童 凱，宣佳卓，許 烽，陳 騫

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

在國(guó)家“加快推進(jìn)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃12條重點(diǎn)輸電通道建設(shè)”的要求下，目前，浙江電網(wǎng)已建成四川溪洛渡左岸-浙江金華（以下簡(jiǎn)稱賓金直流工程）、寧夏靈州-浙江紹興（以下簡(jiǎn)稱靈紹直流工程）2條±800 kV特高壓直流輸電工程，擔(dān)負(fù)著“西電東送”及新能源輸送的任務(wù)，是西部電網(wǎng)與浙江電網(wǎng)互聯(lián)的關(guān)鍵通道。截止2017年3月，靈紹直流工程已安全運(yùn)行1周年，賓金直流工程已累計(jì)向浙江電網(wǎng)輸送水電925億kWh，即將突破千億大關(guān)，有效緩解了浙江地區(qū)用電緊張局面和環(huán)保壓力，對(duì)于服務(wù)西部大開發(fā)戰(zhàn)略、促進(jìn)節(jié)能減排和區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義[1-5]。

在直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦發(fā)生故障和不正常運(yùn)行情況，直流保護(hù)需要及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)直流輸電系統(tǒng)的所有故障類型，自動(dòng)、快速、有選擇性地將故障元件從直流輸電系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到損壞，保證其他無(wú)故障部分迅速恢復(fù)正常運(yùn)行[6-7]。

以下首先對(duì)直流保護(hù)多樣的動(dòng)作策略進(jìn)行介紹，其次主要就直流保護(hù)動(dòng)作中的換流閥閉鎖動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明，闡述不同閉鎖類型的條件和動(dòng)作特征，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錄波，驗(yàn)證保護(hù)閉鎖邏輯的正確性。

1 直流保護(hù)動(dòng)作邏輯

直流輸電系統(tǒng)換流閥一次接線示意如圖1所示，直流保護(hù)除了能夠直接通過(guò)斷路器進(jìn)行故障清除外，還可以通過(guò)控制系統(tǒng)直接清除故障。當(dāng)直流系統(tǒng)中發(fā)生瞬時(shí)性的輕微故障或不正常運(yùn)行工況，直流保護(hù)可以不跳開斷路器，僅通過(guò)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制策略，使直流系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生永久性的嚴(yán)重故障時(shí)，雖然可以通過(guò)控制系統(tǒng)快速抑制故障的發(fā)展，但此時(shí)直流系統(tǒng)已無(wú)法恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，只能通過(guò)閉鎖系統(tǒng)、跳開斷路器隔離故障點(diǎn)。

圖1 換流閥一次接線示意

下面列舉幾項(xiàng)常見的直流保護(hù)動(dòng)作策略：

（1）控制系統(tǒng)切換。將冗余的控制系統(tǒng)由值班系統(tǒng)切換至備用系統(tǒng)，避免控制系統(tǒng)異常造成相關(guān)的保護(hù)誤動(dòng)作。

（2）移相。閥控以一定的速率增大觸發(fā)角，使整流側(cè)進(jìn)入逆變狀態(tài)，逆變側(cè)運(yùn)行于最小關(guān)斷角，從而熄滅直流電流。

（3）投旁通對(duì)。同時(shí)導(dǎo)通6脈動(dòng)換流閥同相的2個(gè)換流閥，形成直流側(cè)短路，從而使直流電壓迅速降到零，并且快速隔離交/直流系統(tǒng)。

（4）閥閉鎖。閥控停止向換流閥發(fā)送觸發(fā)脈沖，換流閥在直流電流過(guò)零之后自然關(guān)斷。

（5）跳交流斷路器。

（6）啟動(dòng)斷路器失靈。

（7）故障重啟。當(dāng)直流線路發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，通過(guò)整流側(cè)移相，將直流電流迅速下降到零，經(jīng)過(guò)去游離時(shí)間后再逐步恢復(fù)整流側(cè)觸發(fā)角，避免直流系統(tǒng)停運(yùn)。

