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(1.國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

隨著中國(guó)西部大開(kāi)發(fā)和電力能源戰(zhàn)略的推進(jìn)，集中于四川金沙江、雅礱江流域的多條特高壓直流輸電工程已逐漸投運(yùn)[1-4]。華東電網(wǎng)通過(guò)3條特高壓直流從四川吸收電能高達(dá)2 160 MW。因此特高壓直流已經(jīng)成為“西電東送”重要的電力通道。

與交流系統(tǒng)類似，直流系統(tǒng)兩端的換流閥組、直流輸電線路以及接地極系統(tǒng)也會(huì)由于雷擊、過(guò)壓等原因造成故障[5，6〗。

直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生故障，直流保護(hù)或控制系統(tǒng)啟動(dòng)的停運(yùn)稱為故障緊急停運(yùn)。其操作要達(dá)到兩個(gè)目的：一是迅速切除故障點(diǎn)的直流電流；二是斷開(kāi)交流斷路器與交流系統(tǒng)隔離。當(dāng)直流輸電工程的一次系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，必須以盡可能快的速度停運(yùn)、隔離故障系統(tǒng)或設(shè)備，以保證系統(tǒng)和設(shè)備的安全。

然而當(dāng)一次設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，由于目前沒(méi)有可以直接切斷直流電流的斷路器，因此只能通過(guò)直流控保系統(tǒng)對(duì)故障元件進(jìn)行隔離，通過(guò)閉鎖換流閥、投入旁通對(duì)等方式，將故障元件與正常系統(tǒng)進(jìn)行隔離，使得故障電流降低為0。

首先對(duì)±800 kV特高壓直流輸電工程的控制保護(hù)系統(tǒng)在故障工況下的清除程序進(jìn)行了介紹；并綜述了特高壓直流工程中常用X、Y、Z、S閉鎖的適用范圍及動(dòng)作時(shí)序。其次，介紹了直流工程在兩側(cè)有無(wú)通信情況下的故障閉鎖邏輯?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錄波驗(yàn)證了邏輯的正確性。

1 特高壓直流工程故障隔離方法

1.1 特高壓直流工程故障隔離一般措施

由于直流輸電工程故障種類以及造成故障的原因很多，因此每種故障均會(huì)有自己特定的隔離方式。但一般來(lái)說(shuō)，直流保護(hù)系統(tǒng)會(huì)利用如下一項(xiàng)或幾項(xiàng)故障清除程序清除故障。

(1)切換到備用控制系統(tǒng)。

(2)移相并閉鎖換流器。其中移相策略指的是改變換流閥的觸發(fā)相位。當(dāng)移相用于隔離故障時(shí)，通常是將整流器的觸發(fā)角快速移動(dòng)至90°以上(最終移至160°左右)，使兩端換流器均處于逆變狀態(tài)，這時(shí)直流系統(tǒng)中的能量(線路電感、電抗器、電容器等)將反送至交流系統(tǒng)，并阻止直流回路繼續(xù)導(dǎo)通，因此直流電流將很快衰減。

(3)換流器功率瞬降。該方式多用于再啟動(dòng)保護(hù)，其控制策略為觸發(fā)角先移相使換流器至逆變狀態(tài)，當(dāng)瞬降命令消失時(shí)，換流器觸發(fā)角減小直至換流器恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。

(4)跳換流變交流側(cè)斷路器。

(5)啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)。

(6)閉鎖交流斷路器。

(7)換流器功率回降(快速降低輸送功率至系統(tǒng)穩(wěn)定，用于系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷)。

(8)極隔離。

(9)極平衡。

(10)重合方式轉(zhuǎn)換斷路器。

(11)合中性母線接地?cái)嗦菲?NBGS)。

1.2 旁通對(duì)投入在故障隔離中的作用

在故障隔離過(guò)程中，有時(shí)還會(huì)投入旁通對(duì)。旁通對(duì)的投入主要是隔離交流側(cè)和直流側(cè)。旁通對(duì)投入后與正常運(yùn)行情況下對(duì)比，閥組的導(dǎo)通狀態(tài)如圖1所示。

圖1 旁通對(duì)投入后與正常工作時(shí)對(duì)比

當(dāng)旁通對(duì)投入時(shí)，相當(dāng)于將直流回路短接，這時(shí)直流電流將無(wú)法進(jìn)入換流變壓器；此外如果發(fā)生閥內(nèi)短路故障，投入旁通對(duì)可以將故障電流轉(zhuǎn)移到旁通對(duì)上，從而保護(hù)設(shè)備。對(duì)于特高壓工程，由于設(shè)計(jì)有高速旁路開(kāi)關(guān)，直流保護(hù)的動(dòng)作策略比常規(guī)直流復(fù)雜。是否投旁通對(duì)或是合上旁路開(kāi)關(guān)，需視故障類型來(lái)決定。一般情況下本站故障的12 脈動(dòng)換流器動(dòng)作后需要移相時(shí)，對(duì)端站相應(yīng)的極需要投旁通對(duì)來(lái)釋放線路上的殘余電荷，以避免重新恢復(fù)功率時(shí)出現(xiàn)過(guò)電壓。

