洪峰，梁文武，吳小忠

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長(zhǎng)沙410004；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

隨著中國(guó)特高壓直流的大規(guī)模建設(shè)，交直流混合運(yùn)行的情況越來越普遍。2017年，首條落點(diǎn)于湖南的祁韶特高壓直流正式投運(yùn)。湖南電網(wǎng)正式進(jìn)入交直流系統(tǒng)互聯(lián)運(yùn)行時(shí)代。祁韶直流最大輸送功率可達(dá)湖南負(fù)荷水平的1/4左右，祁韶直流一旦閉鎖，將嚴(yán)重影響湖南電力系統(tǒng)的運(yùn)行。

目前，對(duì)于交直流系統(tǒng)運(yùn)行間相互影響的研究越來越多〔1－5〕。特別是針對(duì)直流系統(tǒng)的典型故障換相失敗的研究愈發(fā)深刻〔6－11〕。大量文獻(xiàn)指出直流系統(tǒng)換相失敗不僅僅與直流系統(tǒng)本身相關(guān)，與交流系統(tǒng)的運(yùn)行情況同樣密不可分。文獻(xiàn) 〔12〕指出交流系統(tǒng)故障引起逆變側(cè)換流母線電壓下降是換相失敗發(fā)生最主要的原因。交流系統(tǒng)故障能夠引起直流系統(tǒng)單次換相失敗是有可能恢復(fù)的，文獻(xiàn) 〔13〕指出通過該換相失敗的發(fā)展控制措施，逆變器一次換相失敗的直流短路時(shí)間最大不超過1/6基波周期。如果連續(xù)的換相失敗，將造成直流閉鎖，直流輸送功率大量下降，嚴(yán)重影響受端交流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)華東電網(wǎng)方式計(jì)算結(jié)論，直流受端交流故障引起直流換相失敗，一次換相失敗恢復(fù)時(shí)間大約200 ms。這就要求交流系統(tǒng)切除故障的時(shí)間在200 ms以內(nèi)。目前，死區(qū)及失靈保護(hù)動(dòng)作跳相鄰斷路器隔離故障時(shí)間基本晚于故障后300 ms，無法滿足穩(wěn)定要求。針對(duì)死區(qū)及失靈保護(hù)的動(dòng)作特性進(jìn)行分析，提出了保護(hù)時(shí)限優(yōu)化、增加CT配置及全站信息綜合判斷三種方案減少死區(qū)及失靈故障切除時(shí)間，并分析了三種方案的優(yōu)勢(shì)及不足。

1 典型死區(qū)及失靈保護(hù)的動(dòng)作特性

典型的500 kV變電站3/2接線如圖1所示。

圖1 典型500 kV變電站3/2接線圖

圖1所示系統(tǒng)中失靈保護(hù)的動(dòng)作特性:線路故障F4，線路保護(hù)跳該線路的中開關(guān)及邊開關(guān)。若邊開關(guān)失靈，其失靈保護(hù)跳該邊開關(guān)相連母線的所有斷路器；若中開關(guān)失靈，其失靈保護(hù)應(yīng)跳開失靈開關(guān)所在串的另一個(gè)邊開關(guān)，同時(shí)遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)站線路開關(guān)，并聯(lián)跳所在串的變壓器各側(cè)開關(guān)。母線故障F3，若邊開關(guān)失靈，其失靈保護(hù)應(yīng)跳該開關(guān)所在串的中開關(guān)，同時(shí)遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)站線路開關(guān)。死區(qū)保護(hù)動(dòng)作特性:如故障發(fā)生在F1點(diǎn)，母差保護(hù)動(dòng)作無法切除該故障，需死區(qū)保護(hù)動(dòng)作跳故障串中開關(guān)，同時(shí)遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)站線路開關(guān)。如故障發(fā)生在F2點(diǎn)，則線路保護(hù)動(dòng)作后故障未切除，死區(qū)保護(hù)需跳同串的另一個(gè)邊開關(guān)，同時(shí)遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)站線路開關(guān)，并聯(lián)跳所在串的變壓器各側(cè)開關(guān)。

動(dòng)作時(shí)限分析，斷路器失靈保護(hù)出口應(yīng)大于斷路器動(dòng)作時(shí)間和啟動(dòng)失靈的保護(hù)返回時(shí)間之和，并計(jì)入一定的時(shí)間裕度。因此失靈保護(hù)動(dòng)作出口一般在故障發(fā)生后230 ms左右，故障切除時(shí)間一般在300 ms以上。死區(qū)保護(hù)的判據(jù)為收到主保護(hù)三相跳閘出口、斷路器三相跳閘位置信號(hào)及電流判據(jù)，因此常規(guī)死區(qū)保護(hù)的出口時(shí)間較失靈保護(hù)快，一般在200 ms左右，故障切除時(shí)間同樣在300 ms左右，如斷路器動(dòng)作較慢時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，死區(qū)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間會(huì)延后。死區(qū)及失靈保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限如圖2所示，難以滿足200 ms內(nèi)切除故障的要求。