（8）極隔離。

（9）極平衡。

（10）重合開關(guān)。直流保護(hù)發(fā)出跳開斷路器指令后，如果斷路器無(wú)法斷弧，保護(hù)會(huì)再發(fā)1個(gè)合閘指令重合斷路器，避免損壞一次設(shè)備[8-11]。

2 直流工程閉鎖策略

2.1 綜述

賓金直流工程采用許繼自主研發(fā)的新一代成套直流控制保護(hù)系統(tǒng)DPS-3000，系統(tǒng)主要由HCM3000直流控制保護(hù)平臺(tái)、DS3000運(yùn)行人員控制系統(tǒng)、DFU410分布式測(cè)控裝置等子系統(tǒng)和裝置組成。靈紹直流工程控制保護(hù)系統(tǒng)采用南瑞繼保公司自主研發(fā)的新一代直流控制保護(hù)平臺(tái)PCS-9550。

系統(tǒng)針對(duì)不同的故障類型，采取不同的動(dòng)作組合和時(shí)序形成不同的閉鎖類型，根據(jù)換流閥閉鎖時(shí)是否投旁通對(duì)，賓金直流工程將特高壓直流保護(hù)閉鎖分為X，Y，Z，S 4種。靈紹直流工程結(jié)合特高壓工程中2個(gè)串聯(lián)的12脈動(dòng)閥組的特點(diǎn)，將直流保護(hù)性閉鎖分為換流閥層閉鎖和極層閉鎖。換流閥層閉鎖分為U閉鎖和V閉鎖2類，極層閉鎖分為X閉鎖、Y閉鎖和Z閉鎖3類。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。

2.2 X閉鎖策略

主要針對(duì)換流閥短路、單橋持續(xù)換相失敗、丟失脈沖等不應(yīng)該投入或者無(wú)法正常投入旁通對(duì)的情況下的閥閉鎖。

賓金直流工程整流側(cè)故障執(zhí)行X閉鎖時(shí)，整流側(cè)立即移相閉鎖，并向?qū)φ景l(fā)送保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。逆變側(cè)接收到整流側(cè)的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后執(zhí)行正常閉鎖邏輯（即Y閉鎖），觸發(fā)角移相至90°，投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)，發(fā)閉鎖命令。靈紹直流工程整流側(cè)閥組故障執(zhí)行U閉鎖，立即停故障閥組的觸發(fā)脈沖，跳換流變開關(guān)，合旁路開關(guān)BPS，非故障閥組移相；逆變側(cè)收到保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后移相至90°，在觸發(fā)角和直流電壓合適時(shí)投入旁通對(duì)，合旁路開關(guān)BPS，合上后閉鎖閥組。極層故障執(zhí)行X閉鎖（極單閥組運(yùn)行時(shí)，U閉鎖自動(dòng)轉(zhuǎn)換成極層的X閉鎖），整流側(cè)立即閉鎖換流閥，跳交流進(jìn)線開關(guān)，不允許投入旁通對(duì)；逆變側(cè)收到對(duì)站的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)以后，執(zhí)行Y閉鎖，移相至90°，200 ms后投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)BPS，合上后閉鎖。

逆變側(cè)故障執(zhí)行X閉鎖時(shí)，賓金直流工程逆變側(cè)立即移相至164°，延時(shí)100 ms發(fā)閉鎖命令，并向?qū)φ景l(fā)送保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。整流側(cè)接收到對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后執(zhí)行正常閉鎖邏輯（即Y閉鎖），立即移相，根據(jù)直流電流大小延時(shí)發(fā)閉鎖命令。靈紹直流逆變側(cè)閥組故障執(zhí)行U閉鎖，交流開關(guān)跳開后投入旁通對(duì)，合旁路開關(guān)BPS，發(fā)閉鎖命令；整流側(cè)收到保護(hù)動(dòng)作信號(hào)執(zhí)行移相至90°，在觸發(fā)角和直流電壓合適時(shí)投入旁通對(duì)，合旁路開關(guān)BPS，合上后閉鎖閥組。極層故障執(zhí)行X閉鎖，立即跳交流開關(guān)，開關(guān)跳開或延時(shí)70 ms后投入旁通對(duì)，合旁路開關(guān)BPS，BPS合上時(shí)閉鎖；整流側(cè)收到保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后立即移相，60 ms后執(zhí)行Y閉鎖，當(dāng)電流小于一定值時(shí)，延時(shí)20 ms閉鎖，否則投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)，BPS合位時(shí)閉鎖。

