曹俊龍

（中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071）

淺談?chuàng)Q流站直流保護配置及動作策略

曹俊龍

（中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071）

高壓直流輸電應(yīng)用越來越廣泛，直流保護是保障直流輸電系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行的重要手段。本文介紹了高壓直流系統(tǒng)保護的分區(qū)原則，并詳細說明了各保護分區(qū)的保護及測點配置；直流輸電系統(tǒng)的運行方式靈活多樣，為了盡快清除故障、降低對設(shè)備、電網(wǎng)的不利影響，不同分區(qū)的保護策略不盡相同，本文介紹了閉鎖、隔離、跳閘、與控制系統(tǒng)配合等保護動作策略。

直流保護；保護分區(qū)；保護測點；配置動作策略

0 引言

隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，特高壓直流輸電廣泛應(yīng)用于更大功率、跨地區(qū)遠距離的輸電，實現(xiàn)了能源大范圍的轉(zhuǎn)移，有效地解決了我國能源資源與用電需求逆向分布的問題。《大氣污染防治行動計劃》明確了調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、促進清潔發(fā)展的方向。因此在清潔能源大規(guī)模集約開發(fā)的同時，發(fā)展特高壓電網(wǎng)用于清潔能源的消納，是應(yīng)對霧霾的有效舉措。2020年前后，我國電網(wǎng)將規(guī)劃建設(shè)近40個包含跨省區(qū)、跨國的不同電壓等級直流系統(tǒng)，屆時我國將是世界上直流輸電技術(shù)應(yīng)用最廣泛的國家。直流控制保護系統(tǒng)是直流輸電的“大腦”，是直流輸電系統(tǒng)的核心；其中直流保護系統(tǒng)的主要任務(wù)是在高壓直流系統(tǒng)出現(xiàn)各種不同類型故障時，快速、可靠地切除故障，將故障和異常運行方式對電網(wǎng)的影響限制到最小范圍。

隨著高壓直流保護技術(shù)的發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)出如下特點：

（1）微機化。采用微處理機技術(shù)的直流保護具有集成度高、判斷準確、便于定值修改、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。

（2）與直流控制系統(tǒng)的關(guān)系更加密切。特高壓直流保護動作的主要措施，包括換流器緊急移相、投旁通對、閉鎖觸發(fā)脈沖、系統(tǒng)重啟動、故障換流器切除等，均需要通過直流控制系統(tǒng)改變換流器的觸發(fā)角或閉鎖觸發(fā)脈沖完成，兩者關(guān)系密切。直流保護和控制的良好配合，既能快速抑制故障的發(fā)展，迅速切除故障，又能在故障消除后迅速恢復(fù)直流系統(tǒng)正常運行。

（3）冗余配置。為了提高直流輸電系統(tǒng)運行的可靠性，保護裝置均采用冗余配置。根據(jù)技術(shù)路線的不同，有些工程中保護出口采用“三取二”邏輯，能較好的提高保護動作的可靠性，有些工程則采用較為簡單的雙重化冗余方式，有一套保護出口即可，能降低保護拒動的風(fēng)險，但不利于防止保護誤動的發(fā)生。冗余配置有利于提高保護系統(tǒng)的可用性，盡量避免因保護系統(tǒng)故障而引發(fā)系統(tǒng)停運。

1 直流保護分區(qū)及測點配置

（1）直流保護分區(qū)。直流保護系統(tǒng)的范圍和換流站的特點密切相關(guān)，主要覆蓋換流器及閥廳設(shè)備、直流場設(shè)備、直流濾波器、直流線路、換流變壓器、交流濾波器、接地極引線等。直流系統(tǒng)保護采取分區(qū)配置，通常將直流側(cè)保護、交流側(cè)保護和直流線路保護三大類，分為6個保護分區(qū)。根據(jù)以往直流運行及工程設(shè)計經(jīng)驗，不同的保護區(qū)域相互重疊，不允許出現(xiàn)保護死區(qū)。典型的高壓直流保護分區(qū)如圖1所示。在圖1中，區(qū)域1為換流器保護區(qū)，區(qū)域2為直流極母線保護區(qū)，區(qū)域3為中性母線保護區(qū)，區(qū)域4為直流線路保護區(qū)，區(qū)域5為雙極中性線和接地極線路保護區(qū)，區(qū)域6為直流濾波器保護區(qū)。

（2）直流保護測點配置。高壓直流保護系統(tǒng)中的測點用于向保護系統(tǒng)提供必要的電氣量或其他物理量信息。合理配置保護測點直接決定了保護系統(tǒng)能否有效檢測出直流系統(tǒng)的故障狀況和其他異常狀況以及能否實現(xiàn)對整個直流系統(tǒng)的有效保護。在圖1中給出了±500kV高壓直流輸電工程中直流保護系統(tǒng)測點的典型配置。相關(guān)電流、電壓量的縮寫對照見表1。

2 直流保護配置

（1）換流器保護。換流器保護主要覆蓋12脈動換流器、換流變閥側(cè)繞組和閥側(cè)交流連線等區(qū)域，換流器區(qū)主要故障有：換流閥短路、換流器接地短路、丟失觸發(fā)脈沖、換相失敗、閥過電壓等。因此，換流器區(qū)域主要保護配置如表2所示。