圖2 死區(qū)及失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)限

2 死區(qū)及失靈保護(hù)優(yōu)化方法

死區(qū)保護(hù)的動(dòng)作條件為收到主保護(hù)三相跳閘出口，斷路器三相位置信號(hào)及滿足電流判據(jù)。失靈保護(hù)的動(dòng)作條件為收到保護(hù)跳閘出口及電流等判據(jù)。失靈保護(hù)及死區(qū)保護(hù)整定延時(shí)計(jì)算方法如下:

從式 (1)(2)可以看出，失靈保護(hù)整定延時(shí)受斷路器動(dòng)作時(shí)間、熄弧時(shí)間及保護(hù)返回時(shí)間影響；死區(qū)保護(hù)整定延時(shí)受熄弧時(shí)間及電流返回時(shí)間影響。理論上死區(qū)保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)不需考慮斷路器的動(dòng)作時(shí)間，因此死區(qū)保護(hù)可以更快出口。

失靈保護(hù)及死區(qū)保護(hù)整定延時(shí)優(yōu)化主要從斷路器動(dòng)作時(shí)間及電流返回時(shí)間方面考慮。目前保護(hù)定值的整定所有站都采用同一延時(shí)，未考慮各站斷路器性能的區(qū)別。因此，失靈保護(hù)的延時(shí)尚有較大優(yōu)化空間。根據(jù)變電站斷路器的動(dòng)作時(shí)間的實(shí)測(cè)值對(duì)失靈保護(hù)延時(shí)進(jìn)行整定，可減少失靈保護(hù)的延時(shí)。同時(shí)，基于加速失靈及死區(qū)保護(hù)主要目的在于快速切除對(duì)系統(tǒng)影響較大的嚴(yán)重故障，因此在失靈保護(hù)及死區(qū)保護(hù)的動(dòng)作邏輯方面也可進(jìn)行優(yōu)化〔14〕。

文獻(xiàn) 〔14〕根據(jù)南方電網(wǎng)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)指出，優(yōu)化后，失靈保護(hù)的保護(hù)整定延時(shí)可縮至160 ms，死區(qū)保護(hù)的保護(hù)整定延時(shí)可縮至100 ms。如對(duì)斷路器及CT設(shè)備進(jìn)行合理選型，還可進(jìn)一步優(yōu)化失靈及死區(qū)保護(hù)延時(shí)。如采用光CT，可有效避免傳統(tǒng)互感器電流拖尾現(xiàn)象，優(yōu)化死區(qū)保護(hù)整定延時(shí)。

死區(qū)及失靈保護(hù)優(yōu)化的方案的優(yōu)點(diǎn)在于:一是不增加新的一次設(shè)備；二是改造費(fèi)用較低，如在規(guī)劃時(shí)統(tǒng)一考慮設(shè)備選型及保護(hù)配置，可進(jìn)一步降低成本。三是在目前極限故障切除時(shí)間要求越來越短的要求下，可以簡(jiǎn)單的對(duì)大部分的已運(yùn)站進(jìn)行改造，降低故障切除時(shí)間。該方法的缺點(diǎn)是在保護(hù)動(dòng)作返回時(shí)間和斷路器動(dòng)作時(shí)間同時(shí)達(dá)到上限值時(shí)可能失靈保護(hù)誤動(dòng)，造成停電范圍擴(kuò)大。

3 斷路器加裝CT方法

斷路器加裝CT的方案是指在斷路器兩側(cè)都配置CT，按串配置死區(qū)及失靈加速保護(hù)的方案。當(dāng)死區(qū)范圍發(fā)生故障時(shí)，死區(qū)差動(dòng)保護(hù)會(huì)瞬時(shí)動(dòng)作，直跳邊開關(guān)和中開關(guān)，并通過死區(qū)保護(hù)出口跳對(duì)側(cè)開關(guān)或通過主變保護(hù)出口跳主變各側(cè)開關(guān)，達(dá)到快速切除故障的目的；當(dāng)發(fā)生開關(guān)失靈故障時(shí)，同樣由死區(qū)及失靈加速保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作過程同死區(qū)故障，以此達(dá)到滿足故障在200 ms內(nèi)切除的目的。該方案對(duì)側(cè)變電站同樣需配置死區(qū)及失靈加速保護(hù)，死區(qū)及失靈加速保護(hù)配置如圖3所示，以邊開關(guān)為例，每一串配置一套死區(qū)及失靈加速保護(hù)。

