元件，共同構成交流濾波器的電容器不平衡保護，既提高了靈敏度，又能在各種復雜運行方式下不誤動。交流濾波器內部發(fā)生接地短路時，故障電流較小，為提高差動保護靈敏度，選取低端電流作為制動電流。裝置中同時配置了變化量差動保護，提高了區(qū)內經過渡電阻接地時差動保護的靈敏度。

另外，交流濾波器保護還配置有熱過負荷保護、過流和零序過流以及失諧檢測等功能。以交流濾波器大組母線為單元，配置有交流濾波器大組母線保護，主要實現過電壓和斷路器失靈保護功能。

1.5 SVC保護

根據西藏電網特點和電壓控制分析，SVC投運是直流系統運行的必要條件。作為重要設備，SVC按濾波器和TCR支路分別配置繼電保護。三次濾波器和五次濾波器分別配置單套RCS9631C保護，主要功能有過電流、過電壓、低電壓、不平衡等保護功能。TCR支路配置單套RCS9611C保護，主要功能有過電流、過負荷、低周等保護功能。為消除死區(qū)，TCR與支路開關間引線也配置單套RCS9611C保護。

1.6 最后斷路器跳閘裝置

柴達木、拉薩換流站站內最后斷路器跳閘功能由控制系統實現。同時，規(guī)程[13]要求逆變站交流出線均接至同一個對端交流站，且交流出線不多于兩回情況下，對端交流站應配置具有最后斷路器跳閘功能的裝置。本工程中，拉薩換流站大部分時間運行于逆變模式，有2條交流出線，且均接至220 kV奪底變電站，根據規(guī)程要求需要配置站間最后斷路器跳閘功能。實際工程中，220 kV奪底變配置了雙重化的最后斷路器跳閘裝置，實現最后斷路器跳閘的判別，并將信號傳送至拉薩換流站。拉薩換流站配置雙重化的最后斷路器跳閘接收裝置，通過直流控制系統閉鎖直流系統。結構示意圖如圖2所示。

圖2 最后斷路器跳閘功能結構示意圖Fig.2 Structure profile of tripping for the last circuit breaker

2 繼電保護應用情況

考慮到工程具體特點，同時結合其他直流工程中出現的有關問題[14]及分析情況，在具體實踐中對于繼電保護的一些應用進行了調整和規(guī)范。

2.1 取消直流功率反向保護

直流功率反向保護主要設計用來防止因控制系統異常造成的功率反轉故障，通過判斷在較短時間內電壓是否反轉來實現。實際運行中，因未能躲過線路再啟動去游離時間及二次測量裝置測量異常等問題，國內直流工程發(fā)生了幾次直流功率反向保護誤動事件。同時，國內直流運行中從未發(fā)生過功率反轉情況?？紤]到控制系統可靠性的不斷提高，運行中反映出來的問題以及對其認識的不斷深入，根據直流保護標準化規(guī)范，青藏工程未配置功率反向保護。

2.2 取消直流濾波器不平衡保護跳閘功能

直流濾波器除了具有濾除直流側諧波功能外，還承擔著抑制直流側諧振的作用，工程實際中，不允許無直流濾波器運行。直流濾波器高壓電容器電壓設計裕度較大，即使在3個電容單元同時損壞的情況下，其余電容器過電壓水平仍不會超出裕度。并且由于直流濾波器高壓電容器中配置有均壓電阻，電容器的均壓不取決于電容值，而取決于電阻值，在不考慮所有元件熔絲全部不動作的情況下，部分電容單元的損壞一般不會造成電容器的雪崩擊穿，直流濾波器仍可運行，可以給值班人員提供寶貴時間進行調整。

根據以上分析，在青藏直流工程中，直流濾波器不平衡保護取消了跳閘功能，只保留一段報警段。

2.3 退出35 kV母線備自投功能

拉薩站35 kV側安裝有SVC設備和站用電系統，接線見圖3。根據設計要求，當運行的SVC和35 kV站用電聯接于同一段35 kV母線時，需切除站用電；每段35 kV母線下的SVC設備之間具有聯鎖關系，當2組濾波器全部失去時，TCR閉鎖。無功變故障都將使與之相聯的35 kV母線失電，為了避免35 kV濾波器部分放電即帶電，損壞電容器，需確保失電母線處的濾波器支路跳開后再合母聯開關。濾波器經過約10 min放電時間方可再次投入，而后TCR才能解鎖。因此，采用備自投功能后既不能提高35 kV站用變的可用率，也不能顯著提高SVC的可用率。同時，綜合考慮站用電備自投的配合時序，35 kV母線設置備自投后，會延遲10 kV母線備自投動作時間，不利于提高10 kV站用電系統和輔助系統的可靠性。因此，根據實際應用分析，退出35 kV母線備自投功能。