圖1 高壓直流保護典型分區(qū)

表1 直流測點電流、電壓量縮寫對照

表2 換流器保護配置

圖2 換流器區(qū)保護測點

表3 極保護配置

換流器區(qū)保護的測點示意見圖2。

（2）極保護。極保護主要覆蓋極母線、極中性母線和中性線開關(guān)等區(qū)域。極區(qū)主要故障有：直流極短路、接地故障以及直流回路開路等。直流極母線區(qū)配置的主要保護見表3。

（3）直流線路保護。直流線路區(qū)域的主要故障有：金屬性接地、高阻接地短路、與交流系統(tǒng)碰線等。直流線路區(qū)配置的主要保護見表4。

直流極母線區(qū)保護的測點示意見圖3。

圖3 直流極母線區(qū)保護測點

表4 直流線路區(qū)保護配置

直流線路保護區(qū)的測點見圖4。

圖 4 直流線路區(qū)保護測點

（4）雙極中性線和接地極線路保護。雙極中性線保護主要覆蓋雙極公用連接區(qū)域以及其中的開關(guān)設(shè)備。雙極區(qū)的主要故障類型有：接地短路、斷線等。雙極中性線和接地極線路區(qū)配置的主要保護見表5。

表5 雙 極中性線和接地極線路區(qū)保護配置

雙極中性線和接地極線路保護區(qū)測點見圖5。

另外，雙極區(qū)裝設(shè)有金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)、金屬回線開關(guān)和快速接地開關(guān)，針對這些開關(guān)可能出現(xiàn)無法斷弧的故障，配置金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)保護（82_ MRTB）、金屬回線開關(guān)保護（82_MRS）和高速接地開關(guān)保護（82_HSGS）。這些開關(guān)保護的測點示意見圖6。

圖5 雙極中性線和接地極線路區(qū)保護測點

圖6 開關(guān)保護測點

（5）直流濾波器保護。直流濾波器保護范圍包括直流濾波器高、低壓側(cè)之間的所有設(shè)備的保護，所配置的保護能保護所有元件免遭由于諧波電流超標或者由于過電壓而產(chǎn)生的過應(yīng)力見表6。

表6 直流濾波器區(qū)保護配置

直流濾波器區(qū)保護測點配置見圖7。

圖7 直流濾波器區(qū)保護測點

3 直流保護動作策略

直流輸電系統(tǒng)運行方式靈活，故障時為了切除故障點或盡快恢復(fù)，把對設(shè)備、電網(wǎng)的影響降到最小，不同保護區(qū)域的保護動作策略是不盡相同的。如極區(qū)故障時主要影響是本極區(qū)域，相應(yīng)保護應(yīng)準確動作并隔離故障點。極線或接地接線路故障大部分為短時故障，因此當這些區(qū)域發(fā)生故障時相應(yīng)保護盡可能通過重啟功能清除故障。雙極區(qū)發(fā)生故障時可能對雙極運行產(chǎn)生不良影響，保護必須能準確判斷故障類型，并盡可能將故障影響降至最低。

另外，直流保護動作的執(zhí)行與直流控制有著密切的關(guān)聯(lián)，在很多情況下會首先啟動控制功能，如進行閉鎖、移相、雙極平衡、降電流等操作，達到保護設(shè)備和保證直流安全運行的目的。如通過控制系統(tǒng)切換清除控制系統(tǒng)本身的故障（控制系統(tǒng)故障引起的脈沖丟失等）。通過功率回降避免設(shè)備過負荷；通過調(diào)節(jié)分接頭防止控制系統(tǒng)失效引起設(shè)備過應(yīng)力；通過極間的電流平衡防止接地網(wǎng)過流；通過再起動邏輯使故障線路充分去游離，重新正常運行等。

不同程度的故障下，保護動作的執(zhí)行方式有所不同。對于嚴重的并需要快速閉鎖脈沖或無法正確選擇旁通對的故障，應(yīng)立即閉鎖點火脈沖,斷開交流斷路器（如整流側(cè)橋臂短路或丟失脈沖故障）；對于較為嚴重的故障,應(yīng)立即移相，以抑制故障電流的發(fā)展，之后閉鎖換流器、跳閘，這類故障包括連續(xù)的換相失敗、直流側(cè)接地故障以及其他原因引起的直流過流。對于輕微故障，例如單次換相失敗、直流諧波略高以及可控硅元件損壞、數(shù)量沒有超過冗余量，系統(tǒng)只給出報警。

4 結(jié)語

結(jié)合直流保護范圍分區(qū)，本文主要對常規(guī)高壓直流輸電工程中直流保護的配置及測點設(shè)置進行了介紹。相鄰的保護區(qū)域相互重疊，并且每一保護區(qū)域配置了多種不同原理的保護。由于故障類型不同，嚴重程度不同，各區(qū)域直流保護的動作策略也不相同，本文介紹了直流保護閉鎖、隔離、重起等動作策略，有利于盡快清除故障，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行或?qū)υO(shè)備、電網(wǎng)的影響降至最低。

[1]張文亮，周孝信，郭劍波等.±1000kV特高壓直流在我國電網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007,27(28):1～5.

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