圖3 死區(qū)及失靈加速保護(hù)及光CT配置

以死區(qū)故障為例，變電站接線方式如圖1所示。當(dāng)F1處發(fā)生故障時(shí)，死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作直接切除5011和5012開關(guān)并遠(yuǎn)跳線路對(duì)側(cè)開關(guān)。根據(jù)動(dòng)作時(shí)限圖可知，線路間隔邊開關(guān)F1處發(fā)生死區(qū)故障時(shí)，采用本方案可在100 ms內(nèi)切除中開關(guān)5012，105 ms內(nèi)跳開對(duì)側(cè)開關(guān)完全切除故障。根據(jù)第2節(jié)分析，失靈保護(hù)需躲過斷路器動(dòng)作時(shí)間和啟動(dòng)失靈的保護(hù)返回時(shí)間之和及一定的延時(shí)時(shí)間。如果CT采用光學(xué)元件，可以避免傳統(tǒng)互感器電流拖尾，進(jìn)一步壓縮失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)限25 ms左右，可以使得失靈保護(hù)切除故障時(shí)間達(dá)到200 ms以內(nèi)。保護(hù)動(dòng)作時(shí)間如圖4、5所示。其中一般保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可以按30 ms考慮，斷路器動(dòng)作按70 ms考慮，遠(yuǎn)跳傳送時(shí)間按5 ms考慮。

圖4 死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作

圖5 失靈保護(hù)動(dòng)作

圖4中，T0為故障發(fā)生時(shí)刻，T1為主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，T2為對(duì)側(cè)斷路器動(dòng)作時(shí)刻，T3為本側(cè)斷路器熄弧時(shí)刻，T4(105 ms)為對(duì)側(cè)斷路器熄弧時(shí)刻，也是故障切除時(shí)刻。

圖5中，T0為故障發(fā)生時(shí)刻，T1為主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，T2為主保護(hù)動(dòng)作側(cè)斷路器熄弧時(shí)刻，T3為失靈保護(hù)斷路器動(dòng)作時(shí)刻，T4為對(duì)側(cè)失靈保護(hù)斷路器動(dòng)作時(shí)刻，T6(200 ms)是故障切除時(shí)刻。

4 站內(nèi)信息綜合判別方法

隨著智能變電站的大規(guī)模建設(shè)，站域保護(hù)得到了飛速發(fā)展〔15－18〕，站域保護(hù)基于智能變電站網(wǎng)絡(luò)化信息共享的特點(diǎn)為解決本文所提問題提供了新思路。通過采集本站多間隔電壓電流信息，綜合提高死區(qū)故障判別速度，可以達(dá)到快速切除死區(qū)故障的目的。綜合判斷的總體思路為:一是利用I母母差元件確認(rèn)故障點(diǎn)；二是利用故障切除時(shí)，電壓元件和阻抗元件能更快速返回的特性防止母線故障誤動(dòng)；三是利用各串電流比較確定死區(qū)故障串。

如圖1所示，以F1或者F3點(diǎn)故障為例，在母差動(dòng)作斷路器斷開后，可通過電壓及阻抗元件判斷出是否為死區(qū)故障，同時(shí)判別故障串。如為死區(qū)故障，則故障串在故障發(fā)生后130 ms跳中開關(guān)，其他串死區(qū)判據(jù)返回，不跳中開關(guān)。如不是死區(qū)故障，則所有串死區(qū)判據(jù)返回。死區(qū)判據(jù)返回后，根據(jù)站域保護(hù)邏輯，死區(qū)保護(hù)跳閘不出口。采用站域保護(hù)后的變電站死區(qū)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限如圖6所示。其中一般保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可以按30 ms考慮，斷路器動(dòng)作按60 ms考慮，本側(cè)站域保護(hù)延時(shí)105 ms為60 ms斷路器動(dòng)作時(shí)間，加上死區(qū)綜合判斷時(shí)間40 ms及5 ms開出時(shí)間。遠(yuǎn)方站域保護(hù)延時(shí)110 ms為本側(cè)站域保護(hù)延時(shí)105 ms加遠(yuǎn)跳傳送時(shí)間 (按5 ms考慮)。斷路器動(dòng)作時(shí)間考慮為60 ms?？傮w死區(qū)動(dòng)作時(shí)間可控制在200 ms。

圖6 保護(hù)動(dòng)作時(shí)限

圖6中，T0為故障發(fā)生時(shí)刻，T1為主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，T2為主保護(hù)動(dòng)作側(cè)斷路器熄弧時(shí)刻，T3為本側(cè)站域保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻，T4為遠(yuǎn)方相應(yīng)斷路器動(dòng)作時(shí)刻，T6(200 ms)是故障切除時(shí)刻。