2.3 Y閉鎖策略

主要針對(duì)閥區(qū)域、直流線路接地故障、站內(nèi)接地過(guò)流、直流開關(guān)斷開不成功等對(duì)設(shè)備不產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力的故障。

賓金直流工程整流側(cè)故障執(zhí)行Y閉鎖，當(dāng)極或最后1組閥閉鎖時(shí)，整流側(cè)立即移相，延時(shí)50 ms后根據(jù)直流電流大小選擇是否投旁通對(duì)，約200 ms后閉鎖；當(dāng)單閥組閉鎖時(shí)，立即投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)，約20 ms后直接閉鎖。逆變側(cè)接收到對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后執(zhí)行正常閉鎖邏輯（即Y閉鎖），移相至90°，投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)，根據(jù)是否是極或最后1組閥閉鎖，采用不同的延時(shí)執(zhí)行閉鎖指令。靈紹直流逆變側(cè)閥組故障執(zhí)行V閉鎖，立即投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)BPS，同時(shí)跳交流開關(guān)；逆變側(cè)收到保護(hù)動(dòng)作信號(hào)執(zhí)行移相至90°，在觸發(fā)角和直流電壓合適時(shí)投入旁通對(duì)，合旁路開關(guān)BPS，合上后閉鎖閥組。極層故障執(zhí)行Y閉鎖（極單閥組運(yùn)行時(shí)，V閉鎖自動(dòng)轉(zhuǎn)換成極層的Y閉鎖），立即移相，跳交流開關(guān)，20 ms后直流電流小于一定值時(shí)直接閉鎖觸發(fā)脈沖，直流電流仍較大則投入旁通對(duì)，合BPS，BPS合位時(shí)閉鎖換流閥；逆變側(cè)收到對(duì)站的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)以后，執(zhí)行Y閉鎖，移相至90°，200 ms后投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)BPS，BPS合位時(shí)閉鎖。

逆變側(cè)故障執(zhí)行Y閉鎖，整流側(cè)執(zhí)行正常閉鎖邏輯，時(shí)序與整流側(cè)故障Y閉鎖類似，此處不再贅述。

2.4 Z閉鎖策略

主要針對(duì)換流閥過(guò)流、極母線中性母線接地、接地極開路、直流低電壓或過(guò)電壓等直流側(cè)相關(guān)的過(guò)流或接地故障，通過(guò)投旁通對(duì)迅速隔離交直流系統(tǒng)。

賓金直流工程整流側(cè)故障執(zhí)行Z閉鎖，當(dāng)極或最后1組閥閉鎖時(shí)，整流側(cè)立即移相，投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)，否則不移相直接投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)，然后等BPS或BPI合上后閉鎖；逆變側(cè)接收到對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后執(zhí)行正常閉鎖。靈紹直流工程整流側(cè)故障執(zhí)行Z閉鎖，立即跳交流進(jìn)線開關(guān)，投入旁通對(duì)，合BPS，BPS合上后閉鎖換流閥；逆變側(cè)收到對(duì)站動(dòng)作信號(hào)以后，執(zhí)行移相至90°，投入旁通對(duì)，合BPS，BPS合上以后閉鎖換流閥。

逆變側(cè)故障執(zhí)行Z閉鎖，賓金直流工程立即投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)，等BPS或BPI合上后閉鎖；整流側(cè)在接收到對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后執(zhí)行正常閉鎖邏輯。靈紹直流立即跳交流進(jìn)線開關(guān)，投入旁通對(duì)，合BPS，BPS合上后閉鎖換流閥；整流側(cè)收到對(duì)站的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)以后，立即移相，60 ms后執(zhí)行Y閉鎖，當(dāng)直流電流小于一定值時(shí)，20 ms后閉鎖；當(dāng)直流電流仍較大時(shí)，20 ms后投入旁通對(duì)，合BPS，BPS合上后閉鎖換流閥。