通常投旁通對(duì)的策略是:收到緊急停運(yùn)命令后, 保持最后在導(dǎo)通狀態(tài)閥的觸發(fā)脈沖, 同時(shí)發(fā)出與其同一相的另一個(gè)閥的觸發(fā)脈沖，并閉鎖其他閥的觸發(fā)脈沖。

對(duì)于部分特殊故障，由于投入旁通對(duì)時(shí)可能會(huì)造成故障電流過(guò)大，對(duì)避雷器等設(shè)備造成沖擊，因此控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)“禁止投旁通對(duì)”指令。

2 特高壓直流工程4種閉鎖類型

由于直流系統(tǒng)故障種類較為復(fù)雜，不同的故障類型會(huì)有不同的動(dòng)作組合實(shí)現(xiàn)故障隔離，這不同的動(dòng)作組合就形成了不同的閉鎖類型。根據(jù)換流閥閉鎖的時(shí)候是否投旁通對(duì)，可以把特高壓直流保護(hù)閉鎖分為4種，定義為X、Y、Z、S閉鎖。

X閉鎖——不投旁通對(duì)閉鎖；

Y閉鎖——條件投旁通對(duì)閉鎖；

Z閉鎖——投旁通對(duì)閉鎖；

S閉鎖——特殊條件閉鎖。

上述4種閉鎖具有如下4種特點(diǎn)。

(1)S、X、Z、Y閉鎖，優(yōu)先等級(jí)依次降低。例如：當(dāng)有S閉鎖在執(zhí)行過(guò)程中時(shí)，X、Z、Y閉鎖均不執(zhí)行。

(2)對(duì)整流站而言，任何一種閉鎖，如果是有最后一個(gè)閥組，或者是極閉鎖，均會(huì)給換流閥下發(fā)移相指令。

(3)逆變站閉鎖必需合上旁通開(kāi)關(guān)，整流站非極閉鎖或最后一個(gè)閥組閉鎖會(huì)合上旁通開(kāi)關(guān)，否則不合。但Z閉鎖例外，均需合上旁通開(kāi)關(guān)。

(4)如果投旁通對(duì)失敗，延時(shí)100 ms后執(zhí)行X閉鎖(不投旁通對(duì)閉鎖)。

以下將對(duì)4種類型的閉鎖進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 S閉鎖

S閉鎖是在閥短路電流保護(hù)以及直流差動(dòng)保護(hù)中使用的，它是特高壓直流工程新增加的一種閉鎖方式。由于閥短路保護(hù)較為特殊，逆變站閥短路保護(hù)采用S閉鎖，整流站閥短路保護(hù)采用X閉鎖。S閉鎖的特殊之處在于整流站會(huì)延時(shí)30 ms閉鎖觸發(fā)脈沖。對(duì)于整流站、逆變站故障，S閉鎖的動(dòng)作邏輯如表1所示。

表1 直流兩側(cè)故障時(shí)S閉鎖的動(dòng)作邏輯

2.2 X閉鎖

X閉鎖通常用于閥故障，主要由閥短路所引發(fā)的保護(hù)下令觸發(fā)。同時(shí)當(dāng)觸發(fā)電路出現(xiàn)正確選擇的旁通對(duì)沒(méi)有被投入的故障時(shí)，也會(huì)觸發(fā)X閉鎖。對(duì)于整流側(cè)的運(yùn)行，閥短路會(huì)導(dǎo)致一個(gè)大的初始短路電流流過(guò)此閥所在的三脈動(dòng)閥組中一個(gè)正常的閥。為了將此過(guò)電流限制在一個(gè)閥上，故障檢測(cè)必須足夠迅速且換流器必須要在不投旁通對(duì)的情況下閉鎖。對(duì)于逆變側(cè)的運(yùn)行，閥短路不會(huì)導(dǎo)致大的初始短路電流。因此，沒(méi)有必要立即閉鎖換流器。為了限制短路電流的幅值，換流器將移相，即換流器將保持在最小換相裕度角直至換流器閉鎖。

