翁漢琍，李雪華，潘本仁，楊國穩(wěn)

（1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.國家電網(wǎng)江西省電力科學研究院，江西 南昌 330096）

HVDC（High Voltage Direct Current）換流站換流器橋差保護的任務(wù)是當換流橋發(fā)生閥換相故障或觸發(fā)故障時，作為后備保護跳開網(wǎng)側(cè)斷路器來保護直流系統(tǒng)［1］。

近年來，換流橋發(fā)生閥換相故障或觸發(fā)故障時，橋差保護異常動作的相關(guān)案例已多次報道。例如：貴廣線直流輸電工程在運行中故障切除引發(fā)幾次橋差保護異常動作［2］。而引起橋差保護異常動作的原因尚不明確。

在橋差保護動作性能分析方面，文獻［1］分析了站內(nèi)交流系統(tǒng)等故障造成換流站橋差保護異常動作的問題；文獻［2］針對貴廣I回直流輸電工程在運行過程中因勵磁涌流引發(fā)的幾次橋差保護動作進行了事故分析；文獻［3］分析了換流站換流變空載合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流使直流保護系統(tǒng)誤動的情況并提出了新的算法；文獻［4］針對HVDC單極—大地運行情況下結(jié)合換流變直流偏磁給出了相應(yīng)的PSCAD／EMTDC模型；文獻［5］中提到雷電對直流輸電線路相關(guān)保護的影響。而關(guān)于直流系統(tǒng)保護運行已有大量文獻進行分析、研究和仿真［6-11］，但對換流站內(nèi)相關(guān)故障情況下橋差保護動作情況進行全面分析的文獻很少［12-13］?；诖耍P者將考察換流站換流器橋差保護在不同故障點以及不同故障類型下的動作情況，并著重分析橋差保護出現(xiàn)異常動作的原因。

1 HVDC換流器橋差保護的保護機理

對于直流保護系統(tǒng)的后備保護，Y／Y，Y／△換流變換流側(cè)橋差保護的完整判據(jù)［1］分別為

式（1）、（2）中Iset為保護的動作整定值；IacY是Y／Y換流變閥側(cè)三相電流最大值；IacD是Y／△換流變閥側(cè)三相電流最大值；其中

當故障發(fā)生時，取△橋和Y橋閥側(cè)交流電流按式（1）、（2）判據(jù)條件進行判據(jù)，△IY或△ID大于整定值Iset，即滿足式（1）或（2）任意一式即可，且差值持續(xù)時間Δt＞200ms后［2］，滿足橋差保護動作條件，跳開網(wǎng)側(cè)交流斷路器對換流站直流系統(tǒng)進行保護。但值得注意的是，交、直流保護必須進行配合，交流保護系統(tǒng)未動作則由直流保護系統(tǒng)及時將故障切除。作為直流保護系統(tǒng)后備保護換流器配置的橋差保護，其功能主要是在換流橋發(fā)生閥換相故障和觸發(fā)故障，且交流保護系統(tǒng)，直流主保護系統(tǒng)均未動作情況下，由橋差保護動作，跳開網(wǎng)側(cè)交流斷路器起到切除故障電流保護直流換流系統(tǒng)的安全。

2 換流站換流器橋差保護仿真模型

筆者對直流保護系統(tǒng)橋差保護動作性能進行仿真分析，通過PSCAD／EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，建立包括交流系統(tǒng)、換流變壓器、整流／逆變器、平波電抗器、交直流濾波器、直流輸電線路的HVDC輸電模型。采用CIGRE標準高壓直流輸電控制系統(tǒng)模型并進行相應(yīng)修改，搭建出HVDC換流站12脈動直流輸電系統(tǒng)模型，仿真高壓直流輸電系統(tǒng)在正常運行及故障工況下?lián)Q流器橋差保護的情況。HVDC換流站橋差保護仿真模型如圖1所示；橋差保護的保護判據(jù)邏輯如圖2所示。

圖1 HVDC換流站橋差保護仿真模型Figure 1 Simulation model of bridge differential protection in HVDC converter station

圖2 HVDC換流站橋差保護判據(jù)邏輯Figure 2 Criterion logic diagram of bridge differential protection in HVDC converter station

基于上述模型，對區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障分別進行仿真，其中，區(qū)內(nèi)故障為整流側(cè)換流變△橋閥側(cè)故障和整流側(cè)換流變Y橋閥側(cè)故障；區(qū)外故障為換流器直流母線高壓端接地短路故障和整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障。區(qū)內(nèi)整流側(cè)換流變△橋／Y橋閥側(cè)故障和區(qū)外整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障類型包含：單相接地故障（AG，BG，CG）、兩相相間接地故障（ABG，BCG，ACG）、兩相相間不接地故障（AB，BC，AC）、三相相間接地故障（ABCG）和三相不接地故障（ABC）。

3 換流器橋差保護動作情況仿真及結(jié)果分析

仿真時長為0.6s，仿真過程中，故障發(fā)生在t=0.2s時刻。由于主要考察橋差保護作為后備保護的動作可靠性，因此，仿真中加入永久性故障，以模擬故障未被主保護切除。