5 結(jié)論

提出了三種方法解決特高壓直流受端500 kV變電站死區(qū)及失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)問題，三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)如下:

1)死區(qū)及失靈保護(hù)優(yōu)化的方法實(shí)施簡(jiǎn)單，成本低，更適用于已運(yùn)行站的改造。同時(shí)可解決電網(wǎng)故障極限越來越短的問題。但是該方法受一次設(shè)備特別是斷路器及電流互感器設(shè)備特性影響較大，優(yōu)化效果是否滿足要求需按實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證。

2)站內(nèi)斷路器兩側(cè)均配置CT的方法從本質(zhì)上消除了死區(qū)問題。使得 “死區(qū)保護(hù)”的切除時(shí)間大大縮短，但是其失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的壓縮依賴于光CT的固有特性，傳統(tǒng)CT無法采用，同時(shí)改造費(fèi)用較高。

3)站內(nèi)消息綜合判別方法利用智能變電站信息共享的優(yōu)勢(shì)，在智能站的改造方面有著巨大潛力。但若斷路器分閘較慢，死區(qū)保護(hù)判據(jù)來不及返回，有可能造成誤切元件，擴(kuò)大停電范圍。

綜上所述，三種改造方法各有特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，也有其伴生的缺陷。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選用。該問題還有待進(jìn)一步研究，方能得到通用的完備解決方案。

〔1〕王智冬.交流系統(tǒng)故障對(duì)特高壓直流輸電換向失敗的影響〔J〕.電力自動(dòng)化設(shè)備.2009， 29(5):25-29.

〔2〕衛(wèi)鵬，劉建坤，周前，等.一起復(fù)雜交流故障導(dǎo)致的錦蘇直流換相失敗的研究 〔J〕.高壓電器.2016(5):97-100.

〔3〕申洪明.直流換相失敗對(duì)交流側(cè)保護(hù)的影響分析與對(duì)策研究〔D〕.北京:華北電力大學(xué)，2016.

〔4〕邵震，王炳炎.直流輸電換相失敗對(duì)交流側(cè)繼電保護(hù)的影響〔J〕.高電壓技術(shù)， 2006， 32(9):42-45.

〔5〕徐敬友，譚海燕，孫海順，等.考慮直流電流變化及交流故障發(fā)生時(shí)刻影響的HVDC換相失敗分析方法 〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(5):1261-1267.

〔6〕許朋見，黃金海，許靜靜，等.賓金特高壓直流換相失敗保護(hù)的研究 〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45(2):140-146.

〔7〕申洪明，黃少鋒，費(fèi)彬.HVDC換相失敗暫態(tài)特性及其對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響分析和對(duì)策 〔J〕.電力自動(dòng)化設(shè)備，2015，35(4):109-115.

〔8〕朱韜析，寧武軍，歐開健.直流輸電系統(tǒng)換相失敗探討 〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36(23):116-120.

〔9〕陳干，田方，劉寧，等.高壓直流輸電工程換相失敗研究 〔J〕.高壓電器，2015，51(7):136-140.

〔10〕袁陽，衛(wèi)志農(nóng)，雷霄，等.直流輸電系統(tǒng)換相失敗研究綜述〔J〕.2013， 33(11):141-147.

〔11〕馬玉龍，肖湘寧，姜旭.交流系統(tǒng)接地故障對(duì)HVDC的影響分析 〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(11):144-149.

〔12〕 Eleetra.Commutation failures in HVDC transmission system due to AC system faults 〔J〕.CIGRE Working Group 14.02， 1996，169:59-85.

〔13〕任震，歐開健，荊勇.直流輸電系統(tǒng)換相失敗的研究(二)—避免換相失敗的措施 〔J〕.電力自動(dòng)化設(shè)備，2003，23(6):6-9.

〔14〕余江，周紅陽，陳朝暉，等.計(jì)及系統(tǒng)穩(wěn)定需求的500 kV斷路器失靈及死區(qū)保護(hù)優(yōu)化 〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39(2):142-146.

〔15〕高厚磊，劉益青，蘇建軍，等.智能變電站新型站域后備保護(hù)研究 〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013(2):32-38.

〔16〕陳磊，張侃君，夏勇軍，等.智能變電站站域保護(hù)研究綜述〔J〕.華東電力， 2013， 41(5):947-953.

〔17〕蔡小玲，王禮偉，林傳偉，等.基于智能變電站的站域保護(hù)原理和實(shí)現(xiàn) 〔J〕.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，24(6):128-133.

〔18〕李志堅(jiān)，潘書燕，宋斌，等.智能變電站站域保護(hù)控制裝置的研制 〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40(13):107-113.