對(duì)于整流站、逆變站故障，X閉鎖的動(dòng)作邏輯如表2所示。

表2 直流兩側(cè)故障時(shí)X閉鎖的動(dòng)作邏輯

2.3 Y閉鎖

Y閉鎖通常用于不會(huì)對(duì)設(shè)備施加嚴(yán)重壓力的直流側(cè)故障、交流側(cè)故障和極手動(dòng)閉鎖。當(dāng)控保系統(tǒng)下達(dá)Y閉鎖指令時(shí)，若整流側(cè)的直流電流在低壓限流環(huán)節(jié)所決定的限值以下，整流側(cè)將在不投旁通對(duì)的狀態(tài)下閉鎖。否則整流側(cè)將通過(guò)投旁通對(duì)閉鎖。在逆變側(cè)，換流器通過(guò)直接投逆變器的旁通對(duì)閉鎖，這點(diǎn)與Z閉鎖類似。在整流側(cè)，為了使電流在閉鎖前熄滅，閉鎖指令將被延遲。當(dāng)對(duì)站保護(hù)動(dòng)作后，通信正常的情況下，通常本站也執(zhí)行Y閉鎖。

對(duì)于整流站、逆變站故障，Y閉鎖的動(dòng)作邏輯如表3所示。

表3 直流兩側(cè)故障時(shí)Y閉鎖的動(dòng)作邏輯

2.4 Z閉鎖

Z閉鎖通常用于接地故障或直流側(cè)的過(guò)電流故障，在換流變壓器電氣量保護(hù)與旁通開(kāi)關(guān)故障保護(hù)中經(jīng)常性使用。Z閉鎖無(wú)論整流站還是逆變站，總是無(wú)條件地合上旁通斷路器，而不判斷整流站是否是最后一個(gè)發(fā)閉鎖或是極閉鎖。

對(duì)于整流站、逆變站故障，Z閉鎖的動(dòng)作邏輯如表4所示。

表4 直流兩側(cè)故障時(shí)Z閉鎖的動(dòng)作邏輯

2.5 試驗(yàn)算例

以±800 kV賓金直流調(diào)試試驗(yàn)時(shí)Z閉鎖策略為例，說(shuō)明特高壓直流的閉鎖邏輯策略。

圖2 整流站模擬閥組快速過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)開(kāi)關(guān)量錄波圖

該試驗(yàn)是利用控保系統(tǒng)軟件置位的方式，模擬閥組快速過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明，在該故障情況下，系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作順序如下。

(1)換流器Z閉鎖；

(2)交流斷路器跳閘；

(3)換流器隔離。

試驗(yàn)開(kāi)始前，賓金直流雙極運(yùn)行，電流控制模式，雙極電流控制指令為500 A。在閥組快速過(guò)流保護(hù)動(dòng)作后，錄波系統(tǒng)得到的部分模擬量信號(hào)以及開(kāi)關(guān)量變位信號(hào)波形如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)整流站模擬閥組快速過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)，保護(hù)值班系統(tǒng)(B系統(tǒng))系統(tǒng)Z閉鎖。閥組控制強(qiáng)制移相，同時(shí)投入了旁通對(duì)以及旁通斷路器Q2。從模擬量錄波中也可以看出，保護(hù)動(dòng)作后觸發(fā)角從15°左右移相至120°，同時(shí)直流電壓以及功率隨之下降至0左右，成功實(shí)現(xiàn)了故障隔離。

3 雙端通信狀況對(duì)直流閉鎖的影響

3.1 雙端不同通信狀態(tài)下直流閉鎖策略

正常情況下，特高壓直流整流、逆變站之間均會(huì)有通信進(jìn)行信息交換。因此，當(dāng)某一側(cè)換流站因?yàn)閾Q流閥故障出現(xiàn)閉鎖時(shí)，其閉鎖信號(hào)會(huì)傳遞給對(duì)站。當(dāng)某一側(cè)換流站接受到對(duì)站的閉鎖信號(hào)時(shí)，本站將自動(dòng)進(jìn)入正常Y閉鎖邏輯。

然而，如果由于光纖故障等原因?qū)е聝蓚?cè)換流站通信中斷，當(dāng)對(duì)站出現(xiàn)閉鎖時(shí)，由于本站接收不到對(duì)站的閉鎖信號(hào)，因此只能依靠自身保護(hù)進(jìn)行閉鎖。

當(dāng)雙端換流站通信中斷時(shí)，若整流站出現(xiàn)閉鎖，逆變側(cè)會(huì)進(jìn)入空載運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行會(huì)持續(xù)一段時(shí)間后(西門子邏輯為60 s，ABB的邏輯為900 s)，自動(dòng)閉鎖。在逆變側(cè)空載運(yùn)行階段，逆變側(cè)的電壓控制會(huì)自動(dòng)將電壓控制在允許范圍之內(nèi)。若逆變側(cè)出現(xiàn)閉鎖，由于逆變側(cè)旁通開(kāi)關(guān)的投入，對(duì)整流側(cè)而言相當(dāng)于線路短路故障。因此整流側(cè)強(qiáng)制移相并重啟一次后自動(dòng)閉鎖。