2.5 S閉鎖策略

主要針對(duì)會(huì)引起交流側(cè)產(chǎn)生較大電流的故障，時(shí)序與交流斷路器的斷開時(shí)間配合，避免大故障電流下斷開交流斷路器，是賓金直流工程特有的閉鎖方式。

整流側(cè)故障執(zhí)行S閉鎖，立即移相，200 ms后閉鎖換流閥然后跳交流斷路器；逆變側(cè)接收到對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作信息后執(zhí)行正常閉鎖。

逆變側(cè)故障執(zhí)行S閉鎖，移相至90°，收到交流斷路器分位earlymake信號(hào)后立即投旁通對(duì)，合旁路開關(guān)，等BPS或BPI合上后閉鎖；整流側(cè)在接收到對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后執(zhí)行正常閉鎖邏輯。

3 試驗(yàn)波形驗(yàn)證

在賓金直流工程和靈紹直流工程系統(tǒng)調(diào)試階段，都要開展保護(hù)跳閘，X，Y，Z閉鎖試驗(yàn)，試驗(yàn)分別在兩側(cè)進(jìn)行，以檢驗(yàn)由不同地點(diǎn)手動(dòng)發(fā)出的跳閘閉鎖能否正確動(dòng)作以及保護(hù)動(dòng)作跳閘時(shí)序是否正常。以下選取幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的典型波形，驗(yàn)證保護(hù)閉鎖邏輯的正確性。

3.1 逆變側(cè)X閉鎖

賓金直流工程雙換流閥串聯(lián)運(yùn)行，功率指令800 MW，直流電壓800 kV。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，模擬逆變站X閉鎖，如圖2所示記錄了該換流閥的閉鎖過(guò)程。

圖2 逆變側(cè)X閉鎖錄波

由圖2可見，極1換流閥執(zhí)行X閉鎖，立即移相至160°，跳交流進(jìn)線開關(guān)，合BPS，100 ms后閉鎖，整個(gè)過(guò)程都沒有投入旁通對(duì)。

3.2 逆變側(cè)V閉鎖

靈紹直流工程極1定電流控制，雙換流閥串聯(lián)運(yùn)行，電流指令500 A，直流電壓800 kV。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，模擬逆變站CCP1換流閥V閉鎖，圖3記錄了該換流閥的閉鎖過(guò)程。

由圖3可見，CCP1換流閥V閉鎖，立即移相，發(fā)出合旁通開關(guān)BPS_CLOSE_ORD指令和跳交流進(jìn)線開關(guān)TRIP_ACCB指令。待直流電流基本為零時(shí)閉鎖CCP1，CCP2調(diào)節(jié)觸發(fā)角恢復(fù)直流電流。這種閉鎖方式保證了CCP1的安全、快速和平穩(wěn)退出。

4 結(jié)語(yǔ)

以賓金、靈紹2個(gè)±800 kV特高壓直流輸電工程為例，根據(jù)2個(gè)12脈動(dòng)閥組串聯(lián)的接線方式，詳細(xì)闡述了特高壓直流保護(hù)閉鎖的分類和動(dòng)作特征，賓金直流保護(hù)閉鎖分4種類型，根據(jù)是否是極或最后1組閥閉鎖，采取不同的策略；靈紹直流保護(hù)則按照閥層保護(hù)和極層保護(hù)，分別設(shè)計(jì)了2種和4種類型，采取不同的策略。但總的來(lái)說(shuō)，2個(gè)工程具體到某個(gè)閉鎖類型，在觸發(fā)角控制和動(dòng)作延時(shí)方面有所不同，區(qū)別并不是很明顯。

目前，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和運(yùn)行實(shí)踐證實(shí)2種技術(shù)路線的保護(hù)閉鎖策略都可以有效的檢測(cè)到各種設(shè)備故障情況，并根據(jù)不同的保護(hù)動(dòng)作采用相應(yīng)的措施，在保護(hù)到換流閥設(shè)備的情況下最小程度地影響到整個(gè)工程的運(yùn)行，保證直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行[12-18]。

圖3 逆變側(cè)V閉鎖錄波

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