3.1 整流側(cè)換流變△橋閥側(cè)故障（區(qū)內(nèi)故障）

3.1.1 對于△橋閥側(cè)發(fā)生AG故障

如圖3所示，ΔIY或ΔID差值持續(xù)時間遠小于200ms，橋差保護拒動。分析拒動原因：當△橋發(fā)生接地故障時，故障電流一部分通過接地點流入Y橋變壓器中性點后流入線路中，另一部分則從故障點流入△橋側(cè)變壓器的△環(huán)中。因此，△橋和Y橋的TA采樣值均為含有部分故障電流的值，當電流最大值相差不大時，有可能使保護不動作，從圖3可看出橋差保護拒動（對于ABG，ABCG故障結(jié)果同AG，限于篇幅，不在此展開論述）。

圖3 AG故障發(fā)生在△橋閥側(cè)時的仿真結(jié)果Figure 3 The simulation results when AG fault occurs at the△bridge valve side

3.1.2 對于△橋閥側(cè)發(fā)生AB故障

如圖4所示，ΔIY＞Iset，ΔID=0，較大值持續(xù)時間Δt＞200ms，橋差保護正確動作。分析動作原因：發(fā)生在△橋閥側(cè)的相間不接地故障時，TA的采樣值是故障點前靠近換流變的電流值，而Y橋閥側(cè)TA的采樣值是通過換流器流經(jīng)Y橋接地點的故障電流值，△橋和Y橋TA采樣電流值不相同，故橋差保護正確動作。

圖4 AB故障發(fā)生在△橋閥側(cè)的仿真結(jié)果Figure 4 The simulation results when AB fault occurs at the△bridge valve side

3.2 整流側(cè)換流變Y橋閥側(cè)故障（區(qū)內(nèi)故障）

3.2.1 對于Y橋閥側(cè)發(fā)生AG故障

如圖5所示，ΔIY=0，ΔID＞Iset，較大值持續(xù)時間Δt＞200ms，橋差保護正確動作。分析動作原因：發(fā)生在Y橋閥側(cè)的相間接地故障時，TA的采樣值是故障點流經(jīng)Y／Y換流變接地點的電流值，而△橋閥側(cè)TA的采樣值是不含故障電流的電流值，△橋和Y橋TA采樣電流值不同，故橋差保護正確動作（ABG，ABCG故障同AG故障）。

圖5 AG故障發(fā)生在Y橋閥側(cè)仿真結(jié)果Figure 5 The simulation results when AG fault occurs in the Y bridge valve side

3.2.2 對于Y橋閥側(cè)發(fā)生AB故障

如圖6所示，ΔIY=0，ΔID＞Iset，較大值持續(xù)時間Δt＞200ms，橋差保護正確動作。分析動作原因：發(fā)生在Y橋閥側(cè)TA后的相間不接地故障時，TA的采樣值是兩故障相流經(jīng)TA到Y(jié)／Y接地變壓器構(gòu)成回路的電流值，而△橋閥側(cè)TA的采樣值是沒有故障電流的電流值，所以△橋和Y橋TA采樣電流值不相同，故橋差保護正確動作。

圖6 AB故障發(fā)生在Y橋閥側(cè)仿真結(jié)果Figure 6 The simulation results when AB fault occurs at the Y bridge valve side

3.3 換流器直流母線高壓端接地短路故障（區(qū)外故障）

在換流器直流母線高壓端加入接地故障，仿真結(jié)果如圖7所示，可知發(fā)生換流器直流母線高壓端接地短路故障時，ΔIY＜Iset，ΔID＜Iset，較大值持續(xù)時間Δt＜200ms，橋差保護不動作，動作情況反應(yīng)正確。

3.4 整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障（區(qū)外故障）

對于整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)母線發(fā)生AG故障，仿真結(jié)果如圖8所示，可知區(qū)外故障的整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障時，ΔIY＜Iset，ΔID＜Iset，較大值持續(xù)時間Δt＜200ms，故橋差保護不動作，動作情況反應(yīng)正確。AG，AB，ABG，ABCG故障時，換流器橋差保護均不動作，動作情況反應(yīng)正確（AB，ABG，ABCG故障結(jié)果同AG故障）。

圖7 直流母線高壓端接地短路故障仿真結(jié)果Figure 7 The simulation results when grounding fault occurs at the DC bus side

圖8 整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)發(fā)生AG故障仿真結(jié)果Figure 8 The simulation results when AG fault occurs at the network side of rectifier

4 結(jié)語

經(jīng)過大量的仿真和分析，可知：

1）△橋、Y橋閥側(cè)電流互感器采樣值要存在故障電流差值，橋差保護才能正確動作；若故障電流同時流入或同時不流入△橋、Y橋TA，即TA采樣值無差值或差值小于整定值，且故障持續(xù)時間未達到200ms，則橋差保護將不會動作，因此△橋閥側(cè)發(fā)生接地故障時，橋差保護拒動。

2）對于區(qū)外故障的換流器直流母線高壓端接地短路故障以及整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障，換流器橋差保護均能可靠不動作，對故障情況反應(yīng)正確。

3）根據(jù)相關(guān)報道［2，14］，換流變空載合閘產(chǎn)生的勵磁涌流導(dǎo)致Y／△變壓器二次側(cè)△環(huán)中存在含有很大非周期分量的大零序環(huán)流，造成TA飽和，產(chǎn)生虛假差流，可能導(dǎo)致橋差保護誤動。結(jié)合該文仿真分析結(jié)果，目前換流器橋差保護同時存在拒動和誤動的可能，現(xiàn)階段的橋差保護判據(jù)還不夠完善，其動作性能提升的空間，有待進一步的研究。

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