3.2 試驗(yàn)算例

同樣以±800 kV賓金直流調(diào)試試驗(yàn)項(xiàng)目為例，說(shuō)明特高壓直流的閉鎖邏輯策略。

該試驗(yàn)是在兩側(cè)通訊斷掉的情況下，利用控保系統(tǒng)軟件置位的方式，模擬逆變側(cè)閥組快速過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。

試驗(yàn)開(kāi)始前，賓金直流單機(jī)大地回線運(yùn)行，電流控制模式，電流控制指令為500 A。在逆變側(cè)閥組快速過(guò)流保護(hù)動(dòng)作后，錄波系統(tǒng)得到整流側(cè)的部分模擬量信號(hào)波形如圖3所示。

由圖3可知，在無(wú)通信的情況下，當(dāng)逆變站模擬閥組快速過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)，直流系統(tǒng)電流出現(xiàn)突增，然后整流側(cè)觸發(fā)角強(qiáng)制移相至120°。強(qiáng)制移相發(fā)生150 ms后，直流系統(tǒng)重啟失敗，整流側(cè)閉鎖。該邏輯與上述邏輯相同。

圖3 逆變站模擬閥組快速過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)開(kāi)關(guān)量錄波圖

4 結(jié) 論

詳細(xì)闡述了±800 kV特高壓直流輸電工程的保護(hù)閉鎖邏輯，并對(duì)兩端換流站通信對(duì)閉鎖的影響進(jìn)行了分析，并通過(guò)調(diào)試試驗(yàn)波形得以驗(yàn)證。得到了以下結(jié)論。

(1)當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，直流保護(hù)系統(tǒng)采用切換備用控制系統(tǒng)、移相并閉鎖換流器、換流器功率瞬降、跳換流變壓器交流側(cè)斷路器、啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)、閉鎖交流斷路器、換流器功率回降等策略對(duì)故障進(jìn)行隔離。

(2)在故障隔離過(guò)程中，有時(shí)還會(huì)投入旁通對(duì)。旁通對(duì)的投入主要是隔離交流側(cè)和直流側(cè)。通常投旁通對(duì)的策略是:收到緊急停運(yùn)命令后, 保持最后在導(dǎo)通狀態(tài)的閥的觸發(fā)脈沖, 同時(shí)發(fā)出與其同一相的另一個(gè)閥的觸發(fā)脈沖，并閉鎖其他閥的觸發(fā)脈沖。

(3)根據(jù)換流閥閉鎖的時(shí)候是否投旁通對(duì)，可以把特高壓直流保護(hù)閉鎖分為4種，定義為X、Y、Z、S閉鎖。X閉鎖為不投旁通對(duì)閉鎖、Y閉鎖為條

件閉鎖；Z閉鎖為投旁通對(duì)閉鎖；S閉鎖為特殊條件閉鎖。

(4)當(dāng)雙端換流站通信中斷時(shí)，若整流站出現(xiàn)閉鎖，逆變側(cè)會(huì)進(jìn)入空載運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行會(huì)持續(xù)一段時(shí)間后(西門子邏輯為60 s，ABB的邏輯為900 s)，自動(dòng)閉鎖。在逆變側(cè)空載運(yùn)行階段，逆變側(cè)的電壓控制會(huì)自動(dòng)將電壓控制在允許范圍之內(nèi)。若逆變側(cè)出現(xiàn)閉鎖，由于逆變側(cè)旁通開(kāi)關(guān)的投入，對(duì)整流側(cè)而言相當(dāng)于線路短路故障。因此整流側(cè)強(qiáng)制移相并重啟一次后自動(dòng)閉鎖。

[1] 鄭曉冬,邰能靈,楊光亮,等．特高壓直流輸電系統(tǒng)的建模與仿真[J] ．電力自動(dòng)化設(shè)備，2012,32(7):10-14，61.

[2] 謝紹宇,王秀麗,王錫凡．交直流混聯(lián)系統(tǒng)可靠性評(píng)估[J] ．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011,31(7):10-16.

[3] Aik D L H, Andersson G. Power Stability Analysis of Multi-infeed HVDC Systems[J]． IEEE Trans. on Power Delivery, 1998 13(3):923-931.

[4] IEEE PES Transmission and Distribution Committee．IEEE Guide for Planning DC Links Terminating at AC Locations Having Low Short-circuit Capacities[R]．Newyork：IEEE，1997．

[5] 韓昆侖,蔡澤祥,賀智,等．高壓直流輸電線路故障行波傳播特性極其對(duì)行波保護(hù)的影響[J] ．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013,41(21):20-25.

[6] 李少華,劉濤,蘇勻,等．±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)解鎖/閉鎖研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38(6):84-87.