2.4 諧波保護應用及整定

圖3 拉薩站35 kV配電裝置接線圖Fig.3 35 kV distribution connection diagram of Lhasa Substation

直流諧波保護通過檢測直流電流中的諧波含量，反映各種原因造成的非正常運行工況，主要的有觸發(fā)異常、交流系統異常[15-16]等。由于青藏直流系統輸送容量控制嚴格，直流負荷電流較小，采用比率制動特性的諧波保護實際運行定值遠小于其他直流工程。試運行期間，因750 kV變壓器充電操作過程中產生大量二次諧波分量，且衰減時間長，傳導至柴達木站并竄入直流輸電系統，導致直流系統發(fā)生了極閉鎖事件。圖4是極閉鎖時直流電流中的諧波含量。

圖4 極閉鎖時直流電流中諧波含量Fig.4 Harmonic content in DC current with pole blocked

為避免青藏直流雙極同時停運，結合工程的運行實際，根據直流系統設計單位意見，控保系統廠家對青藏直流系統諧波保護配置和應用方案進行了完善，主要包括調整100 Hz保護諧波電流檢測帶寬，將150 Hz保護分離出來，對50 Hz和150 Hz保護按照區(qū)內、區(qū)外原則分別設置不同的定值，并按兩極動作時間不同原則進行整定。這樣就使得在極Ⅰ系統因諧波保護動作而閉鎖后，極Ⅱ實現功率轉代，直流負荷電流增大，其諧波保護定值相應提高。運行實踐證明，該措施可在很大程度上避免雙極同時閉鎖事故。

3 系統調試情況

在柴達木與拉薩換流站系統調試成功完成的基礎上，隨著2011年10月13日青藏直流系統成功解鎖，工程建設開始了最后系統調試階段。本次系統調試項目共計28類，14大項126小項，涉及柴拉直流輸電系統所屬全部一、二次設備、輔助設備以及與其相關的交流場設備。2011年10月27日晚，大負荷試驗成功完成，期間西北向西藏輸送功率最大達150 MW，標志著系統調試的圓滿結束。通過系統調試，所有調試設備經過層層把關，嚴格考驗，確保其在高海拔、高嚴寒的青藏高原長周期安全穩(wěn)定運行。同時，也反映出部分問題需要改進和進一步研究，主要有：

1）系統調試過程中，發(fā)生幾起因電流互感器測量設備電源切換異常以及有關信號誤展寬問題，導致直流系統意外閉鎖的事件，雖及時進行了改進和完善，但事件仍值得后續(xù)工程借鑒。配套測量設備電源設計和運行管理方面還有待規(guī)范，裝置內部正常及異常信號各環(huán)節(jié)的細節(jié)設計還需加強。

2）由于程序執(zhí)行周期不一致以及個別程序設計上的微小瑕疵，在一定情況下會導致有關保護設備及最后斷路器跳閘裝置誤動作。交流站控系統與直流集控系統之間的配合，信息在各個環(huán)節(jié)的流轉等技術細節(jié)，都需要研發(fā)單位進一步完善。

3）拉薩站作為逆變站運行，本側220 kV交流線路進行A相人工瞬時短路試驗時，錄波發(fā)現非故障相有較為明顯的電壓跌落現象。電壓波形如圖5所示，非故障相電壓跌落至正常電壓的30%左右。因此，故障情況下，直流系統換相失敗與交流弱電網的相互影響有待進一步深化研究。

圖5 A相短路試驗中220 kV系統電壓波形Fig.5 Voltage waveform of the 220 kV systems during the fault

4）站間無通訊情況下，逆變側站內設備故障，整流站側后備保護動作時間較長，安全自動裝置對于功率轉代的判別邏輯存在一定的盲區(qū)。西藏電網由于電網結構原因，對于安全自動裝置的依賴度很高，直流控制保護系統與安全自動裝置的配合需要進一步研究。

4 結語

隨著西藏社會經濟發(fā)展，用電負荷快速增長，但受電源和電網結構等方面因素制約，電力缺口大，安全穩(wěn)定問題突出。青藏直流工程的投產，極大地解決了西藏電力供需矛盾，促進了地區(qū)經濟社會的健康發(fā)展，也標志著全國聯網局面的實現。同時，該工程具有的弱電網、高可靠性要求等不同于常規(guī)直流的特點，使得其在控制保護配置和應用方面具有獨到之處，系統調試中出現的缺陷及問題，對于促進直流輸電技術研究和控制保護系統研發(fā)具有重要的參考與借鑒意義。

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